Tipo di motore | Generatore di gas a ciclo aperto |
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Ergols | Ossigeno liquido e idrogeno |
Spinta | 1350 kN (nel vuoto) |
Velocità di espulsione | 4000 m / s |
Pressione della camera di combustione | 115 bar |
Impulso specifico | 434 s |
Riaccensione | No |
Spinta modulare | Dal 90 al 105% |
Motore orientabile | 6 ° (idraulico) |
Motore riutilizzabile | No |
Massa | 2.040 kg |
Altezza | 3,60 m |
Diametro | 2,15 m |
Rapporto spinta / peso | 150 |
Rapporto di sezione | 58.5 |
Durata dell'operazione | 450 s |
Modello descritto | 2005 |
uso | Primo piano |
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Launcher | Ariane 5 |
Primo volo | 2002 |
Stato | In produzione |
Nazione | Francia |
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Costruttore | Snecma , ArianeGroup , ... |
Il Vulcain è un motore a razzo criogenico che aziona lo stadio principale criogenico (EPC) del lanciatore europeo Ariane 5 . Pur essendo messo in funzione a terra per motivi tecnici, fornisce solo circa il 10% della spinta prodotta al decollo, ed è utilizzato principalmente durante la seconda fase di volo, dopo il rilascio dei due booster laterali, o stadi del volo. 'accelerazione su polvere (EAP o P230), fornendo il 90% della spinta al decollo. Alimenterà anche il palco principale di Ariane 6 .
Esistono diverse versioni di questo motore:
La sua iniziale "V" proviene dalla città di Vernon , dove viene progettata e prodotta.
Lo sviluppo del Vulcain è iniziato nel 1988 , in seguito al lancio del programma Ariane 5 da parte dei ministri europei alla conferenza dell'Aia , ed è stato assicurato dalla cooperazione europea. Il CNES ha fornito la gestione tecnica e finanziaria del programma e ha affidato la gestione del progetto alla Società europea di propulsione . L'intero programma è stato finanziato dall'Agenzia spaziale europea .
Dopo il test dei componenti, i test del motore sono iniziati nell'aprile 1990 . Al momento del primo volo, il4 giugno 1996, il motore Vulcain ha accumulato un'esperienza di 285 test, per un totale di 85.000 secondi di funzionamento.
In conformità con i principi ESA , molti produttori sono coinvolti nel programma:
Il motore completo misura 3 m , per un diametro all'uscita dell'ugello di 1,76 me una massa di 1685 kg . Funzionerà durante il volo normale per circa 10 minuti. In fase di lancio viene testato sulla rampa di lancio per circa 7 secondi: in caso di anomalia viene tagliato e il lancio viene posticipato, ma, se tutti i sistemi rispondono correttamente, gli EAP si accendono e Ariane 5 decolla istantaneamente. La sua durata massima è di 6000 secondi e 20 avviamenti.
La spinta prodotta viene trasmessa al palco tramite una struttura triangolare metallica che sostiene il motore. La sua parte superiore è racchiusa in una protezione termica, in modo da isolarla dalla radiazione prodotta dagli scarichi dei due EAP.
Il funzionamento del Vulcain si basa sul ciclo di bypass , in cui le turbopompe che alimentano la camera di combustione sono azionate dalla combustione, in un unico generatore di gas, dei propellenti (3%) prelevati dal circuito principale. Un forte eccesso di idrogeno ha l'effetto di limitare la temperatura dei gas, facendoli ridurre, così da proteggere le pale della turbina.
Il motore è alimentato con propellenti ad alta pressione da due turbopompe indipendenti:
Il motore Vulcain riceve 200 L di ossigeno e 600 L di idrogeno al secondo da queste pompe . Sono presenti valvole azionate da cilindri pneumatici alimentati con elio gassoso tramite elettrovalvole. Il rapporto di miscelazione può essere modificato commutando la valvola di alimentazione della turbopompa ossigeno, che si riserva la possibilità di portare all'esaurimento quasi simultaneo dei due serbatoi.
La spinta di 1140 kN (114 tonnellate) si ottiene ad alta velocità di espulsione del flusso di gas (250 kg / s a 3300 ° C sotto una pressione di 110 bar) prodotta dalla combustione dei propellenti nella camera di combustione. L' ossigeno liquido (LOX) e l'idrogeno liquido (LH2) vengono introdotti nella camera attraverso un iniettore frontale 516 costituito da elementi coassiali. A causa dell'elevata temperatura di combustione, la camera viene raffreddata facendo circolare idrogeno liquido (a −250 ° C ) in 360 canali longitudinali ricavati nella parete.
La parte divergente garantisce l'accelerazione dei gas in modalità supersonica fino a 4000 m / s . È costituito da 456 piccoli tubi saldati di 4 x 4 mm , e 0,4 mm di spessore , avvolti elicoidalmente e raffreddati dalla circolazione di idrogeno . Quindi formano una pellicola che raffredda le pareti interne, secondo il cosiddetto processo di raffreddamento a scarico . Il suo orientamento è garantito da cilindri pneumatici alimentati con elio . Il gas viene immagazzinato alla pressione di 390 bar in due serbatoi da 300 litri, realizzati in composito di carbonio e titanio .
Il motore viene avviato da terra, in modo che il suo funzionamento possa essere controllato prima che gli stadi di polvere del lanciatore vengano accesi e decollino, il che richiede circa sette secondi. È fornito da un dispositivo di avviamento in polvere , che accelera le turbopompe, e gli accenditori pirotecnici avviano la combustione nella camera e nel generatore.
Il Vulcain 2 è un'ottimizzazione del primo Vulcain, portando la spinta a 1350 kN . La sua altezza raggiunge i 3,60 m , per un diametro all'uscita dell'ugello di 2,15 m . La turbopompa a idrogeno sviluppa una potenza di 14 MW .
Questo nuovo motore aumenta la capacità di carico utile di Ariane 5 ECA di quasi il 20 % rispetto alla vecchia versione, ovvero di ulteriori 1,3 tonnellate. Come motore criogenico, brucia una miscela di idrogeno liquido (LH2) e ossigeno liquido (LOX), quest'ultimo erogato alla pressione di 161 bar da una nuova turbopompa italiana rotante a 13.000 giri / min . Inoltre è dotato di un nuovo ugello, sviluppato da Volvo Aero, che permette di reiniettare i gas provenienti dalla turbina della turbopompa. Inoltre è allungato di 50 cm , al fine di migliorare la velocità di espansione dei gas in uscita.
Le sollecitazioni meccaniche e termiche che vi regnano all'interno sono enormi (oltre 3000 ° C ) e hanno richiesto molte ore di sviluppo. La più grande differenza tra il Vulcain 2 e il primo deriva dal raffreddamento del suo ugello, che ora è composto solo da 288 tubi circolari di 4 x 6 mm di diametro e 0,6 mm di spessore. La riduzione del numero di saldature mirava a ridurre i tempi di produzione da 13 a sole 5 settimane, oltre a ridurre i costi di produzione. È purtroppo questa novità in boccia che porterà alla perdita del 17 ° Ariane 5, quello del volo 517 , che doveva inaugurare la versione ECA ma che finirà nell'Oceano Atlantico .
Durante le prove di qualificazione, erano già apparse crepe nei tubi di raffreddamento, ma erano stati riparati secondo gli standard di qualità necessari. Sfortunatamente, solo le condizioni di volo reali possono rivelare un serio problema di progettazione con un motore a razzo di questo tipo. Ed è proprio quello che è accaduto durante il volo 517 di Ariane 5 : queste crepe si sono nuovamente manifestate e hanno portato alla comparsa di un fenomeno di instabilità, che ha poi aperto un foro nella parete dell'ugello. I carichi termici e dinamici in quota erano maggiori di quanto poteva sopportare l'ugello, ma purtroppo le simulazioni non sono riuscite a rilevarli durante le prove a terra.
A seguito di questo incidente, la commissione d'inchiesta, che aveva stabilito le cause del guasto del lanciatore, ha chiesto a SNECMA di migliorare la qualità costruttiva dei motori Vulcain 2, nonché di modificarne il circuito di raffreddamento, peraltro sulla base del feedback del Vulcain 1 , fino ad allora esemplare.
Il motore ha anche subito alcune mancate accensioni all'avviamento, ad esempio il 30 marzo 2011, durante il primo tentativo di lancio del razzo Ariane 5 ECA dal volo V-201. La sicurezza di avvio ha funzionato correttamente e gli EAP non si sono attivati. Il lancio è stato rinviato a22 aprile e questa volta è andata senza intoppi.
Versione | Vulcano 1 (Vulcano 1B) | Vulcano 2 | Vulcano 2.1 |
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Altezza | 3 m | 3,45 m | 3,7 m |
Diametro | 1,76 m | 2,10 m | 2,5 m |
Massa | 1,686 kg | 2.100 kg | 2.000 kg |
Propellenti | Ossigeno liquido (LOX) e idrogeno liquido (LH2) in un rapporto di 5,9: 1 | Ossigeno liquido (LOX) e idrogeno liquido (LH2) in un rapporto 6,1: 1 | Ossigeno liquido (LOX) e idrogeno liquido (LH2) in un rapporto di 6,03: 1 |
Velocità di rotazione della turbopompa | Da 11.000 a 14.800 giri / min (LOX) risp. Da 28.500 a 36.000 giri / min (LH2) | Da 11.300 a 13.700 giri / min (LOX) risp. Da 31.800 a 39.800 giri / min (LH2) | 12.300 giri al minuto (LOX)
36.500 giri / min (LH2) |
Potenza turbopompa | Da 2,0 a 4,8 MW (LOX) risp. Da 7,4 a 15,5 MW (LH2) | Da 3,7 a 6,6 MW (LOX) risp. Da 9,9 a 20,4 MW (LH2) | |
Pressione in camera di combustione | 100 bar ( 110 bar) | 115 bar | 118 bar |
Spinto nel vuoto | 1120 kN (1140 kN ) | 1340 kN | 1371 kN |
Spinta al suolo | 815 kN | 960 kN | |
Impulso specifico nel vuoto | 431.2 s | 434.2 s | |
Rapporto di sezione | 45 | 58.3 | |
Velocità di espulsione nel vuoto ( SI ) | 4.230 m / s | 4.260 m / s |