Cycle à expandeur

Le cycle à expandeur est une configuration de moteur-fusée à ergols liquides dans laquelle la turbine de la turbopompe est alimentée par la détente de l'ergol cryotechnique qui circule dans les parois de la chambre de combustion et de la tuyère pour la refroidir et passe de l'état liquide à l'état gazeux[1]. Ce dispositif remplace le générateur de gaz séparé de la chambre de combustion utilisé pour alimenter la turbine dans un cycle générateur de gaz.

Cycle à expandeur fermé.
Cycle à expandeur ouvert.

Le cycle à expandeur peut être fermé ou ouvert. Dans le premier cas, les gaz ayant alimenté la turbine de la turbopompe sont réinjectés dans le chambre de combustion. Dans le second cas, ils sont soit éjectés, soit injectés dans la partie basse de la tuyère afin de la refroidir.

Cycle ouvert

Dans le cycle à expandeur ouvert (expander bleed cycle), au lieu de faire passer l'intégralité de l'ergol dans la turbine puis dans la chambre de combustion, seule une partie est utilisée pour alimenter la turbine sans aller ensuite dans la chambre de combustion, mais en étant soit évacuée, soit injectée dans la partie basse de la tuyère pour la refroidir. Cette configuration induit une perte d'efficacité liée à la non utilisation de l'énergie chimique des ergols n'ayant pas été brûlés dans la chambre de combustion. En contrepartie, elle permet d'obtenir une plus grande pression dans la chambre de combustion, de l'ordre de 2 ou 3 fois plus élevée que dans un cycle à expandeur fermé. Le col de la tuyère peut alors être réduit, ce qui augmente le rapport de section du divergent. Cela compense en partie la perte d'efficacité liée à l'ouverture du cycle, tout en permettant d'atteindre des poussées plus élevée[1].

Utilisation

Les moteurs utilisant un cycle à expandeur ont une impulsion spécifique élevée, mais leur poussée est limitée, souvent de l'ordre de la centaine de kilonewtons. Par conséquent, ils sont utilisés pour propulser les étages supérieurs des lanceurs.

Le RL-10 de Pratt & Whitney propulse ainsi les étages Centaur encore utilisés sur le lanceur Atlas V, ainsi que le second étage DCSS du lanceur Delta IV[2]. On peut également citer le moteur Vinci qui équipera l'étage supérieur d'Ariane 6, avec une impulsion spécifique de 465 s[3]. Le moteur chinois YF-75D propulsant l'étage supérieur de la Longue Marche 5 est également un exemple d'utilisation du cycle à expandeur, en l’occurrence fermé[4].

Tableau comparatif de moteurs-fusées utilisant le cycle à expandeur
Moteur Pays Utilisation Ergols Type Poussée

(dans le vide)

 Isp (dans le vide) Pression Premier vol
BE-3U États-Unis New Glenn LH2 / LOX ouvert 710 kN En développement [5],[6]
BE-7 États-Unis Blue Moon double 40 kN En développement [7]
LE-5A Japon H-II ouvert 121,5 kN 452 s 3,7 MPa 1994 [8]
LE-5B Japon H-IIA ouvert 137 kN 448 s 3,6 MPa 2001 [9]
LE-9 Japon H3 ouvert 1 471 kN 426 s 10,0 MPa En développement [9]
RD-0146D Russie Angara fermé 68,6 kN 470 s 5,9 MPa En développement [10]
RL-10B-2 États-Unis Delta IV fermé 110 kN 465,5 s 4,4 MPa 1998 [8]
Vinci  Europe Ariane 6 fermé 180 kN 465 s 6,0 MPa En développement [3]
YF-75D Chine Longue Marche 5 fermé 442 s 2016 [4]

Notes et références

Références
  1. (en-US) « Inside the LEO Doghouse: The Art of Expander Cycle Engines – Liquid Rocket Engines (J-2X, RS-25, general) », sur blogs.nasa.gov, (consulté le )
  2. (en) « Evolution of the cryogenic rocket engine P&W RL-10 », sur www.b14643.de (consulté le )
  3. (en) Safran, « Space Propulsion | Vinci® » [PDF] (consulté le )
  4. (en) Zhang Nan, Beijing Aerospace Propulsion Institute, « The development of LOX/LH2 engine in China » [PDF] (consulté le )
  5. (en) Anthony Colangelo, « Blue Origin Confirms BE-3U Uses Expander Cycle », sur Main Engine Cut Off, (consulté le )
  6. (en) « BE-3 », sur Blue Origin (consulté le )
  7. (en) « BE-7 », sur Blue Origin (consulté le )
  8. Rocket Propulsion Elements, 9th Edition, p. 404
  9. (en) Daiki Watanabe, Irosayu Manako, Tadaoki Onga, Kashi Tamura, Kazufumi Ikeda et Mitsunori Isono, « Combustion Stability Improvement of LE-9 Engine for Booster Stage of H3 Launch Vehicle », Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 53 No. 4,‎ , p. 28-35 (lire en ligne)
  10. (ru) « «Конструкторское Бюро Химавтоматики» - Научно-технический комплекс », sur www.kbkha.ru (consulté le )

Bibliographie
  • (en) George Paul Sutton et Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements, 9th Edition, Wiley, , 792 p. (ISBN 978-1-118-75365-1, lire en ligne)

Voir aussi
  • Portail de l’astronautique
  • Portail de l’énergie
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