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Le moteur Vulcain


Le moteur Vulcain est un des piliers du programme Ariane 5. C'est lui qui propulse le lanceur en même temps que les EAP, puis, seul, lorsque les EAP sont largués. Son développement à commencé en 1988. Il fonctionne déjà sur les Ariane 5, mais fait l'objet de modifications pour améliorer sa puissance: c'est le programme Vulcain 2, qui entrera en service en 2002.




Le Vulcain est un moteur cryogénique, c'est-à-dire qu'il fonctionne avec de l'oxygène liquide et de l'hydrogène liquide, tous les deux à très basse température. Ces propergols sont contenus dans les réservoirs de l'EPC. Ce moteur utilise le cycle à flux dérivé. Késako? Une partie des propergols (environ 3%) est destiné à alimenter une chambre de combustion secondaire. Cette chambre de combustion produit des gaz, dont la température est limitée par un fort excès d'hydrogène pour ne pas endommager les aubes des turbines des turbopompes. Ces gaz alimentent donc les turbines des turbopompes, qui fournissent à leur tour l'hydrogène et l'oxygène à la chambre de combustion principale. Les gaz produits dans cette chambre de combustion (de la vapeur d'eau en fait) sont à près de 3500K (3773°C) et à 110 bar. Ils sortent du moteur par la tuyère, constitué d'un divergent qui accélère les gaz jusqu'à 4000m/s (14400 km/h), ce qui fourni la poussée, de 1140 kN.

L'ensemble libère une puissance phénoménale: la turbopompe à hydrogène tourne à 33 000 tours/min, deux fois plus vite qu'un moteur de Formule 1. Elle développe une puissance de 12MW, soit l'équivalent de 21000 ch, deux rames de TGV. En fonctionnement, la puissance totale dégagée est comparable à celle d'une centrale nucléaire.





Lors du lancement, le moteur est allumé au sol quelques secondes avant H0, pour lui permettre d'atteindre son régime de fonctionnement nominal. En effet, après le lancement des turbopompes et l'initialisation de la combustion dans le générateur de gaz et la chambre de combustion, la pompe à hydrogène accélère et doit passer par des vitesses critiques pour les rotors. Si les rotors sont mal équilibrés, le fait d'atteindre ces vitesses de rotation peut être catastrophique. Dans ce cas, on peut encore tout arrêter Si tout ce passe bien, le régime est stabilisé, le décollage peut avoir lieu, et les EAP sont allumés à leur tour.

Le moteur fonctionne pendant 575 secondes.



L'EPC


L'EPC, l'Etage Principal Cryotechnique, c'est le corps principal d'Ariane 5. C'est lui qui contient les réservoirs de LOx et LH2 pour le moteur Vulcain, situé à sa base. Sur lui viennent s'accrocher les EAP sur les cotés, et la case à équipement avec la coiffe au sommet. Il fait 30,7 m de haut pour 5,4 m de diamètre. Sa masse à vide est de 12,3 tonnes, et au décollage de 170 tonnes.

Le corps de cet étage est constitué essentiellement des réservoirs de propergols liquides. Au sommet on trouve le réservoir d'oxygène liquide, qui en contient 132,27 tonnes à -183°C. Juste au-dessous se trouve le réservoir d'hydrogène liquide de 25,84 tonnes de capacité. Ce réservoir de LH2 est plus de trois fois plus grand que celui de LOx (oui, oui, même s'il contient moins en masse, à cause de la différence de masse volumique entre l'oxygène et l'hydrogène).

Les réservoirs sont en aluminium, avec des parois de 4 mm d'épaisseur, plus une protection thermique, et des fonds hémisphériques. Ils sont tous deux pressurisés, au sol comme en vol. Pour l'oxygène, on fait appel à de l'hélium (145 kg à -266°C) contenu dans un petit réservoir sphérique à la base du lanceur. On aura une pression de 3,45 à 3,7 bars dans le réservoir. Pour le l'hydrogène, on prélève un peu d'hydrogène liquide qu'on réchauffe pour évaporation, puis on réinjecte le gaz à la pression de 2,15 à 2,35 bars. Cela assure un débit suffisant de comburant et de combustible pour le moteur Vulcain.

Le moteur Vulcain est fixé à la base de l'étage, sur le bâti-moteur, qui est chargé de transmettre la force propulsive à la structure, par le biais des parois des réservoirs. Sur ce bâti viennent s'accrocher les EAP par l'intermédiaire du Dispositif d'Accrochage ARrière (DAAR).

Ces EAP s'accroche également en haut par le Dispositif d'Accrochage AVant (DAAV) sur la jupe avant. Celle-ci contient une bonne partie des équipements, et est chargée de reprendre la force propulsive des EAP. Elle fait enfin le lien entre l'EPC et le deuxième étage.



Les EAP


Les EAP, ce sont les Etages d'Accélération à Poudre. Ce sont en fait d'énormes fusées de feux d'artifice de près de 30m de haut, contenant chacun plus de 237 tonnes de propergol solide. Ils produisent 90% de la poussée au décollage, et ne fonctionnent que pendant 130 secondes. A la fin de leur mission, ils se séparent du corps principal (EPC) et de "petites" fusées (18,6 kg de poudre par fusée, 4 fusées en haut et 4 en bas) situées sur le coté, les éloignent du lanceur. Ils retombent ensuite vers l'Océan Atlantique et sont freinés par des parachutes.

Le corps de chaque EAP est constitué de sept segment cylindriques et de deux fonds. Les segments font 3m de diamètre, et ont une épaisseur de 8mm, en acier. Nu, un EAP pèse 30 tonnes.

Le Moteur à Propergol Solide (MPS) contenu dans chaque EAP est constitué de trois segments de poudre, percés en leur centre. Le plus bas mesure 11,1m de long et pèsent 106,7 tonnes. Le deuxième mesure 10,2m de long pour 107 tonnes. Enfin, le segment du haut, le plus petit, mesure 3,5 m de long et contient 23,4 tonnes de poudre. Cette poudre est un mélange d'aluminium (14%), de perchlorate d'ammonium (68%) et de polybutadiène (18%). Tout cela est assez polluant, c'est pour cela qu'un périmètre de sécurité est instauré autour du site de lancement et au niveau de la zone de retombée des EAP.

Un dispositif d'allumage pyrotechnique est situé au sommet du MPS. Il est activé dès que le calculateur d'Ariane 5 détermine que le fonctionnement du moteur Vulcain de l'EPC est nominal. La poudre s'enflamment alors et brûle de manière radiale, de l'intérieur vers l'extérieur, à une vitesse de 7,4 mm/sec.

La poussée produite par cette combustion est due à l'éjection des gaz à haute vitesse. La tuyère d'éjection est orientable jusqu'à 6°, ce qui permet de contrôler la direction de poussée et ainsi diriger le lanceur. Le système de contrôle, le Groupe d'Activation Tuyère (GAT) est constitué de deux réservoirs d'huile, qui alimentent deux servo-vérins sous 380 bars.



L'EPS et la Case à Equipements


L'EPS, c'est l'Etage à Propergols Stockable, le deuxième étage. C'est le seul étage d'Ariane 5 à ne pas être allumé au décollage et à ne pas participer à la sortie de l'atmosphère du lanceur. Il est seulement là pour placer les charges utiles en orbite précise.

Il contient dans 4 réservoirs sphériques près de 9,7 tonnes de propergols. Du peroxyde d'azote (6,5 tonnes) et du monométhylhydrazine (MMH, 3,2 tonnes). Ces propergols sont en fait des hypergols, car ils s'enflamment spontanément au contact l'un de l'autre. Au décollage, tout cela pèse 11 tonnes.

Le moteur qui équipe l'EPS est l'Aestus. Il peut produire une poussée dans le vide de 29 kN pendant près de 1100 sec. Mais il n'est pas alimenté en ergols comme le moteur Vulcain, puisqu'il n'est pas équipé de turbopompes. Pour amener les ergols vers la chambre de combustion, ceux-ci sont sous pression. Les deux réservoirs d'hélium de 34 kg de contenance fournissent la pression nécessaire soit 21 bars.

L'EPS permet des mises en orbite de précision, avec une tuyère pouvant s'orienter à 9,5° suivant deux axes. Il peut également être éteint et rallumé sans problèmes.

Il vient se loger au milieu de la case à équipements, qui contient tous les systèmes de contrôles d'Ariane. Cet élément abrite en effet les calculateurs, les centrales inertielles, les batteries, les appareils de communication avec le sol, et les connexions électriques inter-étages. C'est le cerveau! En plus de cela, la case à équipement supporte le Système de Contrôle d'Attitude (SCA), qui est en fait constitué de petits propulseurs à hydrazine destinés à corriger les écarts en roulis (rotation sur lui-même du lanceur) et tangage après la séparation de EAP.



La coiffe


La coiffe est l'élément supérieur d'Ariane. Elle protège la charge utile lors des premières minutes du vol, contre la pression aérodynamique. Elle est larguée en vol dès que l'atmosphère est suffisamment raréfiée, soit à 106 km d'altitude, après environ 200 secondes.

Ariane 5 possède deux hauteurs de coiffe: une de 12,7 m, qui permet de loger des charges jusqu'à 5,3 m de haut. Et une de 17 m pouvant contenir des charges jusqu'à 9,6 m de haut. Toutes les deux ont un diamètre intérieur de 4,57 m ce qui est exceptionnel dans le monde des lanceurs.

Les satellites n'aiment pas trop les vibrations. Donc la coiffe intègre une protection acoustique qui ramène le bruit d'enfer produit au décollage par le moteur Vulcain et par les deux EAP à un niveau raisonnable, en tout cas conforme aux spécifications. Les vibrations dynamiques, transmises par le corps du lanceur, sont elles aussi filtrées et ramenées à des valeurs compatibles avec le lancement de satellites.

Avec ses deux hauteurs de coiffe possibles, et la possibilité d'utiliser des structures de lancement final telles que Sylda (Système de Lancement Double Ariane) ou Speltra (Structure Porteuse Externe pour Lancement Multiple Ariane), Ariane 5 est dès aujourd'hui capable de mettre sur orbite deux satellites en même temps, et même plusieurs micro-satellites.


La Structure Porteuse de Satellites(SPELTRA)


L'utilisation d'une SPELTRA (Struture Porteuse Externe de Lancement Ariane) permet le lancement simultané de plusieurs charges utiles.
Celles-ci sont alors positionnées au lancement soit au-dessus soit à l'intérieur de la SPELTRA, suivant leurs caractéristiques géométriques et les besoins de la mission. La SPELTRA est réalisée par Astrium.


Le Système de Lancement Double Ariane (SYLDA)


L'utilisation d'un SYLDA (système de Lancement Double Ariane) permet également le lancement simultané de 2 charge utiles. Le SYLDA est une structure interne positionnée à l'intérieur de la coiffe.
Selon les caractéristiques géométriques de charges utiles et les besoins de la mission, les satellites sont placés sur le SYLDA ou à l'intérieur.
Réalisé par Astrium, le SYLDA existe en différentes hauteurs, permettant d'optimiser la configuration partie hautes.

© Satmagmédias