Une manière de contrôler les coûts consiste à optimiser la combustion de carburant pendant le décollage afin de minimiser les pertes. Une vanne de régulation de carburant de conception spéciale garantit une performance optimale dans ce cas. Cette vanne est actionnée par des servomoteurs fiables et robustes fabriqués par FAULHABER.
Les lanceurs modernes consomment du carburant pour fusées RP-1, un type extrêmement raffiné de kérosène qui doit être mélangé à de l'oxygène pour la combustion. Dans le lanceur, des tuyaux de 10 centimètres de diamètre partent des réservoirs de RP-1 et d'oxygène liquide (LOX) et se rejoignent avant d'entrer dans la chambre de combustion.
La chimie de combustion du RP-1 n'est pas critique. Le carburant ne brûle jamais sans oxygène, et en présence d'oxygène, les proportions entre les deux éléments ne sont pas forcément soumises à un rapport précis. Cependant, le problème est que, si les proportions entre LOX et RP-1 ne sont pas parfaites, soit l'oxygène sera épuisé avant le carburant, soit l'inverse, et que, une fois la combustion terminée, les restes constitueront un lest indésirable. Pour éviter que cela se produise, la vanne de régulation du carburant ajuste le mélange en temps réel.
Le système de régulation du carburant est constitué d'une vanne papillon à servomoteur. Afin d'obtenir une vitesse et un couple appropriés, l'unité est équipée d'un réducteur planétaire permettant d'atteindre un rapport de réduction d'environ 151:1, ainsi que d'un engrenage supplémentaire à l'intérieur de l'appareil. L'équipe de développeurs a doté chacun des composants d'une importante marge de sécurité afin de les protéger contre les défaillances les plus communes. L'arbre du moteur est directement couplé à la vanne et permet de réaliser des ajustements fins.
Conditions de fonctionnement extrêmes
Exactitude mise à part, la plupart des applications à servomoteurs exigent souvent un couple élevé, une grande vitesse ou une forme compacte. Dans le cas de la vanne de régulation du carburant, la principale exigence imposée aux moteurs était simple : ils devaient supporter le décollage. Des chocs et vibrations extrêmes se produisent en particulier au premier étage. Pendant les près de 3 minutes de combustion à un étage de fusée, le moteur génère une poussée de 440 000 kN environ et la vanne de régulation du carburant installée directement à côté est, par conséquent, soumise à des forces très importantes.
Quand l'équipe d'ingénieurs s'est mise à la recherche des meilleurs composants pour la vanne de régulation du carburant, les tests de vibration réalisés ont provoqué la défaillance de tous les moteurs les uns après les autres. Afin de réduire le nombre de points faibles à un minimum, l'équipe a remplacé les moteurs à balais contre des moteurs sans balais. Dans ce contexte, le critère principal était de savoir si le moteur était en mesure de survivre dans de telles conditions de fonctionnement. En d'autres termes, le réducteur devait être capable de résister à la charge, les capteurs à effet de Hall ne devaient pas être endommagés, bref, l'environnement extrême dans lequel ils étaient voués à travailler ne donnait pas le droit à l'erreur. C'est en cherchant un fabricant dont les moteurs pouvaient survivre à ces supplices que les ingénieurs sont tombés sur FAULHABER.
Les moteurs de fusée génèrent non seulement des vibrations, cela va de soi, mais aussi de la chaleur. Toutefois, la gestion de la chaleur, contrairement à ce que l'on pourrait penser, ne pose pas de problème particulier dans cette application. La chaleur est en grande partie évacuée par rayonnement et par réflexion. Il est intéressant de noter que le problème n'est pas lié aux hautes températures, mais plutôt aux basses. Pendant le fonctionnement du deuxième étage, le moteur peut s'allumer pour une durée courte seulement, par exemple. Le lanceur peut continuer alors son vol pendant jusqu'à 45 minutes avant qu'une deuxième phase de combustion n'ait lieu. À ce moment-là, la fusée se trouve hors de l'atmosphère, où les températures sont très basses.
Dans la mesure du possible, il s'agit d'essayer de travailler avec des composants en stock afin de contrôler les coûts et les délais de production. FAULHABER n'a pas eu besoin de déployer d'efforts supplémentaires pour augmenter la robustesse de ses moteurs pour l'application : l'équipe de développement a simplement commandé des produits standard.
Les ingénieurs ont également profité du programme de prototypage express de FAULHABER qui leur a permis d'obtenir très rapidement les échantillons nécessaires.
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