Vulcain 1 no Museu de Artes e Ofícios (Paris)
Tipo de motor | Gerador de gás de ciclo aberto |
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Ergols | Oxigênio líquido e hidrogênio |
Impulso | 1350 kN (no vácuo) |
Velocidade de ejeção | 4000 m / s |
Pressão da câmara de combustão | 115 bares |
Impulso específico | 434 s |
Re-ignição | Não |
Impulso modular | 90 a 105% |
Motor dirigível | 6 ° (hidráulico) |
Motor reutilizável | Não |
Massa | 2.040 kg |
Altura | 3,60 m |
Diâmetro | 2,15 m |
Relação empuxo / peso | 150 |
Relatório de seção | 58,5 |
Duração da operação | 450 s |
Modelo descrito | 2005 |
usar | Primeiro andar |
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Lançador | Ariane 5 |
Primeiro voo | 2002 |
Status | Em produção |
País | França |
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Construtor | Snecma , ArianeGroup , ... |
O Vulcain é um motor de foguete criogênico que impulsiona o estágio principal criogênico (EPC) do lançador europeu Ariane 5 . Embora colocado em operação em solo por motivos técnicos, fornece apenas cerca de 10% do empuxo produzido na decolagem, sendo utilizado principalmente durante a segunda fase de vôo, após o lançamento dos dois propulsores laterais, ou etapas do vôo. 'aceleração de pólvora (EAP ou P230), fornecendo 90% do empuxo na decolagem. Ele também alimentará o palco principal do Ariane 6 .
Existem várias versões deste mecanismo:
Seu "V" inicial vem da cidade de Vernon , onde é projetado e produzido.
O desenvolvimento do Vulcain começou em 1988 , na sequência do lançamento do programa Ariane 5 pelos ministros europeus na conferência de Haia , e foi assegurado pela cooperação europeia. O CNES assegurou a gestão técnica e financeira do programa e confiou a gestão do projecto à Sociedade Europeia de Propulsão . Todo o programa foi financiado pela Agência Espacial Europeia .
Após o teste de componentes, o teste do motor começou em abril de 1990 . No momento do primeiro voo, o4 de junho de 1996, o motor Vulcain acumulou experiência de 285 testes, totalizando 85.000 segundos de operação.
De acordo com os princípios da ESA , muitos fabricantes estão envolvidos no programa:
A completa medidas motor 3 m , para um diâmetro na saída do bocal de 1,76 m e uma massa de 1685 kg . Ele operará durante o vôo normal por cerca de 10 minutos. Durante o lançamento, é testado na plataforma de lançamento por cerca de 7 segundos: em caso de anomalia, é interrompido e o lançamento é adiado, mas, se todos os sistemas responderem corretamente, os EAPs são ligados e o Ariane 5 leva desligado instantaneamente. Sua vida útil máxima é de 6.000 segundos e 20 partidas.
O impulso produzido é transmitido ao palco por meio de uma estrutura metálica triangular que sustenta o motor. Sua parte superior é envolta em proteção térmica, de forma a isolá-la da radiação produzida pelos escapamentos dos dois EAPs.
O funcionamento do Vulcain é baseado no ciclo de bypass , no qual as turbobombas que alimentam a câmara de combustão são acionadas pela combustão, em um único gerador a gás, dos propelentes (3%) retirados do circuito principal. Um forte excesso de hidrogênio tem o efeito de limitar a temperatura dos gases, ao mesmo tempo que os torna redutores, de forma a proteger as pás da turbina.
O motor é fornecido com propelentes de alta pressão por duas turbobombas independentes:
O motor Vulcain recebe 200 L de oxigênio e 600 L de hidrogênio por segundo dessas bombas . Estão presentes válvulas, acionadas por cilindros pneumáticos alimentados com hélio gasoso por meio de válvulas solenóides. A relação de mistura pode ser alterada comutando a válvula de alimentação da bomba turbo de oxigênio, que reserva a possibilidade de levar ao esgotamento quase simultâneo dos dois reservatórios.
O empuxo de 1140 kN (114 toneladas) é obtido pela ejeção em alta velocidade do fluxo de gás (250 kg / s a 3300 ° C sob uma pressão de 110 bar) produzido pela combustão dos propelentes na câmara de combustão. O oxigênio líquido (LOX) e o hidrogênio líquido (LH2) são introduzidos na câmara através de um injetor frontal 516 que consiste em elementos coaxiais. Devido à alta temperatura de combustão, a câmara é resfriada pela circulação de hidrogênio líquido (a −250 ° C ) em 360 canais longitudinais usinados na parede.
A parte divergente garante a aceleração dos gases em modo supersônico até 4000 m / s . É composto por 456 pequenos tubos soldados de 4 x 4 mm e espessura de 0,4 mm , enrolados em hélice e resfriados pela circulação de hidrogênio . Em seguida, formam um filme que resfria as paredes internas, de acordo com o chamado processo de resfriamento por despejo . Sua orientação é garantida por cilindros pneumáticos alimentados com hélio . O gás é armazenado a uma pressão de 390 bares em dois 300- litros tanques , feita de carbono e titânio compósito .
O motor é ligado do solo para que seu funcionamento seja verificado antes que os estágios de pólvora do lançador sejam acesos e decolados, o que leva aproximadamente sete segundos. É fornecido por um starter de pó , que acelera as bombas turbo, e ignitores pirotécnicos iniciam a combustão na câmara e no gerador.
O Vulcain 2 é uma otimização do primeiro Vulcain, trazendo o empuxo para 1350 kN . Sua altura chega a 3,60 m , para um diâmetro na saída do bocal de 2,15 m . A turbobomba de hidrogênio desenvolve uma potência de 14 MW .
Este novo motor aumenta a capacidade de carga do Ariane 5 ECA em quase 20 % em comparação com a versão anterior, ou seja, 1,3 toneladas adicionais. Como motor criogênico, ele queima uma mistura de hidrogênio líquido (LH2) e oxigênio líquido (LOX), sendo este último fornecido a uma pressão de 161 bar por uma nova turbobomba italiana girando a 13.000 rpm . Também é dotado de um novo bico, desenvolvido pela Volvo Aero, que permite a reinjeção dos gases provenientes da turbina da turbo-bomba. Também é alongado em 50 cm , a fim de melhorar a taxa de expansão dos gases na saída.
As tensões mecânicas e térmicas que reinam lá dentro são enormes (mais de 3000 ° C ) e exigiram muitas horas de desenvolvimento. A maior diferença entre o Vulcain 2 e o primeiro vem do resfriamento de seu bico, que agora é composto apenas por 288 tubos circulares de 4 x 6 mm de diâmetro e 0,6 mm de espessura. A redução no número de soldas teve como objetivo diminuir o tempo de produção de 13 para apenas 5 semanas, além de reduzir os custos de fabricação. Infelizmente, é esta novidade no bico que levará à perda da 17 ª Ariane 5, a do vôo 517 , que era para inaugurar a versão ECA, mas que terminará no Oceano Atlântico .
Durante os testes de qualificação, já haviam surgido trincas nas tubulações de resfriamento, mas elas foram reparadas dentro dos padrões de qualidade necessários. Infelizmente, apenas as condições reais de vôo podem revelar um sério problema de projeto com um motor de foguete desse tipo. E foi exatamente isso que aconteceu durante o vôo 517 do Ariane 5 : essas rachaduras voltaram a se manifestar e levaram ao aparecimento de um fenômeno de flambagem, que então abriu um orifício na parede do bico. As cargas térmicas e dinâmicas em altitude eram maiores do que o bico poderia suportar, mas infelizmente as simulações não puderam detectá-las durante os testes de solo.
Na sequência deste incidente, a comissão de inquérito, que estabeleceu as causas da falha do lançador, pediu à SNECMA para melhorar a qualidade de fabrico dos motores Vulcain 2, bem como para modificar o seu circuito de arrefecimento., Além disso com base no feedback do Vulcain 1 , até então exemplar.
O motor também sofreu algumas falhas de ignição na partida, por exemplo, o 30 de março de 2011, durante a primeira tentativa de lançamento do foguete Ariane 5 ECA do vôo V-201. A segurança de inicialização funcionou bem e os EAPs não ligaram. O lançamento foi adiado até22 de abril e desta vez correu sem problemas.
Versão | Vulcan 1 (Vulcan 1B) | Vulcan 2 | Vulcan 2.1 |
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Altura | 3 m | 3,45 m | 3,7 m |
Diâmetro | 1,76 m | 2,10 m | 2,5 m |
Massa | 1.686 kg | 2.100 kg | 2.000 kg |
Propelentes | Oxigênio líquido (LOX) e hidrogênio líquido (LH2) em uma proporção de 5,9: 1 | Oxigênio líquido (LOX) e hidrogênio líquido (LH2) em uma proporção de 6,1: 1 | Oxigênio líquido (LOX) e hidrogênio líquido (LH2) em uma proporção de 6,03: 1 |
Velocidade de rotação das turbobombas | 11.000 a 14.800 rpm (LOX) resp. 28.500 a 36.000 rpm (LH2) | 11.300 a 13.700 rpm (LOX) resp. 31.800 a 39.800 rpm (LH2) | 12.300 rpm (LOX)
36.500 rpm (LH2) |
Potência da turbobomba | 2,0 a 4,8 MW (LOX) resp. 7,4 a 15,5 MW (LH2) | 3,7 a 6,6 MW (LOX) resp. 9,9 a 20,4 MW (LH2) | |
Pressão na câmara de combustão | 100 bar ( 110 bar) | 115 bar | 118 bar |
Empurrado para o vazio | 1120 kN (1140 kN ) | 1340 kN | 1371 kN |
Impulso no solo | 815 kN | 960 kN | |
Impulso específico no vácuo | 431,2 s | 434,2 s | |
Relatório de seção | 45 | 58,3 | |
Velocidade de ejeção no vácuo ( SI ) | 4.230 m / s | 4.260 m / s |