Moteur de fusée cryogénique

Un moteur-fusée cryogénique est un moteur-fusée qui utilise un carburant et un oxydant cryogéniques ; c'est-à-dire que son carburant et son oxydant sont tous deux des gaz qui ont été liquéfiés et stockés à très basse température . Ces moteurs très efficaces ont été lancés pour la première fois sur l' Atlas-Centaur américain et ont été l'un des principaux facteurs du succès de la NASA dans l'atteinte de la Lune par la fusée Saturn V.

Les moteurs-fusées à propergol cryogénique sont encore utilisés aujourd'hui sur les étages supérieurs et les propulseurs d'appoint à hautes performances . Les étages supérieurs sont nombreux. Parmi les propulseurs d'appoint, on trouve Ariane 5 de l'ESA , H-II de la JAXA , GSLV de l' ISRO , LVM3 , Delta IV des États-Unis et Space Launch System . Les États-Unis , la Russie , le Japon , l'Inde , la France et la Chine sont les seuls pays à disposer de moteurs-fusées cryogéniques opérationnels.

Les moteurs-fusées ont besoin de débits massiques élevés d'oxydant et de carburant pour générer une poussée utile. L'oxygène, l'oxydant le plus simple et le plus courant, est en phase gazeuse à température et pression standard , tout comme l'hydrogène, le carburant le plus simple. Bien qu'il soit possible de stocker des propulseurs sous forme de gaz sous pression, cela nécessiterait de grands réservoirs lourds qui rendraient la réalisation de vols spatiaux orbitaux difficile, voire impossible. D'un autre côté, si les propulseurs sont suffisamment refroidis, ils existent en phase liquide à une densité plus élevée et à une pression plus faible, ce qui simplifie le stockage. Ces températures cryogéniques varient en fonction du propulseur, l' oxygène liquide existant en dessous de −183 °C (−297,4 °F ; 90,1 K) et l'hydrogène liquide en dessous de −253 °C (−423,4 °F ; 20,1 K). Étant donné qu'un ou plusieurs des propulseurs sont en phase liquide, tous les moteurs-fusées cryogéniques sont par définition des moteurs-fusées à propergol liquide .

Diverses combinaisons de combustible cryogénique et d'oxydant ont été essayées, mais la combinaison de combustible à base d'hydrogène liquide ( LH2 ) et d'oxydant à base d'oxygène liquide ( LOX ) est l'une des plus utilisées. Les deux composants sont facilement et à moindre coût disponibles et, lorsqu'ils sont brûlés, ils ont l'une des libérations d'enthalpie les plus élevées lors de la combustion , produisant une impulsion spécifique allant jusqu'à 450 s à une vitesse d'échappement effective de 4,4 kilomètres par seconde (2,7 mi/s ; Mach 13).

Les principaux composants d'un moteur-fusée cryogénique sont la chambre de combustion , l'initiateur pyrotechnique , l'injecteur de carburant, les turbopompes à carburant et à comburant , les vannes cryogéniques, les régulateurs, les réservoirs de carburant et la tuyère du moteur-fusée . En termes d'alimentation en ergols de la chambre de combustion, les moteurs-fusées cryogéniques sont presque exclusivement alimentés par pompe . Les moteurs alimentés par pompe fonctionnent selon un cycle de générateur de gaz , un cycle de combustion étagée ou un cycle d'expansion . Les moteurs à générateur de gaz ont tendance à être utilisés sur les moteurs d'appoint en raison de leur faible efficacité, les moteurs à combustion étagée peuvent remplir les deux rôles au prix d'une plus grande complexité, et les moteurs d'expansion sont exclusivement utilisés sur les étages supérieurs en raison de leur faible poussée.

Actuellement, six pays ont développé et déployé avec succès des moteurs-fusées cryogéniques :