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LE MOTEUR VULCAIN 2.1
Le Vulcain 2.1 destiné à Ariane 6 est un
moteur cryogénique brûlant des propergols cryogéniques, LOX et LH2 et
utilisant un générateur de gaz et 2 turbopompes
indépendantes. Il est une évolution du Vulcain 2 d'Ariane 5E avec les
mêmes performances (poussée de 137 tonnes dans le vide) mais
introduisant de nouvelles technologies, notamment impression 3D,
permettant de réduire les couts sur le lanceur et les opérations au sol.
Le Vulcain, ou Vulcain 1 est un moteur à flux dérivée
dans lequel les turbopompes qui alimentent la chambre de combustion,
sont entraînées par la combustion, dans un générateur de gaz unique, des
ergols prélevés (3 %) sur le circuit principal. Un fort excès
d'hydrogène a pour effet de limiter la température des gaz, tout en les
rendant réducteurs, de façon à protéger les aubes de turbine. Les ergols
sont injectés dans la chambre de combustion sous très grande pression,
110 bars à travers un injecteur frontal avec 516 éléments coaxiaux. Le
refroidissement de la chambre est assuré par la circulation du LH2 à
l'intérieur même par l'intermédiaire de 320 canaux longitudinaux usinés
dans la paroi. Les gaz du générateur sont évacués par deux échappements
de chaque coté de la tuyère. La tuyère aussi est refroidit par
circulation dans ses parois de l'hydrogène liquide à -250°C, procédé
"dump cooling". La version Vulcain 2 est plus puissante, 20% de plus de
CU avec une tuyère nouvelle dont le refroidissement est assuré par la
circulation de l'hydrogène dans 300 petites canalisations, soit moitié
moins que la version 1. Les gaz chauds de la turbine sont réinjectés dans
la tuyère.
Le Vulcain 2 d'Ariane 5
Vulcain 1 vs Vulcain 2
La version Vulcain 2.1 utilise le même
principe de fonctionnement avec un rapport de mélange LOX-LH2 de 6,03,
un débit de 326 kg/s d'ergols dans la chambre (sous118,5 bars), une
poussée de 137 tonnes dans le vide pour une masse de 2150 kg. Il brule
154 tonnes d'ergols en 500 secondes de vol.
Le moteur utilise, par exemple une nouvelle tuyère réalisée en matériaux
sandwichs (SWAN), à la place de la technologie en tubes, un générateur
de gaz réalisé par
impression 3D,
une nouvelle vanne gaz chauds électrique, ou encore un réchauffeur
oxygène dans les conduites
d'échappements pour la pressurisation du
réservoir oxygène de l'étage principal du
lanceur Ariane 6, à la place de l'hélium liquide très couteux. Le tore de ré-injection
des gaz chauds situé à mi hauteur sur
la tuyère est supprimé et 2 lignes d'éjection similaire à la version
Vulcain 1 sont rajoutées. Une protection thermique a été rajoutée sur la
tuyère (tuiles d'iconel renforcées) et les lignes d'éjection (couches de
Nextel, Fibermax et Nextel) protégeant de l'environnement des boosters
ESR. Le moteur pèse près de 2000 kg pour 3,6 m de hauteur et 2,1 m de
diamètre en sortie de tuyère. Les modifications adoptées sont destinées à la
réduction du coût de production et n'ont pas vocation à accroître les
performances du moteur. Vulcain 2.1 contribue ainsi à l'atteinte des
objectifs de coûts du lanceur Ariane 6, tout en conservant l'efficacité
et la fiabilité démontrées sur Ariane 5.
Le Vulcain 2.1 avec ses protections thermiques sur la
tuyère et les échappements. Des tuiles Iconel renforcé recouverte de
mousse Prosial ont été choisis pour la tuyère et une protection
thermique "soft" pour les échappements fait de multi-couche de Nextel,
Fibermax et Nextel.
La tuyère du Vulcain 2.1. Fabriqué par
GKN Aerospace.
Elle mesure 2,5 m de diamètre, intègre des technologies innovantes avec
des performances plus élevées, des délais d'exécution plus courts et une
réduction substantielle des coûts. L'utilisation à grande échelle du
soudage au laser et du dépôt de métal au laser (fabrication additive)
pour les principales caractéristiques structurelles a entraîné une
réduction de 90 % des composants, passant d'environ 1000 pièces à 100
pièces.
La circulation de l'hydrogène liquide extrêmement froid à -253°C à
travers de minces tubes autour du moteur et de la tuyère permet d'une
part d'absorber une partie de la chaleur et de l'évacue du moteur,
améliorant ainsi son intégrité structurelle et
garantissant des performances optimales tout au long du vol. Ce système
évite d'autre part la surchauffe du moteur et des composants internes du
lanceur. Il réchauffe l'hydrogène qui est trop froid pour être utilisé
sous forme liquide et doit se transformer en gaz avant de pouvoir être
utilisé comme propulseur combustible.
La chambre de combustion du vulcain 2.1. Sur
la partie haute viendra de fixer le dôme avec les injecteurs LOX et LH2.
C'est aussi par ce dôme qu'arrive l'oxygène liquide. En bas, le tore par
lequel arrive le LH2. Il circule dans les parois de la tuyère pour la
refroidir ainsi que dans les parois de la chambre avant de remonter vers
le dôme ou il sera injecté à l'oxygène.
Les différentes modifications apportées au
moteur ont été qualifié au travers de 3 campagnes de tests avec les
moteurs M1 (développement), M2 (qualification) et M1R (tests d'acceptance
et sur l'ELA4), réalisées entre début 2017 et mi 2019. Parallèlement,
les bancs P5 en Allemagne et PF50 en France sont aussi modifiés pour les
tests de mises à feu. Les tests du moteurs débutent en 2018 et
poursuivent les essais du Vulcain 2 réalisés au cours des campagnes M201
à 209 et ARTA, la consolidation pour les programmes Galiléo ATV et ECA
et de quelques 80 vols Ariane 5 ECA.
Premier moteur Vulcain 2.1 début 2016
Modèle M1 du Vulcain 2.1 en octobre 2017 a
son arrivée au DLR à Lampoldshausen, Allemagne: hauteur 3.6 m pour 2.1 m
de diamètre ne sortie de tuyère
Ce moteur Vulcain 2, la "tête à l'envers" a
servit pour qualifier les nouveaux moyens de montage du Vulcain 2.1 à
Vernon. il a été baptisé "le mulet".
Le Vulcain 2.1 ressemble au Vulcain 1 dans son aspect externe avec ses 2
échappements du générateur de gaz qui contrairement au Vulcain 2 ne sont
plus réinjecté dans la tuyère, le gain en performance n'étant pas
compensé par le cout de fabrication. pour une poussée similaire, il est
plus gros, plus haut et plus large que le Vulcain 1.
Le premier moteur Vulcain 2.1 M1 est testé
pour la première fois le 23 janvier 2018 sur le site de Lampoldshausen en Allemagne durant 630
secondes. Suivent 12 autres mises à feu jusqu'à la mi 2018 totalisant
6315 secondes de fonctionnement. Il a constitué la première étape
de validation technique du bon fonctionnement du moteur et de ses
nouveaux composants ainsi que les adaptations du banc d'essai. Le second
moteur M2 est mis à feu pour la première fois en novembre 2018 et cumule
5610 secondes de fonctionnement en 9 tests jusqu'en juillet 2019. Le moteur
a permit de le tester tous son domaine
de fonctionnement vol (poussée, rapport de mélange, conditions
d'alimentation en ergols). Tous les essais de réception des moteurs de
vol en phase de production, à partir de 2019, sont réalisés au banc PF50 du
site ArianeGroup de Vernon. Le moteur M1, remis en état devient le M1R.
Après ses essais d'acceptance, il est monté sur l'étage LLPM aux
Mureaux et sert pour les essais de qualification CTM-L au CSG sur l'ELA
4.
Vue des 4 bruleurs" sous la tuyère du
moteur Vulcain servant à bruler l'excédent d'hydrogène de la mise en
froid pendant l'allumage du moteur.
Traditionnellement l'allumeur est dans la chambre, un démarreur sert
pour lancer les turbopompes. Sur le Vulcain 2.1, il y a toujours le
démarreur mais plus d'allumeur Pyro ni d'Amf, remplacés par les brûleurs
à gaz.
Sur le banc d'essai de la DLR, le Vulcain 2.1 en cours de
test. Le tore d'azote sert à canaliser vers le bas l'excédent
d'hydrogène gazeux sortant de la tuyère lors de la mise en froid avant
l'allumage. Juste en dessous l'eau pour le refroidissement du déflecteur
de jet. |
