Vulcan (rakétamotor)

A Vulcain egy kriogén rakétahajtómű vezeti a kriogén nagyszínpad (EPC) az európai hordozórakéta Ariane 5 . Bár üzembe a földre technikai okok miatt, ez biztosítja csak mintegy 10% -át a tolóerő termelt felszállás és főleg a második fázisban a repülés, megjelenése után a két oldalsó booster , vagy szakaszok a repülés. ” porgyorsulás (EAP vagy P230), amely a tolóerő 90% -át biztosítja felszálláskor. Ez fogja működtetni az Ariane 6 fő színpadát is .

Ennek a motornak több változata létezik:

• Vulcain, az Ariane 5 , Ariane 5G és 5G + általános változataihoz ;
• Vulcain 2, az Ariane 5, az Ariane 5 ECA ECA változatához, nagyobb tolóerővel;
• Vulcain 2.1, Ariane 6 esetén .

Kezdő "V" -je Vernon városából származik , ahol megtervezik és gyártják.

Fejlődés

A Vulcain kifejlesztése 1988-ban kezdődött , miután az európai miniszterek hágai konferencián elindították az Ariane 5 programot , és amelyet az európai együttműködés biztosított. A CNES biztosította a program technikai és pénzügyi irányítását, és a projektmenedzsmentet az Európai Hajtástársaságra bízta . A teljes programot az Európai Űrügynökség finanszírozta .

Az alkatrész tesztelése után a motor tesztelése 1990 áprilisában kezdődött . Az első repülés idején a 1996. június 4, a Vulcain motor 285 teszt tapasztalatait halmozta fel, összesen 85 000 másodperces működést.

Az ESA alapelveivel összhangban sok gyártó vesz részt a programban:

• a Société européenne de propulsion ( Franciaország ) kifejlesztette a hidrogén turbószivattyút, a gázgenerátort és annak ellátó szelepeit;
• Az EADS Astrium ( Németország ) a Volvo Aero Corp. alvállalkozásával fejlesztette ki az égéstéret. ( Svédország ) a divergensekért, a MAN Technologie (Németország) pedig a kardántengelyért és a hővédelemért;
• Az Avio ( Olaszország ) kifejlesztette az oxigénturbós szivattyút;
• Volvo Aero Corp. ( Svédország ) hidrogén- és oxigénturbinák;
• Techspace Aero ( Belgium ) a kamra befecskendező szelepei, az öblítő szelepek és a forró gáz szelep;
• Microtecnica ( Olaszország ) mágnesszelepek és visszacsapó szelepek  ;
• SPE ( Hollandia ) gyújtó és indító berendezés;
• Az AVICA ( Egyesült Királyság ) és az DEVTEC ( Írország ) tápvezetékei .

Technológia

Jellemzők

A teljes motor mérete 3  m , átmérője a fúvóka kimeneténél 1,76  m , tömege 1685  kg . Normál repülés közben körülbelül 10 percig fog működni. Az indítás során körülbelül 7 másodpercig tesztelik az indítópadon: rendellenesség esetén megszakad, és az indítást elhalasztják, de ha az összes rendszer megfelelően reagál, az EAP-kat bekapcsolják, és az Ariane 5 azonnal kikapcsol. Maximális élettartama 6000 másodperc és 20 indítás.

Az előállított tolóerő a motort tartó fém háromszög alakú szerkezeten keresztül kerül a színpadra . Felső része hővédelemmel van ellátva, hogy elkülönítse a két EAP kipufogógázai által termelt sugárzástól.

Művelet

A művelet a Vulcain alapul bypass ciklusban , amelyben a turbószivattyút amely táplálja a égéstér hajtja az égési, egyetlen gázgenerátor, a hajtóanyagok (3%) venni a főáramkör. Az erős hidrogénfelesleg korlátozza a gázok hőmérsékletét, miközben redukálja a turbina lapátjait.

A motort két független turbószivattyú szállítja magas nyomású hajtóanyagokkal:

• A hidrogén turbószivattyú  : 33 200 fordulat / perc sebességgel működik , 15  MW vagy 21 000  LE (két TGV szerelvény teljesítménye) teljesítményt fejlesztve. Nagyon részletes tanulmányok tárgya az anyagok ellenállásáról, és a csapágyak kialakításának és a mozgó tömegek központosításának a lehető legközelebb kell lennie a tökéletességhez,
• Az oxigénturbópumpa: 13 000  fordulat / perc sebességgel forog, és 3,7 MW teljesítményt fejleszt  . Tervezése elsősorban olyan anyagok használatára összpontosít, amelyek nem égnek el a főzött oxigénnel.

A Vulcain motor másodpercenként 200  liter oxigént és 600  liter hidrogént kap ezekből a szivattyúkból . Jelen vannak szelepek, amelyeket mágnesszelepek segítségével gáz-héliummal ellátott pneumatikus hengerek működtetnek. A keverési arány megváltoztatható az oxigénturbó szivattyú betápláló szelepének átkapcsolásával, amely fenntartja annak lehetőségét, hogy a két tartály szinte egyidejűleg kimerüljön.

A tolóerő 1140  kN (114 tonna) úgy állítjuk elő, a nagy sebességű ejekciós a gázáram (250  kg / s át 3300  ° C-on nyomás alatt 110  bar) által termelt égés a hajtóanyagok az égéstérben. A folyékony oxigént (LOX) és a folyékony hidrogént (LH2) koaxiális elemekből álló elülső 516 injektoron keresztül juttatjuk a kamrába. A magas égési hőmérséklet miatt a kamrát folyékony hidrogén ( -250  ° C-on ) cirkulációjával hűtjük , a falban megmunkált 360 hosszanti csatornában.

Az eltérő biztosítja gyorsítást a gázok szuperszonikus sebesség akár 4000  m / s . 456 kicsi hegesztett 4 x 4 mm-es és 0,4 mm vastag  csőből áll  , spirálisan feltekercselve és hűtve a hidrogén keringésével . Ezután egy filmet képeznek, amely lehűti a belső falakat az úgynevezett dump hűtési eljárásnak megfelelően . A tájolás biztosítja pneumatikus hengerek mellékelt hélium . A gázt 390  bar nyomáson tárolják két 300  literes, szénből és titánból készült kompozit tartályban .

A motort a talajról indítják, így annak működését ellenőrizni lehet, mielőtt a hordozórakéta porszakaszai meggyulladnak és felszállnak, ami körülbelül hét másodpercet vesz igénybe. Ez biztosítja a por starter , amely felgyorsítja a turbószivattyút, és pirotechnikai gyújtószerkezetek kezdeményezi égési a kamrában, és a generátor.

Vulcan 2

A Vulcain 2 az első Vulcain optimalizálása, a tolóerőt 1350  kN-ra növelve . Magassága eléri a 3,60  m-t , átmérője a fúvóka kimeneténél 2,15  m . A hidrogén turbopump 14 MW teljesítményt fejleszt  .

Ez az új motor csaknem 20 % -kal, azaz további 1,3 tonnával növeli az Ariane 5 ECA hasznos teherbírását  . Kriogén motorként folyékony hidrogén (LH2) és folyékony oxigén (LOX) keverékét égeti el , utóbbit 161  bar nyomáson szállítja egy új olasz turbopumpa, amely 13 000  fordulat / perc sebességgel forog . A Volvo Aero által kifejlesztett új fúvókával is ellátták, amely lehetővé teszi a turbopumpa turbinájából érkező gázok visszavezetését. Ez 50 cm-rel meghosszabbodik  annak érdekében, hogy javítsa a gázok tágulási sebességét a kimeneten.

A belül uralkodó mechanikai és termikus igénybevétel óriási (több mint 3000  ° C ), és sok órás fejlesztést igényel. A legnagyobb különbség a Vulcain 2 és az első között a fúvóka hűtésének köszönhető, amely ma már csak 288 kör alakú, 4 x 6 mm átmérőjű és 0,6  mm vastag csőből áll  . A hegesztések számának csökkentésével a gyártási idő 13-ról 5 hétre történő csökkentését, valamint a gyártási költségek csökkentését tűzték ki célul. Ez sajnos ez újdonság a fúvóka, amely elvezet a veszteséget a 17 th Ariane 5, hogy a repülés 517 , ami az volt, hogy beiktat az ECA változat, de a végén a Atlanti-óceán .

Tervezési kérdések

A minősítési tesztek során a hűtővezetékekben már megjelentek repedések, de azokat a szükséges minőségi előírásoknak megfelelően kijavították. Sajnos csak a valós repülési viszonyok tárhatják fel az ilyen típusú rakétamotor súlyos tervezési problémáját. És pontosan ez történt az Ariane 5 517-es repülése során  : ezek a repedések ismét megnyilvánultak és egy kihajló jelenség megjelenéséhez vezettek, amely aztán lyukat nyitott a fúvóka falán. A termikus és dinamikus terhelések a magasságban nagyobbak voltak, mint amit a fúvóka kibír, de sajnos a szimulációk nem tudták kimutatni őket a talajvizsgálatok során.

Ezt az esetet követően az indítómotor meghibásodásának okait megállapító vizsgálóbizottság felkérte az SNECMA-t, hogy javítsa a Vulcain 2 motorok gyártási minőségét, valamint módosítsa hűtőkörüket. Ezenkívül a Vulcain 1, amely eddig példaértékű volt.

A motor néhány gyújtáskihagyást is szenvedett az indításkor, például a 2011. március 30, az Ariane 5 ECA rakéta első kísérletének indításakor az V-201-es járatról. Az indítási biztonság jól működött, és az EAP-k nem kapcsoltak be. Az indítást elhalasztottákÁprilis 22 és ez az idő gond nélkül telt.

Műszaki adatok

Megjegyzések és hivatkozások

1. "  Vulcain®2  " , Safran repülőgép-motorok,2015. május 22(megtekintés : 2016. június 16. )
2. "  VERNON  ", Safran repülőgép-motorok ,2015. április 3( online olvasás , konzultáció 2017. január 8-án )
3. "  The Vulcain Engine  " , CapCom Espace (hozzáférés : 2014. szeptember 16. )
4. Didier Capdevila, „  Ariane Chronology: 2003  ” , CapCom Espace,2003(megtekintés : 2014. szeptember 16. )
5. Anne Bellanova , Ariane 157. kötet: a kudarc , CNES, 4.  o. ( olvasható online [PDF] )
6. Nicolas Rosseels, "  Ariane 5 - 157. évfolyam  " , Astrocosmos.net,2003. augusztus 18(megtekintés : 2014. szeptember 16. )
7. (in) [videó] Ariane 5 ECA V-201 a Yahsat és az Intelsat New Dawn alkalmazással nem sikerült elindítani (30.03.11) a YouTube-on
8. (in) [videó] Az Ariane 5 bemutatása a Yahsat 1A-val és az Intelsat New Dawn-nal a YouTube-on
9. "  A Vulcain 2 műszaki jellemzői  " [PDF] , a gyártó Snecma weboldalán (megtekintés : 2014. szeptember 16. )
10. (in) "  Vulcan 2.1  " a www.esa.int webhelyen (megtekintve: 2020. május 26. )
11. (in) "  A LOX turbopump specifikációi  " ( Archívum • Wikiwix • Archive.is • Google • Mit kell tenni? ) [PDF] , Volvo
12. „  LH2 turbopumpa specifikációi  ” ( Archívum • Wikiwix • Archive.is • Google • Mit kell tenni? ) [PDF] , Volvo

Kapcsolódó cikkek

• Ariane 5
• Rakétamotor
• Folyékony hajtóanyag meghajtása
• Viking (rakétamotor)
• Ariadne 5 517-es járat