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Les ergols cryogéniques 

Présentation des ergols cryogéniques :

Les ergols cryogéniques sont très performants. Le couple d’ergols le plus utilisé, H2 et O2 liquides, génère des gaz très chauds, éjectés 50 % plus vite qu’avec les autres moteurs, ce qui équivaut à un gain de consommation. En contrepartie, plusieurs particularités rendent cette propulsion délicate à mettre en œuvre :

  • Les très basses températures indispensables pour maintenir liquides les ergols, compliquent leur stockage, leur manipulation, l’alimentation des moteurs et limitent le choix des matériaux ;

  • La présence d’un allumeur puissant pour déclencher la combustion est indispensable ;

  • L’extrême légèreté de l’hydrogène, même liquéfié (70 g par litre), impose des réservoirs très volumineux et des turbopompes très complexes, très puissantes et tournant à très grande vitesse, afin d’obtenir les pressions et les débits voulus.

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Mise à feu du moteur Vulcain, de l'étage principal cryotechnique du lanceur Ariane 5 (doc. CNES)

Réactifs :

L’hydrogène liquide ou LH2 est le combustible.

L’oxygène liquide ou LOx est le comburant.

Réaction chimique :

2 H2 (g)+ O2 (g)   - > 2 H2O (g)

Les réactifs sont vaporisés et réchauffés avant d’être mélangés.

Environnement et sécurité :

Ces deux ergols sont extrêmement complexes à stocker à l’état liquide : L’hydrogène liquide est maintenu à une température de 20 K (-253 °C), l’oxygène liquide est maintenu à une température de 90 K (-183 °C). La préparation et la liquéfaction de l’Hydrogène et de l’oxygène se font sur place (au Centre Spatial Guyanais). En cas de fuite, H2 (l) et O2 (l) sont susceptibles de donner une réaction particulièrement explosive (réaction hypergolique) qui est à l’origine du drame de la navette Challenger en1986.

Production des fluides cryogéniques.

L’hydrogène et l’oxygène liquides sont produits à Kourou par Air Liquide Spatial Guyane.

La production de l’hydrogène liquide (-253 °C) se fait par reformage catalytique du méthanol provenant de Trinidad (procédé Grande Paroisse).

CH3OH + H2O   - > CO2 + 3 H2

L’opération se fait en trois phases :
- fabrication
- purification par adsorption sur du charbon actif
- liquéfaction.

La propulsion spatiale exige un produit très pur : la pureté obtenue peut dépasser 99,9999 %.

L’unité de production de Kourou fournit 10 millions de litres par an.

Remarques : l’hydrogène liquide est incolore, inodore, non toxique mais très inflammable. Le méthanol est un composé classé toxique (étiqueté T). Les teneurs admises dans l’air sont de 200 ppm pour une exposition quotidienne de 8 heures.

La production de l’oxygène liquide (-183 °C) se fait par distillation de l’air liquide. L’oxygène liquide est bleu pâle, inodore, non toxique et très réactif.

L’hélium liquide (-270 °C) est reçu directement liquéfié. Ce gaz a la température d’ébullition la plus basse. Son absence de viscosité à très basse température est remarquable. Il est très peu réactif : il est utilisé pour pressuriser les ergols liquides en haut des réservoirs et pour commander certaines vannes.

L’hélium est extrait de sources de gaz naturel.