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Coopération avec ArianeGroup dans la technologie des moteurs de fusées

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Publié le mardi 19 mars 2019

L’Université du Luxembourg et le fabricant européen de fusées ArianeGroup signent un accord de collaboration pour promouvoir la recherche dans le domaine des systèmes de propulsion. 

Ce projet de deux ans a pour objet de réduire le coût de lancement des fusées. La recherche est financée par ArianeGroup et le Fonds National de la Recherche (FNR) du Luxembourg.

Les fluides cryogéniques et leurs défis

Les propergols cryogéniques tels que l’oxygène liquide et l’hydrogène liquide sont largement utilisés dans les systèmes de propulsion spatiale en raison de leur efficacité supérieure et de leur toxicité inférieure à celles d’autres propergols. Pour qu’ils restent à l’état liquide, ces carburants doivent être stockés à des températures extrêmement basses. Le moteur de la fusée, ses soupapes et ses lignes d’alimentation doivent néanmoins pouvoir fonctionner correctement lorsqu’ils sont en contact avec les carburants extrêmement froids. Pour assurer le bon fonctionnement du moteur, plusieurs composants doivent être refroidis jusqu’à obtention de la température des fluides cryogéniques avant le lancement.

Un processus complexe de transfert de chaleur, appelé refroidissement, est engagé avant le lancement afin de garantir le fonctionnement à la même température des propergols et du système technique. Avant l’allumage, les propergols sont introduits dans la soupape d’alimentation principale du moteur de la fusée. Après son complet refroidissement, la soupape peut être ouverte en toute sécurité, ce qui permet aux propergols de pénétrer dans le moteur pour l’allumage.

Ce processus complexe constitue un défi pour les ingénieurs aéronautiques et les entreprises aérospatiales en raison de la difficulté de déterminer avec précision le temps nécessaire au refroidissement du moteur et de ses composants. « Actuellement, aucun modèle ne peut prédire avec exactitude ce processus de transfert de chaleur cryogénique. Cela nous oblige à réaliser de longs essais sur les composants, tout en recourant à des estimations d’ingénierie avec des marges de sécurité élevées. Par conséquent, les essais coûtent très chers, tandis que les délais de développement sont très longs. Par ailleurs, cela implique une consommation accrue de propergols ou de liquides cryogéniques de substitution durant la préparation du vol, ce qui augmente le coût du lancement », déclare le Dr. Sebastian Soller d’ArianeGroup.

Une expertise remarquable en matière d’analyse thermique

L’Université du Luxembourg et ArianeGroup ont établi un partenariat public/privé afin d’étudier, de manière expérimentale et au moyen de simulations par ordinateur, le processus de transfert de chaleur entre le propergol cryogénique et la soupape. « Notre équipe est composée d’experts dans le domaine de l’analyse thermique et de la dynamique des fluides. Pour commencer, nous allons décortiquer le processus afin d’obtenir des données sur le refroidissement de la soupape. Puis nous élaborerons des modèles fiables et précis pour réaliser des estimations sur le processus de transfert de chaleur permettant le refroidissement utilisé sur les moteurs des fusées Ariane 6 », explique le Professeur Stephan Leyer, directeur de la Research Unit in Engineering Sciences (RUES). Il a initié le projet en collaboration avec le chercheur postdoctorant Edder Jose Rabadan Santana.

Ce projet a pour objectif d’intégrer les modèles de transfert de chaleur obtenus au processus d’ingénierie d’ArianeGroup afin d’optimiser la conception des soupapes cryogéniques et de réduire le coût des essais et les délais de développement.

Activités spatiales en pleine expansion

Cette nouvelle collaboration s’ajoute au nombre croissant d’activités en lien avec l’espace de l’Université du Luxembourg, telles que le nouveau Interdisciplinary Space Master (ISM), qui débutera en septembre 2019. « Avec ce nouveau projet, l’Université du Luxembourg démontre son expertise de haut niveau dans le domaine de la technologie spatiale en travaillant avec le leader européen de l’accès à l’espace, et contribue également à faire du Luxembourg une puissance spatiale », analyse Stéphane Pallage, recteur de l’Université du Luxembourg.

Photo : © Arianespace