la propulsion aéronautique spatiale

LA PROPULSION
AÉRONAUTIQUE
SPATIALE
Des moteurs
qui vous emmènent
loin, dans l’espace
et dans le temps
Depuis près de soixante-dix
ans, Snecma a développé une
compétence technique et
industrielle de maître d’œuvre
qui lui permet de fédérer des
partenaires européens autour
de la propulsion d’Ariane depuis
l’origine du lanceur en 1973.
Les moteurs Viking (sur les
premier et deuxième étages) et
HM7B (étage cryotechnique) de
Snecma ont assuré la propulsion
d’Ariane 1 à 4. Ils ont été
des éléments majeurs de
la réussite du lanceur.
De la Terre à la Lune
2 SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE
Motoriste aéronautique
et spatial de rang mondial
Snecma, société du groupe international de haute
technologie SAFRAN, est spécialisée dans la propulsion
aéronautique et spatiale. Snecma conçoit, développe
et produit des moteurs pour l’aviation civile et
militaire, ainsi que des systèmes de propulsion
pour lanceurs spatiaux et satellites. Snecma exporte
ses produits partout dans le monde.
Propulsion spatiale
Équilibrer performance, fiabilité et coût
Principal motoriste de la fusée européenne Ariane avec ses
moteurs Vulcain®2 et HM7B, Snecma se situe au deuxième rang mondial sur
le marché de la propulsion liquide pour lanceurs. Snecma a également motorisé à ce jour plus de 350 satellites français ou européens. Placée au premier
rang européen en propulsion plasmique, Snecma s’est spécialisée dans ce
domaine majeur de la propulsion des satellites : son moteur PPS®1350 a établi
un record mondial de durée de fonctionnement.
Propulsion civile
La gamme de poussée la plus étendue du marché
En coopération avec General Electric (États-Unis), Snecma
conçoit, produit, commercialise et assure le support des CFM56, moteurs civils
les plus vendus au monde, et participe aux moteurs de forte poussée CF6-80,
GE90 et GP7200. La société développe également le moteur SaM146 pour
l’aviation régionale et prépare enfin un nouveau concept de moteur destiné
au marché de l’aviation d’affaires.
Propulsion militaire
Plus de 20 types d’avions dans près de 40 pays
Snecma conçoit, développe et produit des moteurs d’avions de
combat, d’entraînement et de transport militaire, et en assure le support aprèsvente. Ses produits phares : le M53-P2 du Mirage 2000, le M88-2 du Rafale et
le TP400-D6 du futur avion de transport militaire A400M d’Airbus Military.
SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE 3
4 SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE
Stratégie et marché
Être plus performant et plus fiable,
à moindre coût
L’Europe ne dispose pas d’un marché institutionnel spatial important (lancement de satellites scientifiques et militaires) : son activité spatiale dépend donc
du lancement de satellites commerciaux. Depuis plus de vingt-cinq ans, les
lanceurs Ariane 1 à 4 ont assuré à l’Europe son autonomie d’accès à l’espace.
À son tour, Ariane 5 permet aujourd’hui à Arianespace de capter une part
majeure du marché commercial.
Le marché spatial exige des lanceurs – et donc des systèmes propulsifs – toujours plus performants et fiables. Et ce, à moindre coût pour emporter des
satellites plus lourds. Véritable avantage concurrentiel, Ariane peut emporter, sur un unique lancement, plusieurs satellites de tailles différentes, générant
ainsi un important gain de compétitivité en permettant aux clients de partager le coût du lancement.
La propulsion, facteur clé de compétitivité
Snecma participe à une double mission en matière spatiale : réaliser un
objectif stratégique pour l’Europe (l’accès pérenne et indépendant à l’espace)
et ancrer Arianespace sur le marché commercial en augmentant l’efficacité du
lanceur et en baissant le coût de sa propulsion. Les connaissances acquises
au cours des dernières décennies permettent à Snecma de proposer des
solutions de pointe pour des coûts et des délais de développement de plus en
plus optimisés.
Décollage d’Ariane 5 ECA, vol 164 du 12 février 2005
La tendance du marché est à la mise
en orbite de satellites aux tailles de plus
en plus diverses : leur gamme s’étire
désormais de moins de 3 tonnes
pour les plus légers et jusqu’à plus de
6 tonnes pour les plus lourds.
SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE 5
Vulcain®
Snecma, chef de file de la propulsion d’Ariane
L’expérience de Snecma dans la conception de
systèmes propulsifs complets à ergols liquides
va au-delà du moteur lui-même. Elle lui permet
d’avoir la responsabilité sur Ariane 5, comme sur
les versions précédentes du lanceur, de l’ensemble
de la propulsion des étages principal et supérieur
cryotechniques. Snecma en conduit le développement
et coordonne un réseau de partenaires industriels
européens tout en travaillant en concertation avec
l’ESA*, le CNES**, Arianespace et EADS ST, maître
d’œuvre industriel du lanceur. Cette coordination
permet de concevoir une propulsion optimisée dans
sa globalité et intégrant, dès son origine, le potentiel
d’évolution attendu par le marché.
*Agence spatiale européenne. **Centre national d’études spatiales.
Ariane 5 ECA
Un gain de 50 %
de capacité d’emport
Les évolutions nécessaires du lanceur
requièrent une propulsion toujours plus
performante : équipée du moteur Vulcain®
de Snecma, Ariane 5 « générique » offrait
une capacité d’emport vers une orbite de
transfert (GTO*) de près de 7 tonnes de
charge utile, contre un peu plus de
4 tonnes pour Ariane 4. Son premier vol
commercial a lieu en 1999.
Pour rester concurrentielle, Ariane 5 en
version ECA offre une capacité de près de
10 tonnes de charge utile en GTO grâce
au nouveau moteur Vulcain®2, sur l’étage
principal cryotechnique, et au moteur
HM7B, désormais placé sur le nouvel
étage supérieur cryotechnique. Validés
en vol en février 2005, ces deux moteurs
augmentent la capacité de mise en orbite
du lanceur de 50 %.
*GTO : Geosynchronous Transfer Orbit (orbite de transfert
géostationnaire).
6 SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE
Snecma contribue
depuis plusieurs
années à baisser
les coûts du lanceur.
D’Ariane 1 à 5, le prix
du lanceur a été divisé
par près de deux, tandis
que la capacité
est passée de
2 à 10 tonnes de
charge utile en GTO.
Snecma maîtrise
depuis plus de
40 ans la
technologie
des moteurs
cryotechniques
(qui utilisent de
l’hydrogène et de
l’oxygène liquides)
comme les
Vulcain®2,
HM7B ou Vinci®.
Vulcain®2 a un cycle à flux dérivé. Les turbines des pompes qui
alimentent la chambre sont entraînées par les gaz produits par
la combustion d’une fraction du débit de l’hydrogène et de
l’oxygène liquides dans un générateur de gaz séparé. La
poussée de Vulcain®2 est obtenue par éjection à grande vitesse
des gaz produits dans la chambre par la combustion des ergols
à haute pression et à haute température. Le divergent assure
l’accélération des gaz en régime supersonique jusqu’à 4 000 m/s.
La puissance de la pompe hydrogène est de 14 MW (mégawatt).
Vulcain®2
La relève
Vulcain®2 remplace Vulcain® sur l’étage
principal cryotechnique. Vulcain® développait une poussée de 110 tonnes :
Vulcain®2, plus puissant de 20 %, développe 130 tonnes tout en offrant une
consommation spécifique moindre.
Ce moteur a été développé par Snecma
et ses partenaires pour fournir à
Ariane 5 ECA une capacité d’emport plus
importante (portée à 10 t de charge utile).
Cela lui permet d’opérer des lancements
doubles de satellites plus lourds. Vulcain®2
fournit près de la moitié de son gain de
performance à Ariane 5 ECA. Cet objectif
est atteint grâce à l’augmentation de
poussée qu’il offre et la possibilité de
doter Ariane 5 ECA d’un étage supérieur
cryotechnique.
Le tir de qualification a validé les performances en vol de Vulcain®2. Il intègre de
nombreuses améliorations techniques par
rapport à son prédécesseur, notamment au
niveau de la turbopompe à oxygène, de la
chambre de combustion et du divergent.
SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE 7
Le HM7B et la nouvelle génération Vinci®
Les moteurs
d’étage supérieur
Le moteur HM7B a un cycle
à flux dérivé. Un générateur
de gaz séparé produit des gaz
chauds par la combustion d’une
fraction du débit de l’hydrogène
et de l’oxygène liquides. Ces gaz
chauds alimentent une seule
turbine qui tourne à 61 000 tours
par minute et entraîne les deux
pompes alimentant la chambre
en ergols. La poussée du moteur
HM7B est obtenue par éjection
à grande vitesse des gaz
produits dans la chambre
par la combustion à haute
température des ergols.
HM7B
Le moteur au fil d’Ariane
Avec le moteur HM7B, qui a propulsé le
troisième étage de toutes les versions
d’Ariane 1 à 4, Snecma a permis à la France
d’accéder au club très fermé des nations
maîtrisant la propulsion à hydrogène. Ce
moteur trouve encore sa place sur le
nouvel étage supérieur d’Ariane 5 ECA,
qui emporte 14 tonnes d’oxygène et
d’hydrogène liquides. Le HM7B fournit, à
lui seul, plus de la moitié du gain de
performance globale d’Ariane 5 ECA
grâce à son impulsion spécifique et sa
poussée (6,5 tonnes) élevées.
D’une
poussée de
18 tonnes,
Vinci® intègre les
dernières avancées
de Snecma en
recherche et
technologie. Son
divergent en matériaux
composites est léger
et déployable en vol ;
sa capacité de rallumages
multiples offrira à Ariane 5
un potentiel de missions
plus large.
Vinci®
Snecma prépare une nouvelle génération
de moteurs avec Vinci® (qui pourra remplacer le HM7B), pour offrir à Ariane 5 la
flexibilité apportée par le réallumage de
l’étage supérieur, ainsi qu’une capacité
d’emport plus élevée (jusqu’à 12 tonnes
de charge utile en orbite géostationnaire).
Ce moteur cryotechnique est l’objet d’un
programme de démonstration de l’ESA
décidé fin 2005 : les premiers essais aux
conditions nominales de vol se sont déroulés avec succès.
Vinci® représente une nouvelle avancée
en termes de fiabilité, de prix et de performance. Produit au même coût que le
moteur HM7B, il est en outre réallumable
en vol et offre une poussée trois fois
supérieure.
Propulsion plasmique
Snecma, leader en propulsion plasmique
Depuis plus de trente ans, Snecma développe, intègre et teste des
systèmes propulsifs de satellites. Maîtrisant ces composants critiques,
la société a équipé par exemple les plates-formes Spot, Hélios et ERS
en propulsion chimique. Snecma s’est aujourd’hui spécialisée dans la
propulsion plasmique, dont elle fut la pionnière européenne avec son
partenaire, l’industriel russe Fakel. C’est ainsi qu’elle équipe des
satellites de télécommunication d’Astrium comme Intelsat 10 ou
Inmarsat 4. Dans ce domaine, elle se place au premier rang européen.
Les premiers propulseurs plasmiques
remontent aux années 1970. Cette technologie permet, à masse égale, d’augmenter la durée de vie du satellite ou la masse
de la charge utile, grâce à une consommation moins importante que celle d’un propulseur chimique de même poussée. Elle
répond aux besoins actuels des clients et
facilite aussi la réalisation de missions
scientifiques et d’exploration planétaire,
qui réclament beaucoup d’énergie et
d’impulsion totale.
Snecma est, depuis
1993, le distributeur
exclusif des
propulseurs à
plasma stationnaire
de Fakel en Europe.
Très fiables,
ils équipent
de nombreux
satellites russes et
occidentaux.
PPS®1350
Record mondial
d’endurance
Le propulseur à plasma stationnaire
PPS®1350 est l’élément clé de la propulsion
de SMART-1, la sonde d’exploration lunaire
de l’ESA*. Il a été développé par Snecma
avec l’aide du CNES**. Le PPS®1350 possède
une impulsion spécifique élevée et une
stabilité de fonctionnement conformes
aux spécifications les plus contraignantes
des satellites de télécommunication. Il
consomme 5 à 6 fois moins d’ergol qu’un
propulseur chimique conventionnel.
Si le moteur Vulcain®2 développe 130 tonnes de poussée pendant une dizaine de
minutes, le PPS®1350, avec ses 8 grammes
de poussée, a battu en 2004 le record
mondial d’endurance. Il a fonctionné
pendant 5 000 heures pour l’ensemble de
la mission qui a conduit SMART-1 autour
de la Lune… Le PPS®1350 a illustré à cette
occasion les avantages considérables
offerts par la propulsion plasmique.
*Agence spatiale européenne. **Centre national d’études spatiales.
La propulsion plasmique
du futur
Snecma mène des travaux de recherche et
technologie sur des moteurs plasmiques
de plus forte puissance (30 grammes et
plus) et sur des concepts nouveaux de
moteurs (plasmiques à double étage), destinés à répondre aux besoins des futurs
gros satellites de télécommunication et
des sondes d’exploration interplanétaire.
SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE 9
Ariane 5 ECA sur son pas de tir, vol 167
Préparer l’avenir
Dans le marché étroit de la propulsion
spatiale, la préparation des évolutions
d’Ariane 5, de lanceurs nouvelle génération
ainsi que la recherche active de nouvelles
technologies, permettent à Snecma de
maintenir une excellence technique.
Ces activités s’appuient sur des compétences
internes et sur de nombreux partenariats
scientifiques ou technologiques, garants
de la compétence et de la compétitivité
européennes en matière spatiale. Snecma
travaille notamment avec le CNES, l’ESA et
divers industriels, mais aussi des organismes
et des laboratoires de recherche français,
européens et internationaux.
10 SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE
TPX : une turbopompe
nouvelle génération
Snecma travaille, par exemple, sur une turbopompe nouvelle
génération « TPX ». L’objectif est de réaliser une turbopompe de
type Vulcain® en diminuant le coût de production de moitié grâce,
notamment, à une architecture simplifiée et à un nombre de
composants réduits. Pour entraîner cette turbopompe, la société
prépare également un nouveau générateur de gaz qui vise les
mêmes performances économiques. Réalisé à l’échelle Vulcain®, le
projet TPX validera de nombreuses technologies utilisables sur
différents types de moteurs.
Vers des lanceurs du futur réutilisables
Snecma explore la propulsion des futurs lanceurs réutilisables (en
partie ou en totalité) pour des projets à plus long terme. La société
étudie, seule ou en partenariat, des démonstrateurs de moteurs à
combustion étagée. C’est le cas, par exemple, avec le Veda, un
moteur cryotechnique de 200 tonnes de poussée, et le Volga, un
moteur à oxygène et méthane liquides de 400 tonnes de poussée,
dont les premières études ont été réalisées en coopération avec
l’industrie russe.
La sonde lunaire SMART-1 en route vers la Lune
Des prestations de services fondées
sur une grande expertise technique
Au-delà de sa maîtrise en conception et production de systèmes
propulsifs, Snecma apporte aux opérateurs lors des lancements
une expertise technique plus large. Elle a ainsi développé de nombreux savoir-faire de haute technologie en matière spatiale :
• assistance technique lors des lancements (exploitation
des mesures…),
• essais moteurs,
• études et calculs, expertises, études de fiabilité,
• formation,
• assistance technique au sol (remplissage des réservoirs, vidange
et décontamination…).
Snecma conçoit et réalise les matériels nécessaires à ces différentes
opérations.
Les services à l’industrie : l’expertise
spatiale étendue à d’autres domaines
Par ailleurs, Snecma propose à de nombreuses entreprises, en
dehors du secteur spatial, les savoir-faire et les outils industriels
qu’elle utilise pour le développement de la propulsion des lanceurs
Moteur Vinci® en cours de montage
et satellites. Cette offre comporte de nombreuses prestations de
service en matière :
• d’essai (ingénierie des moyens et bancs d’essais, exécution
d’essais, développement et fourniture d’instrumentation,
conseil et formation),
• de métrologie (vérification et étalonnage des moyens de
mesure, gestion de parcs d’instruments, conseil et formation),
• de laboratoire (matériaux, chimie, expertises, contrôles non
destructifs, essais mécaniques),
• de maîtrise des risques (assistance, conseil et formation),
• de production (conception, méthode, usinage, procédés
spéciaux, tuyauterie, montage, contrôle et essai).
Enfin, à partir de son savoir-faire acquis dans la propulsion à
hydrogène, Snecma développe des technologies destinées à des
applications industrielles, comme les piles à combustible ou des
incinérateurs et pompes à basse pression pour le transfert du gaz
naturel liquéfié.
Les exemples de technologies de pointe développées par Snecma
pour ses activités spatiales sont nombreux et permettent à d’autres
industries de trouver des solutions plus performantes et adaptées
à leurs problématiques.
SNECMA • LA PROPULSION AÉRONAUTIQUE SPATIALE 11
Applications
Vulcain®2
Ariane 5 ECA
HM7B
Vinci®
Ariane 5 ECA
PPS®1350
SMART-1
10, allée du Brévent – CE1420 Courcouronnes
91019 Évry Cedex – France
Tél. : 33 (0) 1 69 87 09 00
Fax : 33 (0) 1 69 87 09 02
www.snecma.com
Conception et réalisation :
. Crédits photos : Snecma, ESA/CNES/Arianespace, ESA/Medialab, J. Huart/ESA, Éric Forterre/Snecma, Alain Vidon/Snecma – juin 2006
Ariane 1 à 5 ECA