VISITE DU MUSÉE DES MOTEURS FUSÉES

Le moteur VIKING (Moteur de la fusée Ariane 4 que l'on voit sur la photo ci-près)

Réservoirs d’ergols de 100 m³

3 bars de pression dans les réservoirs, 80 bars de pression à l’injection des ergols.

11.000 tonnes/mn de débit massique.

Gaz expulsés à 3.500 °C

Parois de la tuyère à 1.000 °C

3 Gigawatts dans la chambre de combustion d’un volume de 50 litres pendant 600 secondes.

L’acier de la tuyère fond à 1.300 °C, l’aluminium de la chambre à 700 °C.

Quelques problèmes techniques à résoudre, non ?

La pompe d’alimentation est à turbine et entraîne, sur le même axe, la pompe UDMH, la pompe Peroxyde d’Azote et une pompe à Eau.

L’eau est l’élément qui sert à produire le gaz d’entraînement de la turbine. La vapeur d’eau est créée dans une chambre de combustion annexe.

Les deux ergols sont injectés via des conduits, en anneau autour de la chambre de combustion, percés de nombreux orifices d’injection.

La chambre de combustion est refroidie par l’écoulement, le long de la paroi convergente, d’un excès volontaire d’UDMH à l’injection.

Le conduit divergent de la tuyère est protégé de la chaleur par une couche d’oxyde de zirconium (blanc) ainsi que par l’écoulement de l’UDMH excédentaire.

Ce mécanisme de refroidissement n’est pas suffisant pour les moteurs à hydrogène (débit de 100.000 tonnes/mn).

La composition du mélange est régulée mécaniquement en amont de la pompe par un double piston déplacé par la différence de pression en sortie de la pompe, entre les deux ergols. Ce piston est solidaire d’un pointeau qui, selon le sens de déplacement du piston, va obturer plus ou moins le canal d’alimentation de la pompe UDMH.

Le moteur HM7 (photo SNECMA)

Moteur à hydrogène liquide (-250 °C / -21 °K) et Oxygène liquide.

L’amorçage de la réaction nécessite un allumage pyrotechnique.

A ces températures, les métaux sont près fragiles, les joints polymères sont fragiles et cassants. En conséquence, pas de joints ! Les raccords se font métal sur métal, avec montage en salle blanche pour éviter toute rayure ou poussière qui pourrait être une amorce de fuite.

L’Oxygène, au contact du très grand froid, se contracte et crée un phénomène de cryopompage qu’il faut maîtriser.

Les 150 bars de pression pour l’injection de l’Hydrogène et de l’Oxygène sont obtenus grâce à une pompe d’injection comportant deux axes parallèles de pompes. Chaque axe supporte deux pompes, mais un seul est moteur (côté Hydrogène) et entraîne le second (côté Oxygène).

La pompe est entraînée par 2 turbines à aube, tournant à 60.000 tours/mn sur l’axe de pompe de l’Hydrogène. Une série d’engrenages entraîne l’autre axe de pompe (pour l’Oxygène) à une vitesse de rotation 5 fois inférieure, afin de respecter les conditions stochiométriques du mélange, sachant que l’Oxygène est 5 fois plus lourd que l’Hydrogène .

L’étanchéité de la pompe est assurée par des joints en graphite et tout danger de contact (et réaction) entre l’Hydrogène et l’Oxygène est écarté par une atmosphère d’Hélium sous pression. Les roulements à bille qui doivent travailler, côté Hydrogène, et en amont de la pompe à température ambiante au démarrage et à -250°C en fonctionnement, sont des roulements obliques, dont les chemins de roulement sont recouverts d’une substance top secrète, de type Téflon.

Le moteur de pompe doit résister à des efforts mécaniques extrêmes, tant axiaux que transversaux, en régime établi comme en régime d’accélération ou de décélération. En outre, le gradient de température sur l’axe de la pompe à Hydrogène est de 1.000°C (de -250°C à +770°C) sur une longueur de 30 cm environ.

Voir animation du moteur HM7B en flash sur le site Snecma.

Le moteur VINCI (Photo SNECMA)

Le moteur utilise la vapeur d’eau créée au contact de l’Hydrogène qui a servi à refroidir les tuyères et retourne du circuit de « régénération » à une température de l’ordre de 350 °C.

L’Hydrogène de régénération (i.e. de refroidissement) circule dans la cavité formée par la double paroi des tuyères.

C'est le nouveau moteur du deuxième étage des nouvelles Ariane.

Particularité : le divergent (le cône de sortie) est déployable (pour prendre moins de place) et en matériaux composites.

Voir animation du moteur Vinci en flash sur le site Snecma.

Le moteur Vulcain

C'est le moteur principal de la Fusée Ariane 5.

C'est un moteur cryogénique utilisant H2 et O2 liquides.

Une nouvelle version de ce moteur permettra de mettre une tonne de plus en orbite.

Voir simulation du moteur Vulcain.

Article sur le moteur Vulcain.

Le moteur de la fusée V2

On voit sur la photo de gauche les turbopompes et une coupe du moteur fusée.

Sur la photo de droite le déflecteur de jet sur la tuyère servant au guidage de l'engin.

C'était une fusée révolutionnaire pour l'époque, elle a permis le démarrage de toute l'industrie astronautique mondiale.

À la fin de la guerre, la société (qui était le LRBA en 1946 Laboratoire de Recherche en Balistique et Aérodynamique) "récupère" quelques ingénieurs allemands de l'équipe à Von Braun ainsi que quelques fusées V2, ce sera le point de départ de cette industrie.

Les ergols utilisés par la V2 étaient les deux suivants :

· Alcool Éthylique ;

· Oxygène liquide.

Le moteur de compression fonctionnait quant à lui à l’Eau Oxygénée et au Permanganate de Potassium.

Sur ce type de moteur, le flux de régénération des tuyères était constitué par apport d’Alcool Éthylique.

Le lanceur Véronique

C'est la fusée Véronique qui est le successeur du V2.

Exploité dans le désert algérien pour le lancement de sondes atmosphériques (et des premiers êtres vivants - i .e. un rat), ce lanceur était peint en damier rouge et blanc pour pouvoir être repéré facilement depuis un avion, lors de la phase de récupération des éléments de la fusée.

C’est ainsi qu’Hergé a choisi les couleurs de la fusée de Tintin dans : On a marché sur la Lune.

Ce premier lanceur de la LRBA (1949) fonctionnait à l’Acide Nitrique et à l’Essence de Térébenthine. Les réservoirs étaient sous pression, à 20 bars.

Ce lanceur a permis de tester différentes techniques :

· circuits régénératifs ;

· générateurs de gaz ;

· etc.

Le lanceur Diamant

La version A de ce lanceur était une Véronique, en plus grand.

Il sera utilisé le 26 novembre 1965 pour lancer le satellite A1, 150 kg, rapidement rebaptisé : Astérix.

La version B de ce lanceur fonctionnait au Peroxyde d’Azote et à l’UDMH.

Les projets EUROPA et ARIANE

Dans le projet EUROPA, chaque pays européen était responsable d’un étage de la fusée. La France avait en charge le 2^ième étage. Faute de maîtrise d’œuvre globale, le projet n’aboutira jamais. De nombreuses difficultés au niveau du respect des interfaces entre étages de la fusée interdiront de mener ce projet à son terme (Europa3).

Cet échec donnera naissance au projet ARIANE.

Le moteur HM4

En 1969, le HM4 est le premier moteur à Hydrogène, non américains.

Les réacteurs d’appoint pour avions militaires

Les armées françaises et Suisse utilisent des réacteurs au Kérosène et à l’Acide Nitrique, utilisant l’énergie du moteur de l’avion pour mouvoir la pompe d’injection.

Ces réacteurs servent, pendant 1,5 à 2 secondes, le temps du décollage. Cela est utile aux pilotes suisses pour franchir les montagnes.

Visite du centre administratif et technique

Divers

16 hectares de superficie.

Centre d’études et conception

280 ingénieurs et techniciens.

Leurs principales préoccupations sont :

· la fiabilité ;

· le poids.

Centre d’usinage - achats

300 personnes.

Réalisent les pièces les plus sophistiquées.

Le reste est sous traité.

Centre de montage

Techniciens BAC professionnel et BTS travaillent dans une salle blanche, légèrement pressurisée. Un pont roulant permet de déplacer les pièces. Fin du fin : des aspirateurs suivent le pont roulant pour avaler toute limaille de fer qui pourrait se former le long des rails.

Le montage nécessite environ 10 semaines au total pour un propulseur, dont le cycle de fabrication est au total de 24 mois.

Vernon a une capacité de production de 20 propulseurs par an.

Avec son contrat pour 30 VULCAIN et VULCAIN2, Vernon a un plan de charge pour les 5 à 6 ans à venir.

Les pièces sensibles (jusqu’aux billes de roulements) sont suivies tout au long du cycle, via un fichier informatisé.

Les opérations de montage sont effectuées conformément à un descriptif de montage et leur exécution est consignée, nominativement sur des fiches qui accompagnent les fiches descriptives.

Chaque pièce montée est ensuite placée dans un container rempli à l’Azote (pas d’humidité, pas d’oxydation), dans l’attente de son assemblage.

Centre d’assemblage

Après assemblage, les moteurs sont mis au banc d’essai.

Le propulseur complet est enfin placé dans un container rempli d’Azote sec, dans l’attente de sa livraison.

Remarque : un réel danger existe avec l’Azote, inodore, indolore mais mortel (NDLR : fixation sur l’hémoglobine du sang ?).

Visite du centre d’essai

Rôle du centre

Ce centre date des années 40. Son rôle est de déterminer avec grande précision l’impulsion spécifique des propulseurs, rapport de la quantité de poussée par la quantité d’ergols consommée. En effet, sur les 700 tonnes de la fusée ARIANE, quelques pourcents seulement représentent la charge utile emportée (10 tonnes maximum). La mesure de l’impulsion spécifique permettra de déterminer la quantité d’ergols à charger dans le lanceur par rapport à la charge à lancer.

Les principaux Points Fixes (PF) du centre sont les suivants :

· PF 41 : essais des HM7 ;

· PF 52 : essais des VINCI et turbo pompes ;

· PF 50 : essais des VULCAIN et VULCAIN2.

Les essais sont utiles en phase de développement, lors de la qualification des nouveaux propulseurs et pour vérifier la non dérive de la fabrication par rapport aux tests faits en qualification (sous-traitance).

Les phénomènes de perte de charge dynamique lors des arrêts et démarrages sont également testés. Cela nécessite de placer, comme dans la réalité, le réservoir d’Oxygène liquide au dessus du réservoir d’Hydrogène liquide.

Laboratoire d’expertise

Il permet d’expertiser les pièces fabriquées par les sous traitants, mais aussi les fluides et métaux achetés.

Il est équipé d’instruments permettant d’effectuer de nombreux tests concernant le fonctionnement d’un propulseur dans l’espace.

Exemples :

· l’effet des radiations cosmiques sur les matériaux ;

· le décollement du jet dans le divergeant de la tuyère : le divergeant des propulseurs doit être plus long dans le vide que dans l’air (problème détecté sur les VIKING4).

Un contrat RENAULT permet de faire des recherches sur le moteur automobile à Hydrogène.

Le centre de stockage

Une grande partie de la production européenne d’Hydrogène liquide est consommée par l’industrie aérospatiale.

Ces fluides sont stockés dans de grandes citernes à l’air libre. Tout un réseau de canalisations souterraines alimente les différents Points Fixes (PF) du centre d’essai qui peuvent alors stocker les fluides nécessaires avant les essais et s’isoler du réseau pour la durée des essais.

Le poste de commandement du PF 50

Essai d'un moteur Vulcain sur une plate-forme d'essai. (Photos SNECMA)

Le déroulement d’un essai est fixé par des procédures que les ingénieurs du poste de commandement exécutent sous la direction du directeur de tir (comme pour un tir réel).

Les grandes phases d’un essai sont les suivantes :

· Essai à vide des séquences d’ouvertures et de fermeture des vannes ;

· Mise en température des lignes (on remplit les réservoirs) ; le moteur doit être froid pour ne pas avoir formation de bulles due au réchauffement des liquides, ce qui provoquerait le phénomène de cavitation dans les pompes d’injection.

· Mise à feu et essai pendant une durée égale à 2 fois le temps de vol réel.

Il est possible d’effectuer un essai de propulseur tous les 3 jours, au mieux. En qualification, le temps d’analyse et de modification des éléments en test porte ce temps à 1 semaine.

En cas d’incident sur un PF ou de forte cadence de production de production, les PF d’autres centres d’essai sont utilisés (Heilbronn près de Stuttgart pour les VULCAIN d’ARIANE).

Caractéristiques du PF 50

60 m de haut, dont 23 enterrés.

30.000 tonnes de béton et 300 tonnes de charpente.

Réservoirs de 600 m3 d’Hydrogène et 200 m3 d’Oxygène liquides.

25.000 Nm3 de gaz de servitude.

Débit d’eau de 1,5 m3.s-1 pour le refroidissement du déflecteur.

900 organes et composants fluides.

500 commandes et 600 voies de mesure.

50.000 points d’acquisition par seconde.

Caractéristiques du VULCAIN

80 tonnes de poussée.

900 secondes par essai (600 secondes en nominal).

Souvenir d'une très intéressante visite.

D'Éric LEMAÎTRE

Journée de visite : à La SNECMA Moteurs à Vernon le 25 novembre 2005

Parti du Mc Donald à Plaisir, nous étions neuf personnes de Véga à nous être déplacées à Vernon.

Cette sortie a été organisée par Planètes Sciences que nous avons rejoint sur place.

Deux types de centres sont bien distincts, le centre administratif et technique et le centre d’essai.

La visite a commencé par le premier où l’organisateur nous a présenté la société SNECMA, son organisation et ses activités.

Il nous a montré les différents moteurs dans le hall d’exposition. Un car, mis à disposition par Planètes Sciences, nous a amené dans un second bâtiment, le hall de montage pour y voir une salle blanche hermétiquement protégé de l’extérieur. Puis nous avons quitté le centre administratif et technique pour y rejoindre le centre d’essai PF 50, où nous y avons vu la salle de commande, puis un modèle de moteur Vulcain 2 dans sa salle d’essai.

Textes et photos du site de la SNECMA

Snecma Moteurs, motoriste aéronautique et spatial de niveau mondial offre une large gamme de systèmes propulsifs. Il conçoit et produit des moteurs civils leaders dans leurs créneaux et des moteurs militaires au meilleur niveau technologique mondial. En matière spatiale, Snecma Moteurs, chef de file de la motorisation du lanceur européen Ariane, développe et produit des systèmes propulsifs et des équipements pour lanceurs, satellites et véhicules orbitaux.

Snecma Moteurs bénéficie de la synergie du groupe Snecma, acteur de premier plan international dans le domaine aéronautique et spatial. Seul groupe à maîtriser un ensemble aussi complet de technologies de propulsion, Snecma est également au premier rang mondial ou européen des équipementiers aéronautiques et spatiaux.

L'appartenance à ce groupe leader de dimension internationale permet à Snecma Moteurs de mieux connaître ses clients et d'offrir des solutions optimisées à leurs besoins.

3 domaines d'activités : moteurs civils (70%), moteurs militaires (20%) et moteurs spatiaux (10%).
8 sites de production : Gennevilliers, Evry-Corbeil, Villaroche Nord, Villaroche, Vernon, Le Creusot, Istres, Kourou
Chiffres d'affaires 2003 : 2 633 M Euros (chiffre d'affaires consolidé incluant CFM SA, CFM Inc. et Shannon Engine Services). Pour l’ensemble SAFRAN dont dépend Snecma depuis cette année, le chiffre d’affaire a un total d’environ 10 000 M Euros.
Effectifs : plus de 10 000 salariés

L'établissement Snecma Moteurs de Vernon (Eure) dispose de tous les moyens et compétences pour concevoir, développer, produire et commercialiser les moteurs à ergols liquides pour lanceurs de satellites, notamment pour le lanceur européen Ariane. Il est rattaché à la Division Moteurs Spatiaux de Snecma Moteurs. Quelque 1200 personnes y sont actuellement employées.
Snecma Moteurs travaille notamment sur la propulsion d'Ariane 5 : les moteurs actuellement en production sont le Vulcain 2 (étage principal) et le HM7B (étage supérieur), qui cèdera la place en 2009 au Vinci^®, actuellement en développement. Ces moteurs, dits cryotechniques, utilisent de l'hydrogène et de l'oxygène liquides. Snecma Moteurs maîtrise cette technique depuis plus de 40 ans. Les bancs d'essais des moteurs sont implantés sur le site de Vernon, sur une zone de 116 ha.

Par ailleurs, les savoir-faire et outils industriels mis en place à Vernon sont proposés à de nombreuses entreprises en dehors du secteur spatial dans le cadre de la gamme de services que Snecma Moteurs propose à l'industrie.

L'établissement de Vernon compte parmi les sites industriels les plus importants de Haute-Normandie. A ce titre il est fortement impliqué dans la vie économique de la région :
Les actions collectives Snecma Normandie 2005 et AGIR permettent aux PMI régionales d'avoir accès aux compétences et services de Snecma Moteurs en bénéficiant du soutien de l'État et de la région. Snecma Moteurs est également membre de la filière aéronautique et spatiale de Haute-Normandie.

Quelques dates de l’histoire de cet établissement :

1946 : création à Vernon du LRBA, Laboratoire de Recherches en Balistique et Aérodynamique

1969 : création de la SEP (Société Européenne de Propulsion) regroupant la SEPR (Société
d'Étude de la Propulsion à Réaction) et la division « Engins et Espace » de SNECMA

1971 : la partie industrielle du LRBA rejoint la SEP.Premier essai à feu du moteur Viking.

1979 : premier essai en vol d'Ariane 1 (L01).
1988 : premier vol Ariane 4.
1990 : premier essai à feu du moteur Vulcain.
1997 : Snecma absorbe la SEP.
1999 : la division SEP devient la Division Moteurs-fusées. livraison du 1000ème moteur Viking. premier vol commercial d'Ariane 5.
2000 : Snecma Moteurs est créée : elle regroupe certaines activités industrielles « moteurs » de
Snecma, dont la Division Moteurs-fusées. 100ème vol d'Ariane 4.
2002 : la Division Moteurs-fusées devient la Division Moteurs Spatiaux.
2003 : dernier vol d'Ariane 4.

La propulsion spatiale

Snecma propulsion solide

La nouvelle société, Snecma Propulsion Solide, filiale à 100% de Snecma est spécialisée dans la conception et la production de moteurs à propergols solides (programme civil Ariane 5, programmes militaires M45, M51 et tactiques) et de composites thermostructuraux pour l'aéronautique, l'espace et l'industrie.

Snecma Moteurs est le principal motoriste des lanceurs Ariane

Snecma Moteurs maîtrise l'ensemble des technologies à ergol liquides. Sa compétence, ses moyens industriels et techniques lui permettent de concevoir des systèmes de propulsion, des moteurs et des équipements offrant le meilleur équilibre entre performances, fiabilité et coût.

Snecma Moteurs dispose d'une large gamme de moteurs adaptés à chaque type d'étage de lanceur.

La famille des moteurs

Les moteurs vulcains

Le moteur Vulcain de 1 140 kN de poussée propulse l'Etage Principal Cryotechnique (EPC) d'Ariane 5. Il fonctionne en vol pendant 575 secondes mais sa durée de vie est qualifiée de 6 000 secondes et 20 démarrages. Il est alimenté par deux turbopompes : une pour l'hydrogène liquide à double étage et une pour l'oxygène liquide.

Le moteur HM7B

Le moteur HM7B a propulsé le troisième étage du lanceur Ariane 4. Il sera également utilisé sur la version ESC-A du nouvel étage supérieur d'Ariane 5.

Le HM7B de 64,8 kN de poussée est à flux dérivé, avec une turbopompe comportant une ligne hydrogène haute vitesse (60 000 tr/min).

Le moteur Vinci^®

Le moteur Cryotechnique Vinci^® donnera à l'étage supérieur d'Ariane 5 un surcroît de performance et une souplesse remarquable. D'une poussée de 180kN, et fonctionnant en cycle expander, il permettra de porter à plus de 11 tonnes la charge utile en orbite de transfert d'Ariane 5 mais autorisera également des stratégies de mise en orbite améliorées, et de nouvelles missions pour le lanceur, grâce à sa capacité d'allumage multiples en vol.
Vinci^® bénéficie de nombreuses technologies nouvelles qualifiées dans le cadre des programmes de recherche et technologie, et qui permettent un coût de développement et de production réduit.

Des équipement spatiaux performants et innovants

Les turbomachines
Snecma Moteurs développe des pompes et turbopompes, compactes, avec de très bons rendements et d'excellentes performances en cavitation. Ces turbomachines sont conçues pour être facilement industrialisables et comportent un minimum de pièces (ex : turbopompe hydrogène du Vinci).

Les vannes
Les vannes sont aussi des éléments importants pour la fiabilité des moteurs (en phase d'allumage ou d'extinction ou en régulation). Snecma Moteurs développe différents types de vannes (alimentation, injection chambre ou générateur) pour ses moteurs. Snecma Moteurs se positionne avec son partenaire Techspace Aero (Groupe Snecma) comme centre d'excellence en matière de vannes cryotechniques.

Les générateurs de gaz
Snecma Moteurs conçoit et développe des générateurs de gaz pour ses moteurs, avec notamment un générateur hydrogène-oxygène à allumeur pyrotechnique particulièrement fiable.

Les liaisons pneumatiques et fluides
Snecma Moteurs développe d'une part les liaisons ombilicales pneumatiques et fluides de tous les étages d'Ariane 4, et d'autre part les plaques à clapets du nouvel étage supérieur cryotechnique
d'Ariane 5.

Les systèmes correcteurs POGO
Snecma Moteurs a développé les systèmes correcteurs d'effet POGO (systèmes permettant le calcul des oscillations). Ces systèmes équipaient les propulseurs des premier et deuxième étages d'Ariane 4 et équipent désormais l'étage principal cryotechnique
d'Ariane 5.

Les systèmes de pressurisation
Snecma Moteurs est aussi un spécialiste des systèmes de pressurisation. Snecma Moteurs est le seul motoriste à avoir développé, avec Air Liquide, un système de pressurisation de réservoir à base d'hélium liquide, léger, peu encombrant et économique. Ce système équipe l'étage principal cryotechnique d'Ariane 5.

Snecma Moteurs maîtrise toutes les étapes de la vie d'un moteur fusée à ergols liquides, de la conception du produit à l'analyse des vols. Sur le site de Vernon, Snecma Moteurs dispose d'un important bureau d’étude, d'un laboratoire, d'ateliers de production performants ainsi que de nombreux moyens d'essais (dont 4 bancs moteur, un à ergols stockables et trois à ergols cryotechniques).

Pour le lanceur Ariane 5

Caractéristiques techniques

Propulsion
Poussée moyenne	1 125 kN
Impulsion spécifique moyenne	424,4 s
Pression de combustion	110 bar
Débit total d'ergols propulsifs	270 kg/s
Rapport de mélange	5,25
Fiabilité	0,9926

Masses
Masse de l'étage au décollage	170 000 kg
Masse sèche de l'étage	12 300 kg
Masse maximum de LOX	132 500 kg
Masse maximum de LH2	26 000 kg

Dimensions géométriques
Hauteur de l'étage	30,7 m
Diamètre de l'étage	5,4 m
Volume du réservoir LOX	123 m3
Volume du réservoir LH2	391 m3

De cette journée, nous remercions vivement SNECMA MOTEURS, Planètes Sciences, l’organisateur et animateur ainsi que Jean-Pierre Martin pour leur gentillesse, leur accueil et leur connaissance.

POUR ALLER PLUS LOIN

Sur le site de Vernon

Historique du site et de la société

La Phototèque Vernon

La propulsion spatiale par le Snecma : très clair.

Les ergols liquides par Educnet :

Galerie ESA de différents lanceurs principalement français : =

Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin

Le contexte de la visite

Présentation du groupe SAFRAN

Visite du musée

Quelques rappels de physique et chimie