Technique des lanceurs

[Nicolas Daum]

Première remarque il y a toujours quelque chose d’assez frustrant avec les docs sur n’importe quel thème technique : la justification des options fondamentales est passée sous silence.

Q. 1 : D’où vient cette architecture étage principal + fusées d’appoint ?
Considérations économiques ou techniques ?

Prenons Ariane 5. Le premier étage comporte :
a) les étages d’accélérations à poudre, alias boosters, alias fusées d’appoint… un appoint qui représente 92% de la poussée au décollage, chacun pesant ~250t ;
b) l’étage principal cryotechnique, un « principal » pesant 170t avec le plein, dont le moteur ne donne que 8% du total.

Pour la navette les ordres de grandeur sont similaires.

Q. 2 : Pourquoi ces termes « principal » et « appoint » alors qu’on se demande lequel assiste l’autre ?

Par contre les Soyouz ne carburent qu’au kérosène (et à l’eau oxygénée ?).

La NASA développe actuellement la génération des lanceurs devant remplacer les navettes dans l’optique d’un retour sur la Lune.
Ares I est destiné à mettre en orbite les passagers. Son premier étage est constitué du seul booster de navette rallongé d’un segment.
Ares V, pour les bagages, a l’architecture classique qu’on connait.

Q. 3 : Avec Ares I il y a seulement un étage à poudre, cela ne semble pas poser de problème de sécurité. Y a-t-il eu des accidents causés par un booster du fait de sa technologie propre ? Je fais l’impasse sur la destruction de Challenger car ce n’est pas une défaillance du propulseur lui-même.
Est-ce qu’il serait envisageable de créer un premier étage d’Ariane avec trois, quatre ou cinq propulseurs à poudre ? Est-ce que ce ne serait pas plus économique ?

[Nicolas Daum]

Bonjour

Mille excuses! J'ai oublié les "Bonjour", "Merci d'avance" et ma signature au moment de poster mon message de la nuit dernière.

A+

ND

[Aroll]

Bonjour,

Envoyé par Nicolas Daum

Q. 1 : D’où vient cette architecture étage principal + fusées d’appoint ?
Considérations économiques ou techniques ?

Le choix de ce genre d'architecture, que les boosters soient à propergols solides (Ariane V) ou liquides (Soyouz), est toujours pour raison technique.
Sur ces fusées, les boosters constituent de fait le premier étage, et le corps central le deuxième.
Sur une fusée "normale", le deuxième étage doit être allumé après la séparation du premier, donc en vol, avec tout ce que cela peut signifier comme risque d'échec.
Sur une fusée type Ariane V ou Soyouz, le deuxième étage peut être allumé au sol, avant le décollage, avec plus de sécurité.

Envoyé par Nicolas Daum

Q. 2 : Pourquoi ces termes « principal » et « appoint » alors qu’on se demande lequel assiste l’autre ?

Une habitude héritée de l'époque où les boosters latéraux n'étaient réellement que des appoints destinés à donner un petit coup de pouce supplémentaire, ils étaient aussi plus petits (exemple: Ariane IV)

Envoyé par Nicolas Daum

Par contre les Soyouz ne carburent qu’au kérosène (et à l’eau oxygénée ?).

Non, à l'oxygène liquide.

Envoyé par Nicolas Daum

Q. 3 : Avec Ares I il y a seulement un étage à poudre, cela ne semble pas poser de problème de sécurité. Y a-t-il eu des accidents causés par un booster du fait de sa technologie propre ? Je fais l’impasse sur la destruction de Challenger car ce n’est pas une défaillance du propulseur lui-même.
Est-ce qu’il serait envisageable de créer un premier étage d’Ariane avec trois, quatre ou cinq propulseurs à poudre ? Est-ce que ce ne serait pas plus économique ?

Je ne pense pas qu'il y ait eu d'accident directement causé par le choix de la technologie d'un booster ou d'un premier étage (à part peut être pour la fusée lunaire Russe N1).
Le premier étage d'Ariane V est déjà constitué de propulseurs "à poudre" (appellation trompeuse que je n'aime pas beaucoup), en rajouter d'autres ne se justifierait que dans l'optique d'augmenter la charge utile.
En rajouter cinq est difficile à justifier, en effet, soit la charge utile est énorme, et alors le deuxième étage risque d'être insuffisant pour prendre seul le relais, soit la charge utile est "normale" et on obtiendra une accélération inutilement importante au décollage, entraînant d'importantes contraintes sur le reste du lanceur, et une surconsommation de propergol malgré la possibilité de "diminuer" la contribution du deuxième étage.

Amicalement, Alain

[Nicolas Daum]

Merci de ta réponse

Envoyé par Aroll

Le choix de ce genre d'architecture, que les boosters soient à propergols solides (Ariane V) ou liquides (Soyouz), est toujours pour raison technique.

Lesquelles ? Une solution tout cryogénique ne serait sans doute pas assez puissante. Pourquoi pas uniquement solide comme Ares I ?

Envoyé par Aroll

Sur ces fusées, les boosters constituent de fait le premier étage, et le corps central le deuxième.
Sur une fusée "normale", le deuxième étage doit être allumé après la séparation du premier, donc en vol, avec tout ce que cela peut signifier comme risque d'échec.
Sur une fusée type Ariane V ou Soyouz, le deuxième étage peut être allumé au sol, avant le décollage, avec plus de sécurité.

Sauf erreur EAP et EPC forment un tout, appelé le « composite inférieur » sur Ariane V. Il y a aussi un deuxième étage allumé en vol.

Envoyé par Aroll

Le premier étage d'Ariane V est déjà constitué de propulseurs "à poudre" (appellation trompeuse que je n'aime pas beaucoup), en rajouter d'autres ne se justifierait que dans l'optique d'augmenter la charge utile.

Je me suis mal exprimé. Je me demandais s’il ne serait pas plus facile de constituer une composite inférieur seulement de propulseurs solides. Trois EAP assemblés serait plus puissants que la configuration actuelle.
Arianespace a prévu des configurations alternatives avec un EPC et quatre EAP par exemple. Mais dans ce cas le propulseur liquide n’est qu’une goutte dans le vase.

ND

[Aroll]

Bonjour,

Envoyé par Nicolas Daum

Lesquelles ?

Je te l'ai dit, essentiellement la sécurité d'allumage, à laquelle on pourrait peut être rajouter la diminution de la hauteur du lanceur, mais ce n'est pas le plus important.

Envoyé par Nicolas Daum

Une solution tout cryogénique ne serait sans doute pas assez puissante

Il n'y a aucun problème de puissance avec les moteurs cryogéniques, on peut en faire de mille tonnes de poussée si nécessaire, le choix des propergols solides est du à d'autres raisons: fiabilité, simplicité, coûts plus bas, et..... une meilleure efficacité due à ce que l'on pourrait appeler: l'impulsion spécifique volumique qui meilleure pour les propergols solides.
On a l'habitude de ne parler que de l'impulsion spécifique tout court qui est le temps en seconde pendant lequel 1Kg de propergol peut fournir une poussée de 1Kg (9.81N plus exactement). Cette impulsion spécifique permet de mesurer très efficacement les performances d'une propulsion, mais les choses ne sont pas toujours aussi simples.
Lorsqu'une fusée décolle, elle doit d'abord traverser l'atmosphère et donc subir une traînée aérodynamique non négligeable (la traînée de Saturn V dépassait 400 tonnes un peu plus d'une minute après le décollage), cette traînée dépend bien sûr de sa vitesse, mais aussi de son "embonpoint", or de par leur faible masse volumique les meilleurs propergols cryogéniques (O2/H2) réclament de très gros réservoirs qui "gonflent" le corps de la fusée.
On va définir l'impulsion spécifique volumique comme le temps en seconde pendant lequel 1 décimètre cube de propergol donne une poussée de 9.81 N.
Pour se faire une idée:
l'impulsion spécifique d'un propergol solide est d'environ 270 secondes au mieux, celle du couple oxygène liquide / hydrogène liquide est de plus de 400 secondes.
L'impulsion spécifique volumique d'un propergol solide est de plus de 400 secondes, alors que celle du couple oxygène liquide / hydrogène liquide dépasse à peine les 100 secondes!!!
Conclusion: si dans l'espace (ou au moins aux très hautes altitudes) la supériorité des propergols cryogéniques est totale et incontestable, au sol et aux basses altitudes ce sont les propergols solides qui ont la cote.
Remarque: les boosters latéraux du lanceur russe Energia sont à propergols liquides, mais cela résulte plutôt d'un manque d'investissements russes dans les moteurs à propergols solides, pour se concentrer sur un nombre très limité de moteurs différents, ce qui une autre façon de faire des économies.
Les moteurs des boosters latéraux sont, je crois, les même que pour Bourane elle même.

Envoyé par Nicolas Daume

Pourquoi pas uniquement solide comme Ares I ?

Si tu considère les boosters latéraux d'Ariane V comme le premier étage, alors tu es dans le même cas.

Envoyé par Nicolas Daum

Sauf erreur EAP et EPC forment un tout, appelé le « composite inférieur » sur Ariane V. Il y a aussi un deuxième étage allumé en vol.

Le terme de composite inférieur permet de donner un nom à ce que l'on voit au bas de la fusée, cela ne signifie pas qu'il faille considérer l'ensemble comme un seul étage.
Sur la fusée Soyouz aussi tout les moteurs du bas s'allument en même temps, mais on considère l'ensemble des quatre boosters périphériques comme le premier étage et le corps central comme le deuxième.
Dans ces conditions, lorsque l'on a un étage supplémentaire dont l'allumage se fait en vol, on le désigne comme le....... troisième!
En définitive, tout est une question de (libre) choix des appellations des différentes parties, mais appeler premier étage les boosters et deuxième étage le corps central est à la fois valable et clair; tandis que considérer le corps central comme le premier étage, c'est considérer les boosters comme de simples appoints alors qu'ils développent beaucoup plus de poussée, et cela crée de la confusion.

Envoyé par Nicolas Daum

Je me suis mal exprimé. Je me demandais s’il ne serait pas plus facile de constituer une composite inférieur seulement de propulseurs solides. Trois EAP assemblés serait plus puissants que la configuration actuelle.

Non, tu ne t'es pas mal exprimé, j'avais parfaitement compris ce que tu voulais dire, je te dis simplement que dès lors que tu considère le corps central comme un vrai deuxième étage à allumage anticipé, tu as bien un premier étage exclusivement composé de propulseurs solides.
Par contre, ce ne serait pas plus facile, en tout cas pas plus fiable, dans la mesure où en (pré)allumant le deuxième étage avant le lancement on s'assure qu'il fonctionne avant le décollage avec la possibilité d'interrompre le processus si il y a un problème.

Envoyé par Nicolas Daum

Arianespace a prévu des configurations alternatives avec un EPC et quatre EAP par exemple. Mais dans ce cas le propulseur liquide n’est qu’une goutte dans le vase.

Nouvelle preuve qu'il ne doit pas être considéré comme premier étage....

Amicalement, Alain

[Nicolas Daum]

Envoyé par Aroll

Je te l'ai dit, essentiellement la sécurité d'allumage, à laquelle on pourrait peut être rajouter la diminution de la hauteur du lanceur, mais ce n'est pas le plus important.

Si un des propulseurs ne s’allume pas c’est la cata de toutes façons.

Il m’avait bien semblé que les propergols solides sont supérieurs en presque tout aux liquides : impulsion spécifique et volumique, cout, fiabilité, sécurité. Leur inconvénient est l’impossibilité de moduler leur puissance et de les arrêter.
Mais l’ajustement pour la mise en orbite est effectué de toutes façons par le deuxième (ou troisième) étage. D’ailleurs Ares I aura un premier étage strictement solide…
Donc je ne comprends toujours pas pourquoi on s’encombre de cet étage cryogénique et de toute la logistique qui va avec pour effectuer 8% de la poussée.

Envoyé par Aroll

Sur la fusée Soyouz aussi tout les moteurs du bas s'allument en même temps, mais on considère l'ensemble des quatre boosters périphériques comme le premier étage et le corps central comme le deuxième.

Les soviétiques en sont restés grosso modo à la technologie des V2. Ça réduit considérablement les couts de développement et c’est fabriqué en grande série. Pour augmenter la puissance on rajoute des moteurs, c’est pas compliqué et d’ailleurs ça marche toujours bien.

Envoyé par Aroll

…dès lors que tu considère le corps central comme un vrai deuxième étage à allumage anticipé, tu as bien un premier étage exclusivement composé de propulseurs solides.
Par contre, ce ne serait pas plus facile, en tout cas pas plus fiable, dans la mesure où en (pré)allumant le deuxième étage avant le lancement on s'assure qu'il fonctionne avant le décollage avec la possibilité d'interrompre le processus si il y a un problème.

Je veux bien mais dans ce que j’ai lu le « premier étage » comprenait toujours les deux. De plus c’est le moteur cryogénique qui est allumé en premier

ND

[Aroll]

Bonjour,

Envoyé par Nicolas Daum

Il m’avait bien semblé que les propergols solides sont supérieurs en presque tout aux liquides : impulsion spécifique et volumique, cout, fiabilité, sécurité. Leur inconvénient est l’impossibilité de moduler leur puissance et de les arrêter.

Impulsion spécifique volumique oui mais impulsion spécifique tout court non, absolument pas, loin s'en faut!!

Envoyé par Nicolas Daum

Mais l’ajustement pour la mise en orbite est effectué de toutes façons par le deuxième (ou troisième) étage. D’ailleurs Ares I aura un premier étage strictement solide…

Dans la mesure où le corps central d'Ariane V constitue le deuxième étage, avec simplement un allumage anticipé, on peut dire qu'elle a aussi un premier étage strictement solide.

Envoyé par Nicolas Daum

Donc je ne comprends toujours pas pourquoi on s’encombre de cet étage cryogénique et de toute la logistique qui va avec pour effectuer 8% de la poussée.

Pas pour effectuer 8% de la poussée, mais pour avoir un deuxième étage.

Envoyé par Nicolas Daum

Les soviétiques en sont restés grosso modo à la technologie des V2.

Très réducteur et incorrecte.

Envoyé par Nicolas Daum

Je veux bien mais dans ce que j’ai lu le « premier étage » comprenait toujours les deux.

Sans doute par simplification, mais en fait ce n'est pas le cas, seulement les deux premiers étages s'allument (presque) ensemble.

Envoyé par Nicolas daum

De plus c’est le moteur cryogénique qui est allumé en premier

C'est ce que je t'ai déjà dit, en allumant d'abord le deuxième étage, on s'assure qu'il fonctionne avant d'allumer les boosters donc avant que le décollage ne soit irréversible, ce qui permet d'annuler au dernier moment en cas de pépin sur le moteur cryogénique qui est le plus "sensible"..

Amicalement, Alain