Bourane | Ensemble moteur

1. Rôles

La navette spatiale Bourane est équipée d'un Ensemble Moteur Intégré (Объединенная Двигательная Установка) ODU (17D11) qui lui permet, en situation normale, de réaliser l'ensemble des opérations dynamiques de son vol [1] :

- stabiliser le vol propulsé par le lanceur Energuia,
- se séparer du lanceur,
- se mettre sur orbite via deux impulsions,
- se stabiliser et s'orienter pendant le vol orbital,
- changer d'orbite,
- réaliser des rendez-vous et des amarrages avec un autre engin,
- freiner pour rentrer dans l'atmosphère,
- contrôler la rentrée.

Par ailleurs, l'ODU joue un rôle primordial lors des situations accidentelles qui interviennent lors de la phase de lancement. Il permet de [1] :

- consommer les ergols de façon à alléger la navette avant et après la séparation du lanceur,
- éloigner la navette du lanceur en cas d'extrême urgence.

2. Architecture générale

L'Ensemble Moteur Intégré est constitué du Bloc de Base BB (Базовый Блок) qui abrite les deux moteurs principaux DOM, ainsi que de trois Blocs de Moteurs de Contrôle BDU (Блок Двигателей Управления), qui abritent les petits moteurs UD et DO. Deux de ces blocs, appelés BDU-L (Левый) et BDU-P (Правый), sont situés à l'arrière de la navette, respectivement à bâbord et à tribord, et le troisième, appelé BDU-N (Носовой), est à l'avant.

Fig. 2.1 : Le BB, le BDU-L et le BDU-P, à gauche. Le BDU-N, à droite.
Crédit : DR / Nicolas PILLET.

Outre les deux moteurs DOM, le Bloc de Base contient

Fig. 2.2 : Schéma fonctionnel de l'ODU.
Crédit : Многоразовый орбитальный корабль "Буран".

3. Les moteurs

3.1. Les Moteurs de Manœuvre Orbitale (DOM)

Les moteurs DOM sont utilisés pour réaliser la mise sur orbite après la séparation de l'étage central du lanceur Energuia, pour changer d'orbite si la mission le demande et pour réaliser le freinage de rentrée dans l'atmosphère [1]. Ce sont des moteurs rallumables de type 17D12, dérivés du RD-58 de l'étage supérieur Bloc D, développés en interne par NPO Energuia.

Le 17D12 est un moteur à combustion étagée et développe une poussée dans le vide de 90kN avec une impulsion spécifique de 362", et il peut être allumé jusqu'à 15 fois au cours du vol. La chambre est alimentée par une turbopompe dont la turbine centripète est entraînée par des gaz produits dans un générateur de gaz et amenés à la température de 460°C [1].

Fig. 3.1.1 : Le moteur 17D12.
1. Tronçon de la tuyère refroidi par radiation. 2. Tronçon de la tuyère à refroidissement régénératif.
3. Turbopompe. 4. Echappement des gaz. 5. Chambre de combustion.
6. Cadre avec suspension à cardan. 7. Actionneur de contrôle d'orientation.
8. Générateur de gaz. 9. Bouclier de protection. 10. Tuyaux de vidange.
Musée de la ZEM. Crédit : Michael JERDEV / RKK Energuia.

L'allumage des ergols, que ce soit dans le générateur de gaz ou dans la chambre de combustion, est réalisé par un composé organométallique, le triéthylaluminium (TEA), qui est stocké dans le Bloc d'Allumages Multiples BMZ (Блок Многократного Запуска) [1][4].

Fig. 3.1.2 : La turbopompe du moteur 17D12 et le BMZ (en haut à droite).
Musée de la ZEM. Crédit : Michael JERDEV.

Les ergols sont injectés dans la chambre - où la pression est de 7,85MPa - via des têtes disposées selon des anneaux concentriques. Les gaz sont ensuite détendus dans une tuyère construite en alliage de niobium par laminage, c'est-à-dire sans soudure, et qui est dotée d'un rapport d'expansion de F=192. La direction de la poussée est peut être contrôlée dans deux plans et dans une plage de 6° grâce à un cardan [1].

3.2. Les moteurs de contrôle (UD)

Bourane est équipée de 38 moteurs de contrôle UD (Управляющий Двигатель) qui sont utilisés pendant le vol orbital et pendant la phase de rentrée dans l'atmosphère, tant que la navette se situe à une altitude supérieure à 10km. Ils sont répartis de la façon suivante [1] :

- quatorze moteurs sur le Bloc Moteur de Contrôle Avant (BDU-N) :

- trois vers l'avant (-X),
- trois vers le zénith (+Y),
- quatre vers le nadir (-Y), à raison de deux de chaque côté,
- deux vers bâbord (+Z),
- deux vers tribord (-Z).

- douze moteurs sur chaque Bloc Moteur de Contrôle latéral (BDU-L et BDU-P).

- deux vers l'arrière (+X),
- quatre dans la direction latérale : bâbord (+Z) sur le BDU-L, et tribord (-Z) sur le BDU-P,
- trois vers le zénith (+Y),
- trois vers le nadir (-Y).

Les UD sont de type 17D15 et sont développés et produits en interne par NPO Energuia. Ils fonctionnent avec la sintine comme carburant et l'oxygène gazeux comme comburant, et peuvent fonctionner aussi bien en mode impulsionnel qu’en mode continu, les durées d’allumages pouvant être comprises entre 0,06" et 1200", et le rapport d'expansion est de F=19,8 [1].

Fig. 3.2.1 : Le moteur 17D15.
1. Tuyère. 2. Vanne d'oxygène. 3. Vanne de kérosène. 4. Allumeur.
5. Capteur de pression. 6. Chambre. 7. Isolation thermique.
Crédit : RKK Energuia.

Ils peuvent ainsi être utilisés en redondance des autres types de moteurs, aussi bien les DO que les DOM. Ce sont les quatre moteurs dirigés vers l'arrière qui servent de redondance aux DOM, et ils bénéficient d'une tuyère allongée afin d'augmenter leur rapport d'expansion (F=50) et ainsi gagner en impulsion spécifique [1].

L’allumage est assuré par un système électrique à induction. Le refroidissement de la chambre et de la partie supérieure de la tuyère est régénératif, à travers un film d'oxygène gazeux. La partie basse de le tuyère, quant à elle, est refroidie uniquement par radiation [1].

Le moteur atteint 90% de sa poussée nominale en 0,06". Il est conçu pour 26000 allumages et au minimum trois heures de fonctionnement cumulé. Quand il fonctionne en mode impulsionnel, son impulsion spécifique est de 180" [1].

3.3. Les moteurs d'orientation fine (DO)

Bourane est équipée de huit moteurs d'orientation fine, parfois appelés simplement moteurs d'orientation, ou DO (Двигатель Ориентации). Ils sont tous situés dans les deux Bloc Moteur de Contrôle latéraux (BDU-L et BDU-P) et sont de type 17D16, fournis par le NII Mach.

Ils fonctionnent avec le mélange sintine et oxygène gazeux et fournissent une poussée de 196,1N avec une impulsion spécifique comprise entre 227" et 237". Ils sont optimisés pour donner des impulsions de 0,06" à 0,12", mais peuvent fonctionner en continu pendant 100". Ils peuvent être allumés jusqu'à 5000 fois par vol, et au total 40000 fois [3].

Fig. 3.3.1 : Le moteur 17D16.
Crédit : NII Mach.

Une tête de mélange précède la chambre de combustion. La sintine y est admise par la vanne RT.200.00-01, développée en interne par le NII Mach. C'est une vanne électromagnétique tout-ou-rien monoétage dotée d'un joint en polytétrafluoroéthylène (PTFE). Elle a une masse de 0,18kg, un temps de manœuvre de 0,03" et consomme 0,74A sous 34V à une température de 20°C [3].

Fig. 3.3.2 : La vannes RT.200 du NII Mach.
MAKS-2013 et MAKS-2015. Crédit : Nicolas PILLET.

L'oxygène gazeux est admis dans la tête de mélange par la vanne électromagnétique 6RT.200.00-03, également développée par le NII Mach. C'est une vanne à deux étages avec un joint en PTFE. Elle a une masse de 0,16kg, un temps de manœuvre de 0,025" et consomme 0,16A sous 34V à une température de 20°C [3].

Fig. 3.3.3 : La vannes 6RT.200 du NII Mach.
MAKS-2013 et MAKS-2015. Crédit : Nicolas PILLET.

Après avoir été mélangés dans la tête de mélange, les ergols rejoignent la chambre de combustion où ils sont allumés en 0,120" par un système qui consomme moins de 1A [3]. Le rapport de mélange est de 3,5 à 4,0, c'est-à-dire que le mélange est riche en oxygène [1]. Le refroidissement de la tuyère est assuré par un film de sintine [3].

Fig. 3.3.4 : Caractéristiques du moteur 17D16.
1. Poussée en fonction de la pression à l'entrée de chambre.
2. Impulsion en fonction de la durée de la commande.
3. Impulsion spécifique en fonction de la durée de la commande.
Crédit : NII Mach.

En cas de besoin, le 17D16 peut fonctionner sans carburant, en éjectant l'oxygène gazeux sous pression par la tuyère pour créer une poussée de 45N avec une impulsion spécifique de 700m/s [3].

Grandeur Valeur
Poussée, N 196,1
Impulsion spécifique, s 257
Pression nominale à l'entrée, MPa 3,43/1,62
Pression maximale à l'entrée, MPa 5,89/1,96
Pression minimale à l'entrée, MPa 2,45/1,37
Impulsion minimale, N.s 11,2
Durée de fonctionnement, s 0,06-100
Rapport d'expansion géométrique de la tuyère 52,9
Longueur maximale, mm 360
Diamètre maximale de la tuyère, mm 94
Masse, kg 6,3
Impulsion totale, kN.s 857,4
Nombre d'allumages possibles 40 000
Tension nominale, V 27
Plage de tension, V 23-34
Courant de fonctionnement, A 0,05/0,2-0,3

3.4. Les moteurs d'éloignement d'urgence

Quatre moteurs d'éloignement d'urgence sont placés dans le Bloc Moteur de Contrôle Avant (BDU-N) afin de prévenir une collision avec le lanceur Energuia en cas d'échec de celui-ci à une altitude supérieure à l'altitude maximale d'éjection de l'équipage. Ce sont des moteurs à ergols solides 14D70 fournis par MKB Iskra [2]. Ils fournissent une poussée de 28kN et une impulsion totale de 35kN.s [1].

Fig. 3.4.1 : Les moteurs 14D70 de la navette OK-KS.
Crédit : Mi-26 sur https://aviaforum.ru.

4. Les réservoirs

k

Bibliographie

[1] SEMIONOV, Y., Многоразовый орбитальный корабль "Буран", 1995, pp. 190-214
[2] SOROKINE, V., Надёжность и безопасность в небе, в воде, на земле, Moscou, 2016, p. 43
[3] Documentation du NII Mach fournie au salon MAKS-2015
[4] EVTIEÏEV, I., Ещё поднималось пламя, Moscou, 1997, p. 158
LOUKACHEVITCH, V., Средства обеспечения работ с полезным грузом: система бортовых манипуляторов "Аист", [en ligne], accédé le 14.09.2020
KRIOUTCHKOV, B., Подготовка космонавтов по программе ОК "Буран", in PERVOV, M., История развития отечественной пилотируемой космонавтики, Moscou, 2015, p. 372


Dernière mise à jour : 7 février 2023