CHRONOLOGIE ARIANE

Mis en service avec Ariane 5, le moteur Vulcain a �t� d�velopp� par Snecma Moteurs. La ma�trise d'�uvre du programme Vulcain lui a �t� confi�e par le CNES, qui assure pour le compte de l'Agence Spatiale Europ�enne la direction technique et financi�re du programme Ariane 5. Dans ce cadre, Snecma Moteurs pilote une vaste coop�ration europ�enne rassemblant une quarantaine d'entreprises, parmi lesquelles EADS Astrium (chambre de combustion), FiatAvio (turbopompe oxyg�ne liquide) et Volvo Aero (divergent de tuy�re), mais aussi Techspace Aero, en charge des vannes cryog�niques. Le moteur Vulcain d�livre 1 145 kN (115 tonnes) de pouss�e � l'�tage principal du lanceur pendant pr�s de 10 minutes de vol.

Apr�s une phase d'�tudes pr�liminaire � partir de 1984, le d�veloppement a r�ellement d�but� en 1988 suite � la d�cision de lancement du programme Ariane 5 par les ministres europ�ens lors de la conf�rence de La Haye. 

R�partition g�ographique des contractants du Vulcain

Apr�s des essais au niveau des composants, les essais moteurs ont d�but� en avril 1990. Le fonctionnement du moteur Vulcain sur �tage a en outre �t� �tudi� en Guyane sur le pas de tir, � partir de fin 1994.
FiatAvio a contract� Volvo Aerro (Su�de) pour la fourniture de 57 tuy�res et turbines pour Ariane 5. Le contrat est de 4 turbines LOX utilis� dans le moteur Vulcain 1 et 19 autres pour le Vulcain 2. Volvo d�veloppe aussi 17 turbines LH2 et 17 tuy�res pour le Vulcain 2. la firme qui produira aussi les tuy�res pour le moteur US RL60 a 25 ans d'exp�rience derri�re elle puisqu'elle a r�alis� les tuy�res des moteurs Viking d'Ariane depuis 1978. 

Le moteur de l' EPC, est le Vulcain. Con�u par la Snecma, ce moteur a une pouss�e moyenne de 1125 kN soit au niveau du sol (115 tonnes). Le Vulcain engloutit 1250 kg/s de gaz chaud � 3300�C et sous une pression de 110 bars. 516 injecteurs pulv�risent sous haute pression, l'hydrog�ne et l'oxyg�ne. La chambre de combustion est elle-m�me refroidie par de l'hydrog�ne liquide pr�lev� dans le circuit. La tuy�re du moteur permet d'orienter les gaz qui sortent � quelques 4 km/s (14400 km/h). Il s'agit en fait d'un enroulement en h�lice de 456 tubes dans lequel circule de l'hydrog�ne liquide afin de la refroidir et �viter qu'elle fonde.

L'alimentation du moteur se fait gr�ce � deux turbopompes (pompes � haute vitesse) :
_ la pompe � hydrog�ne, qui tourne � 33000 tr/min. Elle d�veloppe une puissance de 15 MW soit 21000 chevaux. C'est l'�quivalent de la puissance de deux rames de TGV ! Cette turbopompe est le fruit de longues �tudes men�es sur les roulements et les mat�riaux car la pompe atteint, par paliers, des vitesses critiques o� le rotor de la pompe (partie mobile) doit �tre parfaitement �quilibr�.
_ la pompe � oxyg�ne tourne � 13000 tr/min. Elle d�veloppe une puissance de 3,7 MW. Toutefois, elle n'atteint pas de vitesse critique. Il s'agit surtout d'�tudier des mat�riaux qui n'entrent pas en combustion avec l'oxyg�ne v�hicul�.
Ces deux pompes sont aliment�es par une turbine dite g�n�rateur de gaz chauds. Cette turbine est comme une seconde chambre de combustion qui pr�l�ve environ 3% du combustible. Cette pompe permet de fournir l'�nergie � la propulsion des deux pompes. Les gaz produits entra�nent les pompes et sont ensuite rejet�s par deux petits tubes situ�s de par et d'autre de la tuy�re principale du moteur.
Le moteur est d�marr� au sol afin que l'on puisse contr�l� son fonctionnement avant l'allumage irr�versible des deux boosters EAP. Le moteur est allum� par un d�marreur � poudre qui lance les turbopompes et de petits explosifs qui allument la combustion dans les chambres de combustion.
Le moteur et sa tuy�re mesure 3 m de haut et 1,76 m de diam�tre pour 1685 kg. Il va fonctionner durant un vol normal, a peu pr�s 10 minutes. Le moteur est test� pendant environ 7 secondes. En cas d'anomalie, on le coupe et le lancement est report�. Mais, si tous les syst�mes r�pondent, on allume les EAP et Ariane 5 d�colle instantan�ment.

Un autre syst�me d'h�lium permet de pressuriser des canalisations servant � l'alimentation des pistons pneumatiques pour contr�ler l'inclinaison le moteur. Les deux r�servoirs de 300 litres sont mis sous la pression de 390 bars. Ils sont construits en un composite carbon� et en titane.

La pouss�e fournit par le moteur est transmis � l'�tage via le b�ti-moteur, une structure triangulaire m�tallique portant le moteur. Ensuite, la force est transmise via la structure ext�rieure du r�servoir. Au sommet en forme de d�me de l'EPC, on place la jupe avant qui transmet la force au reste du lanceur.

Au moment du premier vol, le 4 juin 1996, le moteur Vulcain cumulait une exp�rience de 285 essais, totalisant 85000 secondes de fonctionnement. Les essais sont con�us pour d�montrer que le moteur satisfait les sp�cifications, mais aussi pour rechercher les limites du mat�riel (endurance, tol�rances aux pannes) afin d'asseoir la fiabilit� sur des bases �prouv�es. Le d�veloppement du moteur Vulcain a �t� assur� par une coop�ration europ�enne sur financement de l'ESA (Agence Spatiale Europ�enne). Le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) a assur� la direction technique et financi�re du programme et a confi� la ma�trise d'oeuvre � Snecma Moteurs.

Outre le d�veloppement complet du moteur et les essais r�alis�s sur deux installations redondantes � Vernon (France) et � Lampoldshausen (Allemagne), Snecma Moteurs a d�velopp� elle-m�me la turbopompe hydrog�ne, le g�n�rateur de gaz et ses vannes d'alimentation. Astrium (Allemagne) a d�velopp� la chambre de combustion avec sous-contrat � Volvo Aero Corp. (Su�de) pour le divergent et � MAN Technologie (Allemagne) pour le cardan et la protection thermique. Fiat Avio (Italie) a d�velopp� la turbopompe oxyg�ne, Volvo Aero Corp. (Su�de) les turbines hydrog�ne et oxyg�ne, Techspace Aero (Belgique) les vannes d'injection chambre, les vannes de purge et la vanne gaz chauds, Microtechnica (Italie) les �lectrovannes et clapets anti-retour, SPE (Pays-Bas) les �quipements d'allumage et d�marrage, AVICA (Grande Bretagne) les lignes d'alimentation et DEVTEC (Irlande) les supports.
Ainsi Vulcain n'a pas �t� qu'une gageure technique, ce fut �galement un d�fi en termes de gestion de projet, men� � bien par Snecma Moteurs.
Fin 2000, le moteur Vulcain cumule plus de 132 700 secondes en 392 cycles de fonctionnement: essais au sol et les neuf premiers vols d'Ariane 5.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

La conception du moteur cryog�nique Vulcain est bas�e sur le cycle � flux d�riv�, o� les turbopompes qui alimentent la chambre sont entra�n�es par la combustion, dans un g�n�rateur de gaz, des ergols pr�lev�s (3%) sur le circuit principal. Ce cycle offre une performance raisonnable tout en permettant d'accro�tre la fiabilit� et de diminuer le co�t. 

Il est aliment� par deux r�servoirs superpos�s � fond commun contenant 132 tonnes d'hydrog�ne et 26 tonnes d'oxyg�ne � tr�s basse temp�rature. Deux lignes de 185 mm de diam�tre alimentent le moteur. Elles poss�dent une certaines souplesse afin de faciliter les d�placements pendant la mise en froid et le pilotage en vol du moteur.
Sur ces lignes on trouve les vannes d'alimentation, le syst�me correcteur pogo SCP implant� sur la ligne LOX (une cavit� cylindrique remplit d'h�lium) agissant comme amortisseur r�duisant le couplage entre les vibrations de structures des lignes, les fluctuations de d�bits et les modulations de pouss�e induites cr�ateur de vibrations capable de d�truire le lanceur ou endommager les satellites.
Le syst�me de pressurisation des r�servoirs permet la tenue structurelle des r�servoirs et assurent une alimentation r�guli�re du moteur en ergols. Le r�servoir LOX est pressuris� par 141 kg d'h�lium liquide (7�K et 19 bar) qui r�chauff� au contact de l'�chappement de la turbine remonte dans le r�servoir avec un d�bit de 0,2 kg-s. La r�gulation est faite par des vannes mont�es sur "une platine". La pressurisation du r�servoir LH2 est directement assur� par de l'hydrog�ne gazeux pr�lev� en amont des injecteurs du moteur, � 120 bar et 100�K, puis introduit � raison de 0,4 kg-s dans le r�servoir.
Le syst�me de commande fournit l'�nergie pneumatique de servitude de l'�tage et active sur ordre �lectrique, les vannes de mises en oeuvre pour le vol. Il utilise de l'h�lium stock� sous 350 bar dans deux sph�res de 300 l. Une "platine gonflage d�tente" regroupe la vanne n�cessaire � leur remplissage et une vanne suivie d'un d�tendeur pour alimenter les bo�tiers d'�lectrovannes LOX et pressurisation, LH2 et pressurisation et alimentation moteur, g�n�rateur de gaz et mise en froid des roulements de turbopompes.

L' �tage EPC est pos� sur la table de lancement  et raccord� au sol par les Liaisons Bord-Sol qui permettent le remplissage sur le pad en ergols, la mise en froid des circuits d'alimentation, l'assainissement des tuyauterie et le balayage de la baie de propulsion avec de l'azote gazeux afin d'�viter l'accumulation d'hydrog�ne gazeux.    

Les liaisons bord-sol LBS de l' �tage EPC avec en:  1/ Ligne de pressurisation LH2 et remplissage r�servoir LH2 2/ R�glette de destruction 3/ Ligne d' alimentation LOX 4/ R�glette de destruction 5/ Ligne de pressurisation LOX et remplissage LOX 6/ Sph�re de pressurisation r�servoir LOX (145 kg d' h�lium) 7/ Sph�re de pressurisation du syst�me GAM (h�lium)

La pouss�e (1 140 kN) est obtenue par �jection � grande vitesse (4000 m-s) du d�bit de gaz (250 kg/s) produit par la combustion � haute pression (110 bar) et haute temp�rature (3 500 K) des ergols dans la chambre de combustion. L'oxyg�ne liquide (comburant) et l'hydrog�ne liquide (carburant) sont introduits dans la chambre � raison de 200 et 600 litres par seconde � travers un injecteur frontal consistant en 516 �l�ments coaxiaux qui assurent la pulv�risation et le m�lange. Du fait de la temp�rature �lev�e de combustion, la chambre est refroidie par circulation de l'hydrog�ne dans 360 canaux longitudinaux usin�s dans la paroi.

		NOMENCLATURE DES SIGLES

Le divergent assure l'acc�l�ration des gaz en r�gime supersonique jusqu'au maximum permis par la pression ambiante soit 4 000 m/s. Il est constitu� de 456 tubes enroul�s en h�lice et refroidis par circulation d'hydrog�ne, selon le proc�d� de "dump cooling". Deux tuy�res auxiliaires de chaque cot� assurent l'�chappement des gaz du g�n�rateur et participent �galement � un compl�ment de pouss�e.

L'alimentation du moteur en ergols � haute pression se fait par deux turbopompes ind�pendantes :
_ la turbopompe hydrog�ne tourne � 33 000 tr/min et d�veloppe une puissance de 12 MW. Elle est constitu�e d'une pompe � deux �tages centrifuges associ�s � un inducteur axial et d'une turbine supersonique � deux �tages. Elle est pourvue d'un dispositif d'�quilibrage permettant de diminuer les charges axiales sur les roulements. Elle fait l'objet d'�tudes et d'essais sur la dynamique du rotor particuli�rement pouss�s, car pour atteindre sa vitesse en palier elle doit franchir des vitesses critiques pour la stabilit� du rotor.
_ la turbopompe oxyg�ne tourne � 13 000 tr/min, d�veloppe une puissance de 3,7 MW et fonctionne en dessous de sa premi�re vitesse critique. La composition de ses mat�riaux est �tudi�e pour minimiser les risques de combustion des m�taux dans l'oxyg�ne, en cas de frottements excessifs.

L'�nergie n�cessaire au fonctionnement des deux turbines est fournie par des gaz de combustion produits dans un g�n�rateur de gaz unique. Un fort exc�s d'hydrog�ne a pour effet de limiter la temp�rature des gaz, tout en les rendant r�ducteurs, de fa�on � prot�ger les aubes de turbine.

Le d�marrage du moteur se fait au sol afin que son fonctionnement puisse �tre contr�l� avant l'allumage des �tages � poudre du lanceur et son d�collage. Il est assur� par un d�marreur � poudre qui met en vitesse les turbopompes et ce sont des allumeurs pyrotechniques qui initient la combustion dans la chambre et le g�n�rateur.

Les vannes sont actionn�es par des v�rins pneumatiques aliment�s en h�lium gazeux au moyen d'�lectrovannes. Le moteur est orientable pour assurer le pilotage du lanceur. Le rapport de m�lange peut �tre modifi� en commutant la vanne d'alimentation de la turbine oxyg�ne, ce qui r�serve la possibilit� d'aboutir � un �puisement quasi simultan� des deux r�servoirs.

Enfin la partie haute du moteur est enferm�e dans une protection thermique destin�e � l'isoler du rayonnement des jets des Moteurs � Propergol Solide.

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES

Photos et infos SNECMA et Volvo