Un moteur, c'est chaud. Comment ça résiste ?

[Valérian]

Coucou, premier article ^^

Je me demandais quels matériaux étaient utilisés pour la fabrication des chambres de combustion d’un moteur LO2-LH2, si je me souviens bien la température de combustion peut atteindre 3200 °C !
Alors quel sont leurs secrets, méthode de refroidissement, super-alliage, orientation cristalline, fibre… :scratch: ?

Merci d’avance

[Nicholas Houde]

Bonne question, je crois que bien que la flamme soit à cette température, les bords du moteur n'atteigne pas cette température, du à la circulation de l'air autour des moteurs lors de la phase d'ascension et sûrement d'un autre système de refroidissement, mais je ne saurais t'aider comme il se doit.

[nikolai39]

Je ne suis pas spécialiste non plus, mais je sais que dans le cas du Vulcain-2 il y a des petits tuyaux d'hydrogène liquide qui courent le long de la tuyère pour la refroidir...

[Valérian]

Excusez-moi :oops: , l’orthographe a toujours été un problème pour moi (haa ces jeunes ^^ )
Je ferai d’avantage attention !

[bernardw]

il y a aussi la méthode de refroidissement par rayonnement comme le moteur de service d'Apollo ( voir http://www.de-la-terre-a-la-lune.com/apollo.php?page=technos_cm_sps)

Bernard

[Invité]

Moi, j'ai toujours sur le titre du portail Chaux... Mais bon, la chaux a bien servi dans le bâti de nos ancêtres pendant des siècles...jusqu'à l'arrivée du ciment ;)

[Apolloman]

Salut...
"Le refroidissement du moteur peut se faire de trois manières : soit par circulation d'un ergol (généralement le carburant) autour du moteur (premiers modèles), soit par pulvérisation interne du comburant sur la paroi (moteurs de dimensions réduites), soit en utilisant ces deux possibilités (moteurs principaux)." ou encore comme l'a écrit plus haut bernardw, par rayonnement.

[Meewan]

il me semble avoir aussi lut que le moteur devant équiper Ares V ne refroidissait pas mais s'usait. la chambre de combustion et la tuyère était beurré d'un matériau qui s'évaporait et donc refroidissait la chambre. ce moteur était le RS-68.

[nyood]

A la "préhistoire du spatial", c'était tout simplement de la fonte, avec une forme de tuyère obtenue par fonderie, forgeage, ...
Les moteurs étaient encore petits et rustiques, en général le refroidissement se faisait par "film cooling" : on fait ruisseler de l'ergol cryogénique le long des parois de la tuyère, ce qui créé une "barrière thermique" entre le flux de gaz très chaud et la paroi de la tuyère qui devait rester à des températures en dessous de 600°C (en gros). C'est pas très efficace en terme de rendement d'ergol, mais c'était rustique et ça marchait pas trop mal.

Ensuite, sont venus des moteurs plus gros, plus puissants, et des matériaux plus performants. La technologie de refroidissement utilisée est alors la circulation de l'hydrogène cryogénique à travers la paroi de la tuyère. Par exemple pour le Vulcain, pour fabriquer la tuyère, on utilise un tube en aluminium de section carrée qu'on vient enrouler en spirale autour d'un moule pour réaliser la forme définitive de la tuyère, et on fait circuler l'hydrogène dans ce conduit.
Bien entendu, dans les zones très critiques en température comme le col de la tuyère, la paroi subit une aggression très importante de la part du gaz, et donc la paroi commence à s'abîmer, on appelle ça l'abrasion. Outre la diminution de l'épaisseur de la paroi au cours du vol, qui peut être dangeureux d'un point de vue mécanique, on a un autre phénomène néfaste qui est l'augmentation de la section de tuyère au cours du fonctionnement du moteur, et donc une dégradation de ses performances. Pour Ariane 5, j'ai en tête de l'ordre de 10mm d'abrasion pour les quelques minutes du vol. Imaginez-vous en train de poncer 10mm d'épaisseur de métal, et vous saisirez l'énergie mise en jeu !

Le gros problème du refroidissement du moteur survient lorsque l'ont ne peut plus utiliser ce refroidissement cryogénique, par exemple pour les moteurs à propergol solide ou stockables : aucune source de froid ne peut nous aider à contrôler la température de la tuyère. On est donc passé à l'utilisation des matériaux composites : fibre de verre-époxy pour les zones peu contraintes (extrémité de tuyère), carbone-époxy pour les zones un peu plus chargées mécaniquement, et du composite carbone-carbone pour les zones très chargées mécaniquement et thermiquement comme le col de tuyère. Avec le carbone-carbone, on peut atteindre des températures au col bien supérieures à une tuyère métallique, et en plus le carbone a un très bon comportement à l'abrasion.
Pour refroidir ces moteurs composites, 2 solutions : soit profiter des propriétés intéressantes de la résine époxy, qui est très endothermique lorsqu'elle se "carbonise" et absorbe donc énormément de chaleur pendant les quelques minutes du tir (de façon irréversible, et on a là les tuyères des boosters à poudre d'Ariane 5), soit on profite de la grande tenue à la température du carbone pour laisser le moteur monter librement en température et évacuer sa chaleur par rayonnement (comme la puissance rayonnée est proportionnelle à T^4, on arrive assez bien à évacuer la chaleur). Le moteur Vinci qui va équiper le futur étage supérieur d'Ariane 5 se refroidit uniquement par rayonnement avec une tuyère entièrement en carbone.

[Valérian]

Merci pour ces précisions !
Oui, je vois maintenant que les 288 tubes rectangulaires sont en inconel 600 (un super alliage à base de nickel et de chrome).
Je vois aussi en effet que les fameux composites résistants à de hautes températures ne sont en faite pas des dérivés du pétrole, ce sont de géopolymère à base de silice et d’oxyde d’aluminium (alumine), comme ils ne sont pas organique il brûle à des températures bien plus élevées et ne dégage pas de fumées toxiques (comme un caillou quoi ^^).
C’est quand même des chefs-d’œuvre d’ingénierie !!

[Apolloman]

A la "préhistoire du spatial", c'était tout simplement de la fonte, avec une forme de tuyère obtenue par fonderie, forgeage, ...

???? Source(s) s'il te plais! Je serais curieux de lire cela...

[nyood]

A la "préhistoire du spatial", c'était tout simplement de la fonte, avec une forme de tuyère obtenue par fonderie, forgeage, ...

???? Source(s) s'il te plais! Je serais curieux de lire cela...

Je pensais bien entendu au moteur du V2.

Après quelques recherches, je n'ai pas réussit à trouver comment la tuyère était réellement fabriquée (à part le fait que c'était par des déportés dans le camp de Dora), mais c'est sûr qu'ils ont été réalisés en fonte :

http://www.zamandayolculuk.com/cetinbal/V2motorx.htm


Quelques infos intéressantes pour ce qui nous concerne, le refroidissement de la tuyère :



Comme le voit sur cette photo en coupe, le V2 intégrait déjà là l'époque les doubles parois et la circulation du carburant autour de la chambre de combustion pour refroidir la tuyère ! Il intégrait aussi un système de film cooling avec une partie de ce flux de refroidissement qui n'allait pas vers les injecteurs mais qui traversait directement la paroi par des petits trous et allait ruisseler le long de la paroi pour lui faire une barrière thermique liquide qui absorbe la chaleur par évaporation
(pas de photos sous la main pour montrer les trous mais ils sont bien là, on peut les voir sur le moteur en expo à la cité de l'espace par exemple).

http://www.ispyspace.com/V_2.html

[Apolloman]

Ah oui, c'est vrai... le V-2 quel étourdi je fais! :roll: