Guide - Comment fonctionne un moteur de fusée à ergols liquides ?
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Guide - Comment fonctionne un moteur de fusée à ergols liquides ?

Damien "Von"
Damien "Von"

Table des matières

Les moteurs de fusées à ergols liquides ont été inventés dans les années 1900.

Le premier scientifique à faire fonctionner ce type de moteur serait Pedro Paulet, qui l’aurait fabriqué à Paris en 1897.

Ce premier moteur de fusée fonctionnait avec de l’essence comme carburant et de l’acide nitrique comme comburant. Les deux composants sont définis comme des « ergols liquides ».

C’est durant la Seconde Guerre mondiale que les moteurs à ergols liquides ont eu leurs premières applications opérationnelles, avec les redoutables fusées V2.

Un moteur à ergols liquides fonctionne de la manière suivante, vous injectez sous pression dans une chambre de combustion un comburant et un carburant.
L’allumage se crée soit, car les deux composants sont hypergoliques (ils s’enflamment spontanément lors du mélange sous pression), soit par un système d’inflammation (dit système d’allumage).

RD-180 Russe du fabricant - NPO Energomash - Moteur à combustion étagée

La combustion produit de grandes quantités de gaz à haute température et à haute pression. Les gaz chauds s’échappent par une tuyère qui en accélère le flux. La poussée produite répond à la troisième loi du mouvement de Newton.

Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n’agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d’état.

Dans un schéma classique de fonctionnement de moteur-fusée, les ergols liquides sont amenés dans la chambre de combustion par des turbopompes. Les turbopompes sont animées par une énergie mécanique produite soit par :

  • Des moteurs électriques + batterie.
  • Une turbine alimentée par la détente d'ergols.
  • Une turbine utilisant des gaz de combustion.

Au fur et à mesure des années et des fabricants, de très nombreuses spécificités de moteurs-fusées arrivent sur le marché.

Nous allons présenter quelques types de construction de moteur à ergol liquide dans l’objectif de mettre en avant les différences techniques.

Dans les explications qui vont suivre, nous partirons du principe que :

  • Les moteurs fonctionnent avec un carburant cryotechnique, soit de l’hydrogène liquide (H2) soit du méthane (CH4) combiné à de l’oxygène liquide (LOX) en comburant.
  • Le régime est établi, c’est-à-dire avec le moteur déjà allumé.
  • Chaque moteur a des spécificités concernant l’allumage (nous ne traiterons pas de l’allumage ici).
  • Les systèmes liés au carburant (Méthane ou Hydrogène) sont notés M.
  • Les systèmes liés au comburant LOX Oxygène liquide sont notés L.

Cycle à expandeur

Dans le cycle à expandeur, l’entraînement mécanique des turbopompes est fait par une turbine (M4) qui s’actionne avec la circulation de l’ergol liquide qui se détend dans les parois de la tuyère et passe à l’état gazeux (M3).

L’ergol contenu dans les réservoirs sous forme liquide arrive par la conduite (M0), l’ergol passe dans les parois de la tuyère (M3), se réchauffe et par conséquent refroidit la tuyère.
L’ergol monte en température, se dilate et monte en pression, il circule jusqu’à arriver dans la turbine (M4) avant d’être réinjecté dans la chambre à combustion.

La force mécanique produite par la turbine (M4) permet donc d’entraîner la turbopompe (M1 & L1) et de faire circuler plus rapidement et avec une plus forte pression le carburant.

L’ergol comburant, aussi appelé oxydant, est quant à lui comprimé par la force mécanique produite par la détente du carburant (M4).

Les pressions dans la chambre de combustion peuvent atteindre régulièrement plus de 60 bars comme sur le moteur Vinci de la future Ariane 6.
Certaines fusées utilisent ce type de cycle comme la H3 japonaise et leur pression d’admission dépassant les 100 bars, mais cela reste rare comme conception de moteur.

Le contrôle des flux et donc de la poussée du moteur se fait grâce aux vannes de contrôle.

Schéma de principe d'un cycle à expandeur

Ce cycle de fonctionnement permet d’obtenir des moteurs performants, mais pas aussi puissants que les moteurs étagés (voir plus bas). Son utilisation reste limitée à des ergols cryotechniques comme l’hydrogène ou le méthane.


Cycle Tape Off

Le cycle de fonctionnement Tape Off consiste à récupérer une partie de la pression des gaz de la chambre de combustion principale pour faire fonctionner une turbine à gaz qui met en pression les ergols par le bief des turbopompes.

Il s’agit d’un type de montage peu commun jusqu’ici, qui réalise un cycle ouvert, car une partie des gaz de combustion n’est pas rejetée par la tuyère principale.

Schéma de principe d'un cycle Tape Off

Ce montage peu courant doit être évoqué, car il est utilisé sur le moteur BE-3 de Blue Origin sur la fusée New Shepard.


Cycle à générateur de gaz

Dans ce système, les turbopompes (M1 & L1) ne sont pas mises en action par la détente du carburant, mais par une petite chambre de précombustion (M6) fonctionnant avec de petits flux d’ergol, qui crée donc une combustion en dehors de la chambre de combustion principale (M3) dans l’objectif d’animer uniquement les turbopompes.

Les gaz créés dans la chambre de précombustion sont ensuite utilisés dans la turbine à gaz (G1) et évacués de manière séparée de la tuyère principale, il s’agit donc, là aussi, d’un cycle ouvert.

L’intérêt réside dans la simplicité de rallumage des moteurs, car les turbopompes sont alimentées séparément et peuvent fournir leur puissance de manière quasi immédiate. Légèrement moins performante que la combustion étagée, elle reste très prisée, car elle permet la fabrication de moteurs plus simples en ayant des poussées élevées.

Schéma de principe d'un cycle à générateur de gaz

Les pressions atteintes dans la chambre de combustion peuvent atteindre 110~140 bars sur les dernières générations de ce type de moteurs.

Ce type de construction est notamment utilisé par les moteurs Merlin de la Falcon 9 de SpaceX, ou le moteur Vulcain de la fusée Ariane 5.


Cycle à combustion étagée

Ce type de cycle de combustion de moteur-fusée est le plus technique et permet d’avoir des moteurs très performants avec des pressions très importantes dans la chambre de combustion qui peuvent atteindre plus de 300 bars.

Cependant, plusieurs versions existent et nous allons présenter deux typologies, vous laissant imaginer les autres variantes.

Dans ce cycle, un des ergols ou les deux, passent dans une chambre de précombustion (M6), où une combustion incomplète a lieu permettant de faire un volume de gaz enrichi rejoignant ensuite la tuyère principale.

Version étagée en carburant enrichi

Dans notre schéma, nous allons partir sur un fonctionnement en carburant enrichi en comburant.

Même principe de base, le carburant passe par la tuyère pour se détendre (M3), se réchauffer et faire baisser la température de cette dernière. Il rejoint ensuite une chambre de précombustion (M6) où il va y avoir une grande quantité de carburant et une toute petite quantité de comburant. Il se crée donc une combustion incomplète qui évacue des gaz avec des imbrûlés riches en carburant qui fait tourner une turbine (M7) qui actionne les turbopompes (M1 & L1) et augmente la pression dans le système.

Le carburant enrichi en comburant est nommé par nos amis américains « fuel rich ».

Une fois sortis de cette préchambre de combustion (M6), les gaz enrichis sont repris dans une turbopompe (compresseur à chaud) et sont ensuite injectés avec une compression complémentaire (M8) à chaud dans la chambre de combustion, ce qui lui permet d’atteindre une pression supérieure à 250 bars.

Schéma de principe d'un cycle à combustion étagée

Cycle à combustion étagée full flow

La deuxième variante présentée ici est un peu plus complexe encore, mais mérite une présentation, car elle est l’objet de toutes les attentions depuis maintenant plusieurs années avec la mise en avant par SpaceX et son Starship équipé de moteurs Raptor en combustion full stage au méthane.

Le principe est proche du moteur précédent, mais celui-ci va encore plus loin avec un fonctionnement symétrique pour les deux ergols. Il permet un réglage très précis du régime de fonctionnement ainsi qu’une performance accrue et génère plus de poussée avec une masse de réacteurs plus faible.

Même fonctionnement pour la partie carburant, une précombustion incomplète s’opère dans la chambre M6, ce qui entraîne les turbines M1 et M7 augmentant la pression dans le système.

Imaginez donc que nous fassions la même chose pour l’oxygène liquide, une précombustion extrêmement riche en oxygène se fait et libère une masse de gaz imbrûlés riche en oxydant (oxidizer rich) qui est recomprimé par l’action mécanique de la turbine des gaz sur la turbopompe présente en (L4).

Schéma de principe d'un cycle à combustion étagée Full Flow

La combustion Full Flow permet à tous les ergols de produire une force mécanique, mais aussi d’être montés en température, leur donnant une pression beaucoup plus importante avant d’être injectés dans la chambre de combustion principale pour produire la poussée.

Étant donné l’utilisation d’une chambre de précombustion pour le carburant et l’oxydant, nous avons aussi l’assurance d’avoir une gazéification complète de chaque ergol avant son entrée dans la chambre de combustion, ce qui permet d’avoir une chambre de combustion plus petite.

Mais les moteurs utilisant cette combustion sont aussi beaucoup plus complexes en ingénierie, plus longs à fabriquer et plus coûteux, ce qui les inscrit forcément dans une politique de réutilisation des moteurs et donc de récupération des étages.

En 2019, seuls trois moteurs à combustion étagés à flux intégral étaient suffisamment fonctionnels pour être testés : le premier est celui du projet soviétique Energomash RD-270 dans les années 1960, qui a été annulé pour manque d’application. Le deuxième est celui du projet « Integrated Powerhead Demonstration » d’Aerojet Rocketdyne au milieu des années 2000, annulé pour manque de budget et le troisième est le moteur Raptor de SpaceX qui a pris son envol en 2019.

Il y a quelques semaines, j’ai tenté d’expliquer le fonctionnement du Raptor de SpaceX à un ami. Forcé de constater qu’il n’y avait aucun support pour expliquer les fonctionnements de moteur de fusée avec des visuels clairs, j’ai tenté ici de rattraper ce manque. J’espère que cela vous aura plu et je suis à l’affût de toute remarque concernant l’amélioration de cette page.

Relu et corrigé par : Optimus13



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