Moteur-fusée cryogénique

Pour un article plus général, voir moteur-fusée à ergols liquides.

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YF-77_at_CSTM
YF-77 exposé au China Science and Technology Museum (en).

Un moteur-fusée cryogénique est un type de moteur-fusée à ergols liquides qui fonctionne en utilisant des propergols liquides cryogéniques, c'est-à-dire des carburants et des oxydants qui sont maintenus à des températures extrêmement basses pour être stockés sous forme liquide[1].

Les moteurs-fusées cryogéniques sont particulièrement efficaces en raison de la densité énergétique élevée des ergols cryogéniques et de la réaction chimique intense qui se produit lors de leur combustion.

Ils sont souvent utilisés dans les véhicules spatiaux, notamment dans les étages supérieurs des lanceurs spatiaux pour fournir une poussée supplémentaire nécessaire pour atteindre des orbites spécifiques ou pour effectuer des manœuvres précises une fois dans l'espace.

Historique

Centaur est un étage supérieur de fusée, développé à la fin des années 1950 pour les besoins de l'agence spatiale américaine (NASA), et utilisé jusqu'à aujourd'hui sur plusieurs types de lanceurs. Ce fut le premier étage de fusée à mettre en œuvre le couple d'ergols hydrogène liquide (LH2) / oxygène liquide (LOX), très performant mais également très difficile à maîtriser.

Principe

Schéma d'un moteur à flux dérivé avec générateur de gaz : 1 Pompe carburant, 2 Turbine, 3 Pompe comburant, 4 Générateur de gaz, 5 Vannes, 6 Chambre de combustion, 7 Échangeur thermique, 8 Tuyère.

Propergol liquide cryogénique

Article connexe : Propergol liquide.

On qualifie de cryogénique un propergol dont l'un au moins des ergols doit être maintenu à une température inférieure à −150 °C, température à partir de laquelle certains gaz de l'air se condensent à pression ambiante. De tels propergols sont généralement très performants mais ne peuvent être utilisés qu'au décollage depuis la Terre, car ils ne peuvent être maintenus longtemps à la température requise une fois chargés dans le lanceur. C'est tout particulièrement le cas de l'hydrogène liquide, qui commence à s'évaporer dès qu'il est en réservoir.

Deux types d'ergols cryogéniques couramment utilisés sont l'hydrogène liquide (LH2) et l'oxygène liquide (LOX). Ces ergols sont stockés à des températures extrêmement basses (proches du zéro absolu) pour les maintenir sous forme liquide ce qui maximise ainsi leur densité énergétique et leur potentiel de poussée[2].

Moteur-fusée

Lorsqu'ils sont injectés dans la chambre de combustion du moteur-fusée et combinés, une réaction chimique intense se produit. La combinaison de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide génère une combustion extrêmement réactive et énergétique[1].

L'éjection des gaz dans la tuyère génère alors une poussée puissante qui propulse le véhicule spatial à des vitesses vertigineuses[1].

Le refroidissement de la tuyère est effectué grâce au passage d'un ergol cryogénique dans un échangeur thermique. L'ergol est alors pré chauffé puis injecté dans la chambre de combustion.

Application

L'exploration spatiale moderne repose sur la puissance et l'efficacité des moteurs-fusées cryogéniques, une avancée technologique majeure qui a ouvert les portes des étoiles. En combinant des carburants et des oxydants stockés à des températures extrêmement basses, ces moteurs offrent une poussée puissante et une efficacité énergétique supérieure[À quoi ?], propulsant les véhicules spatiaux au-delà des limites terrestres[2].

Les moteurs-fusées cryogéniques sont essentiels pour propulser les lanceurs spatiaux dans l'orbite terrestre et au-delà, pour placer des satellites en orbite, pour ravitailler les stations spatiales et pour lancer des missions d'exploration planétaire[3]. Ces moteurs jouent un rôle clé dans la poursuite de l'exploration spatiale et de la recherche scientifique[3].

Défis technologiques

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Bien que les moteurs-fusées cryogéniques soient puissants, ils présentent également des défis technologiques. Le stockage et la manipulation d'ergols à des températures cryogéniques nécessitent des systèmes complexes de refroidissement et d'isolation thermique[4]. Les ingénieurs doivent relever ces défis pour garantir le bon fonctionnement des moteurs dans l'espace hostile[4].

Notes et références

  1. ↑ a b et c (en) George P. Sutton et Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements, Wiley, (ISBN 978-1118753651)
  2. ↑ a et b (en) Ronald Humble, Wiley Larson et John R. Wertz, Space Propulsion Analysis and Design, Microcosm Press, 1995 (5e édition) (ISBN 9780070313293)
  3. ↑ a et b (en) Paul A. Czysz et Claudio Bruno, Spacecraft Propulsion, Butterworth-Heinemann,
  4. ↑ a et b (en) Dan M. Goebel et Ira Katz, Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters, Wiley, (ISBN 978-0471709084)

Voir aussi

Articles détaillés