Fregat | Description de l'étage Fregat

A. Généralités

L'étage supérieur Fregat, développé et produit par la NPO Lavotchkine à Khimki, près de Moscou, est constitué de six sphères disposées selon un hexagone. Quatre de ces sphères sont des réservoirs d'ergols.

Les deux autres sont des compartiments pressurisés qui abritent, d'une part, le système de télémétrie et, d'autre part, le système de contrôle. Le Fregat a un diamètre de 3350mm pour une hauteur de 1550mm et une masse à vide de 930kg.

Fig. A1 : Schéma de l'étage Fregat.
Crédit : NPO Lavotchkine.

Une structure de barres métalliques constitue l'ossature du Fregat. A l'origine, ces barres étaient en aluminium simple, mais par la suite un alliage de bore et d'aluminium a été préféré, notamment pour des raisons de poids [1]. Ces nouvelles barres ont volé pour la première fois le 13 août 2005.

Fig. A2 : Schéma des barres de soutien du Fregat.
Crédit : NPO Lavotchkine.

Le moteur principal est placé au centre de ces sphères. Douze autres petits moteurs permettent d'assurer l'orientation. Le Fregat, qui équipe les lanceurs Soyouz-U, Soyouz-FG, Soyouz-2.1a, Soyouz-2.1b, Soyouz-ST-A et Zenit-2SB80, est placé sous la coiffe.

En général, le lanceur place le Fregat et sa charge utile sur une trajectoire balistique, et c'est à lui de réaliser la mise sur orbite lors d'un premier allumage de son moteur principal. D'autres allumages permettent d'atteindre l'orbite désirée.

Fig. A3 : Schéma de l'étage Fregat.
Crédit : NPO Lavotchkine.

L'étage Fregat est relié au troisième étage du lanceur Soyouz (Bloc I) par l'intermédiaire d'un Compartiment de Transfert (PKhO), développé également par la NPO Lavotchkine. C'est sur ce compartiment de transfert que la coiffe est arrimée. Sa masse est de 510kg [7]. A la fin de la phase propulsée du Bloc I, le PKhO lui reste solidaire, et c'est l'étage Fregat qui se sépare du PKhO.

Avant d'être livré sur sa base de lancement, le Fregat est enveloppé dans une isolation thermique (feuilles dorées). La charge utile est rattachée à l'étage au moyen d'un adaptateur spécifique.

Fig. A4 : Préparation de l'étage Fregat et du satellite GIOVE-A.
Crédit : ESA.

B. Les réservoirs

Pour alimenter le moteur principal (S5.92), le Fregat est équipé de deux réservoirs de tétraoxyde d'azote (O2 et O4), ainsi que de deux réservoirs d'UDMH (G1 et G3).

Fig. B1 : Préparation d'un réservoir chez NPO Lavotchkine.
Crédit : Novator n°01-2018.

Les réservoirs de tétraoxyde d'azote sont remplis à une pression de 2,80kgf/cm², et les réservoirs d'UDMH à une pression de 2,90kgf/cm² [2]. Au total, ils ont une capacité de 5090kg.

C. Le moteur S5.92

Le moteur principal (MDU) est placé au centre des six sphères. Il s'agit d'un S5.92, développé entre 1978 et 1987 par le KB KhimMach. A l'origine, ce moteur équipait les sondes interplanétaires Fobos (1F). Il a une masse de 75kg. Il utilise l'UDMH comme carburant, et le tétraoxyde d'azote (N2O4) comme comburant.

C'est un moteur monochambre à cycle ouvert, c'est à dire que les ergols utilisés pour refroidir la chambre de combustion ne sont pas récupérés. Ils sont éjectés vers l'arrière par deux petites tuyères disposées symétriquement de part et d'autre de la tuyère principale.

Fig. C1 : Un moteur S5.92 de première génération
Musée National d'Histoire de la Cosmonautique de Kalouga. Crédit : Nicolas PILLET.

Fig. C2 : Le moteur S5.92.
Crédit : DR.

Le S5.92 a deux modes de fonctionnement :

   - BT : fonctionnement à forte poussée (2024kgf),
   - MT : fonctionnement à faible poussée (1418kgf).

Le choix du mode (BT ou MT) est possible grâce à un régulateur placé sur la ligne d'alimentation en UDMH du générateur de gaz. Le régulateur permet de moduler le débit d'UDMH qui arrive sur le générateur, et ainsi de contrôler la vitesse de rotation de la turbine de la turbopompe.

Paramètre BT MT
Pression dans la chambre de combustion (kgf/cm²) 98 68,5
Pression dans le générateur de gaz (kgf/cm²) 11861
Vitesse de rotation de la turbine (tr/min)5800043000
Tableau 1 : Caractéristiques du moteur S5.92.

Sur la version d'origine, l'impulsion spécifique (Isp) valait 327" pour le fonctionnement à forte poussée (316" à faible poussée).

L'augmentation de 200mm de la longueur de la tuyère a permis d'augmenter l'Isp à forte poussée pour ka porter à 329,6" [1]. Le premier vol avec la tuyère allongée a eu lieu le 13 août 2005. Toutefois, les mesures en vol ont montré que l'Isp était meilleure que ne le prévoyait la théorie. Le S5.92 à tuyère allongée a donc une Isp de 331" (321" à faible poussée).

Fig. C3 : Schéma de l'étage Fregat, avant et après allongement de la tuyère.
Crédit : NPO Lavotchkine.

Fig. C4 : Le moteur S5.92 à tuyère allongée.
Crédit : KBKhM.

L'un des grands atouts du S5.92 est de pouvoir être rallumé jusqu'à vingt fois, ce qui autorise des profils de mission extrêmement complexes. Au total, il peut fonctionner pendant 2000".

L'orientation selon l'axe de roulis est assurée par les moteurs SOZ (cf. section D). En revanche, l'orientation selon les axes de tangage et de lacet se fait en déplaçant le moteur dans un plan. Le vecteur poussée est alors décentré par rapport au centre de masse de l'étage, ce qui induit une rotation.

Cliquez ici si vous ne voyez pas la vidéo.

Vidéo 1 : Démonstration des mouvements coplanaires du S5.92.
Crédit : Проект Фобос.

D. Les moteurs S5.221

L'étage Fregat est équipé de douze moteurs d'orientation (SOZ). Ce sont des moteurs S5.221 (également appelés DOK-50) du KB KhimMach. Ils fournissent une poussée de 5kgf avec une Isp de 229".

Fig. D1 : Un moteur S5.221.
Crédit : Ракетный щит Отечества.

Ce sont des moteurs à monergol, c'est à dire qu'ils n'utilisent qu'un seul ergol qui joue à la fois le rôle de carburant et de comburant. Ce monergol est l'hydrazine (N2H4).

La poussée est assurée non pas par combustion, mais par décomposition catalytique. L'hydrazine est pressurisée par de l'hélium, et elle est séparée d'un catalyseur par une électrovanne. Quand cette dernière est ouverte, l'hydrazine entre en contact avec le catalyseur et se décompose selon les réactions chimiques suivantes :

3 N2H4 → 4NH3 +N2
N2H4 →N2 + 2H2
4 NH3 + N2H4 → 3N2 + 8H2.

Ces réactions sont très exothermiques, et produisent un gros volume de gaz chauds à partir d’un faible volume d’hydrazine liquide. Elles sont de plus très rapides (de l'ordre de quelques millisecondes), ce qui permet de doser la poussée avec une grande précision [3]. Pour que la réaction puisse avoir lieu, le catalyseur doit être maintenu à très haute température par des réchauffeurs électriques.

Grandeur Unité Valeur
Poussée nominale N50
Impulsion spécifique m/s 2250
Angle de la tuyère ° 42
Pression amont du monergol MPa 1,5
Pression dans la chambre MPa 0,8
Durée minimale de la combustion s 0,05
Durée maximale de la combustion s 600
Durée totale de fonctionnement s 1500
Nombre d'allumages - 4000
Puissance des électrovannes W 16,2
Puissance des réchauffeurs W 20
Masse kg 1,1
Tableau 2 : Caractéristiques du moteur S5.221 (donnée KBKhM).

L'hélium qui sert à pressuriser l'hydrazine est stocké dans un réservoir (ChB) à 310kgf/cm². A l'origine, Fregat possédait deux réservoirs d'hydrazine (environ 40kg chacun), installés sur la partie supérieure de l'étage (voir Fig. A1). Toutefois, après les premiers vols, il est apparu qu'un seul réservoir suffisait, et le second a donc été supprimé. Le réservoir restant a par ailleurs été déplacé dans le compartiment de l'ordinateur de bord (PO2) [1]. Le premier vol avec ces modifications a eu lieu le 13 août 2005.

Il y a douze moteurs S5.221 sur l'étage Fregat, répartis physiquement en quatre groupes de trois. Fonctionnellement, quatre d'entre eux servent à contrôler le roulis (DV), quatre servent pour le tangage (DT) et les quatre derniers servent pour le lacet (DR).

Fig. D2 : Schéma de la disposition des moteurs S5.221.
Crédit : Окончательный отчет о запуске КА Метоп-А.

Fig. D3 : Vues d'un groupe de moteurs S5.221 avec l'isolation thermique
(à gauche, vol du 21 octobre 2011), et sans l'isolation (à droite).
Crédit : DR.

Les moteurs S5.221 servent à l'orientation de l'étage Fregat, mais ils sont aussi indispensables au fonctionnement du moteur principal S5.92, car ce sont eux qui permettent de plaquer les ergols dans les réservoirs avant son allumage, et ainsi de séparer la phase gazeuse de la phase liquide. Chaque mise en service du S5.92 est donc précédée, 55 secondes plus tôt, d'un allumage des S5.221.

Fig. D4 : Le moteur S5.221.
Musée historique de la ville de Koroliov. Crédit : Nicolas PILLET.

E. Le système de contrôle

Les premiers étages Fregat étaient équipés d'un ordinateur de bord de type Bisser-3, développé par le NPTs AP, identique à celui du lanceur lourd Proton. Par la suite, le Bisser-3 a été remplacé par un modèle plus performant, le Bisser-6 (BI063M), dont le premier vol a eu lieu le 29 mai 2007.

Fig. E1 : L'ordinateur Bisser-3.
Crédit : NPTs AP.

En terme d'instrumentation, les premiers Fregat étaient munis d'une centrale inertielle PV-300 fournie par le PO Korpouss de Saratov (sous-traitant du NPTs AP) [5].

A un certain moment, le PV-300 a été remplacé par une plate-forme innovante, développée par le NPTs AP, qui utilise à la fois les guidages inertiel et satellitaire. Cette plate-forme autorise une très grande précision d'injection sur orbite. Elle est constituée de :

   - deux centrales inertielles redondantes, avec des unités de mesure indépendantes,
   - deux récepteurs GLONASS/GPS redondants,
   - deux capteurs stellaires redondants (BOKZ), qui n'ont pour l'instant jamais été utilisés.

Fig. E2 : La plate-forme à guidage hybride du NPTs AP.
Farnborough 2012. Crédit : Nicolas PILLET.

Cette plate-forme équipe tous les étages Fregat depuis le vol du 17 septembre 2009 [9]. Lors ce cette mission inaugurale, elle a fonctionné en mode télémétrie, c'est à dire qu'elle envoyait des données au sol pour analyse, mais ne participait pas au contrôle-commande de la mission. A terme, elle sera également capable de fournir des informations issues des capteurs stellaires BOKZ.

L'ordinateur de bord et ses instruments de mesure sont situés dans le compartiment des instruments n°2 (PO2), l'une des six sphères qui constituent la structure principale du Fregat. Sur les premiers Fregat, le couvercle du PO2 était en aluminium. Mais il a ensuite été remplacé par un modèle plus léger en alliage de magnésium (premier vol le 2 juin 2003) [1].

Pour assurer un bon fonctionnement des différents systèmes électroniques, le PO2 est pressurisé (la pression doit être maintenue entre 1000mmHg et 1250mmHg). De plus un système de régulation thermique (STR) permet de maintenir la température du compartiment entre 0°C et 40°C [2].

Nota : A un moment donné de leur exploitation, les étages Fregat étaient équipés de gyroscopes appelés TsE99-1EA, fournis par l'usine Zvezda, filiale du NPTs AP située dans la ville fermée de Solnietchnyi, dans la Région de Tver [8].

Fig. E3 : Le gyroscope TsE99-1EA.
Crédit : Zvezda.

F. Le système de télémétrie

Le système de télémétrie principal

L'étage supérieur Fregat est équipé d'un système de télémétrie dont le rôle est d'enregistrer toutes les données des différents capteurs, numériques ou analogiques, et de les envoyer au sol par radio.

Ce système est situé dans l'une des six sphères qui constituent l'étage Fregat, appelée Compartiment des Instruments n°1 (PO1), et dont l'emplacement est montré sur la figure A1. Sur les premiers étages Fregat, le PO1 était pressurisé, mais à partir du vol du 13 août 2005, il est modifié pour fonctionner sous vide.

Le système de télémétrie des premiers Fregat était le BR-91TsK-M4, développé par la société IRZ, basée à Izhevsk, en Oudmourtie. Après seulement cinq vols, il a été remplacé par un nouveau modèle, plus performant et plus léger, le BR-9TsK-1, qui a fait son premier vol le 27 décembre 2003 [1]. Le BR-9TsK-1 est constitué des éléments suivants [4] :

Fig. F1 : Les différents éléments du BR-9TsK-1.
Crédit : IRZ.

- un boîtier central TsB-4, qui sert à la fois de boîtier de commutation et d'unité de stockage,
- deux commutateurs LK-M, qui servent à collecter et à convertir l'ensemble des données des capteurs numériques et analogiques,
- deux boîtiers de mesure de températures SIT-PM, qui collectent et convertissent les données des différents capteurs de températures,
- deux boîtiers PPZU-M qui mémorisent les données des commutateurs LK-M,
- un boîtier d'alimentation BKPK, qui fournit la puissance aux autres matériels.

Fig. F2 : De gauche à droite : le TsB-4, le LK-M, le SIT-PM, le PPZU-M et le BKPK.
Crédit : IRZ.

Le système de télémétrie est activé 52 minutes avant l'instant du décollage (H0, ou "KP" en Russe). Son horloge interne démarre lorsqu'elle reçoit le signal OTP (Окончание Точного Приведения), qui est envoyé à H0-5,6". Les deux antennes (FAM3 et FAM4) sont déployées après que le Fregat soit séparé du troisième étage du lanceur Soyouz (Bloc I), à H0+530". La séparation du troisième étage est détectée par deux capteurs (KO1 et KO2).

La transmission des données au sol se fait par l'intermédiaire du système de télécommunications 38G6.

Le système de télémétrie acoustique

L'étage Fregat possède un second système de télémétrie, totalement indépendant du premier. C'est le BR-91TsK-M6, dont le rôle est de transmettre des données sur l'environnement acoustique et vibratoire auquel est soumise la charge utile [2]. Ce système est activé 30 minutes avant l'instant du décollage (KP).

G. Alimentation électrique

L'étage Fregat est équipé de deux batteries au lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl2) fixées sur la paroi extérieure de deux des quatre réservoirs d'ergols (cf. Fig. A1 et A3). Il s'agit de batteries 9ER14PS-20 fournies par la société Orion-KhIT, basée à Novotcherkassk, dans le sud de la Russie.

Fig. G1 : Batterie 9ER14PS-20.
Crédit : Orion-KhIT.

Ce sont des batteries 31V capable d'accumuler une charge de 100A.h. Elles ont une masse de 15kg chacune [6]. Les deux exemplaires du Fregat sont appelé KhIT1-1 et KhIT2-1.

Notons que le Fregat n°1017 a été gravement endommagé lors d'un essai au sol où l'une de ses batteries KhIT a explosé. Il sera par la suite complètement démantelé, et remplacé par le Fregat n°1015-2, qui volera le 14 décembre 2007.

H. Versions

L'étage Fregat existe en plusieurs versions, dont les principales caractéristiques sont données dans le tableau 3.

Version Particularités Diamètre (mm) Masse
à vide (kg)
Masse
d'ergols (kg)
Lanceurs
Fregat 3350 1100 5090 Soyouz-U
Fregat
(1er lot de modif.)
- PO2 à couvercle en magnésium. 3350 1100 5090 Soyouz-FG
Fregat
(2ème lot de modif.)
- Système de télémétrie BR-9TsK-1. 3350 1100 5090 Soyouz-FG
Fregat
(3ème lot de modif.)
- S5.92 à tuyère allongée,
- un seul réservoir d'hydrazine,
- PO1 non pressurisé,
- barres en bore-aluminium.
3350 980 5090 Soyouz-FG
Soyouz-2.1a
Soyouz-2.1b
Soyouz-ST-A
Fregat
(4ème lot de modif.)
- Ordinateur de bord Bisser-6 3350 930 5090 Soyouz-FG
Soyouz-2.1a
Soyouz-2.1b
Soyouz-ST-A
Fregat-M - PO1 réaménagé 3350 5250 Soyouz-2.1a
Soyouz-2.1b
Fregat-MT - Réservoirs supplémentaires (DE)
- PKhO allégé
3920 1050 7100 Soyouz-ST-B
Fregat-SB - Réservoir torique largable (SBB) 3870 1410 10150 Zenit-2SB80
Tableau 3 : Comparaison des différentes versions de l'étage supérieur Fregat.

Bibliographie

[1] ASSIOUCHKINE, V., Модернизация разгонного блока "Фрегат", Vestnik n°2-2009
[2] Окончательный отчет о запуске КА Метоп-А: результаты полета РБ Фрегат и переходного отсека, note technique STARSEM
[3] Article Wikipedia sur l'hydrazine
[4] Site Internet de IRZ : http://www.irz.ru
[5] UMANSKI, S., Ракеты-носители и космодромы
[6] Site Internet de Orion-KhIT : http://www.orion-hit.ru
[7] Le forum de Novosti Kosmonavtiki
[8] Site Internet de l'usine Zvezda : http://www.zavod-zvezda.ru/produkciya.html
[9] KRASSILNIKOV, A., 50 лет штурманам ракет, NK n°03-2013


Dernière mise à jour : 13 mai 2016