Le moteur RD-171MV: le plus puissant moteur à ergols liquides au monde

Voici la traduction en français d'un sujet paru dans Roussky Kosmos, le magazine de Roscosmos (Traduction libre par Kosmosnews.fr).

L'industrie spatiale russe a de grands espoirs pour le RD-171MV. Cette modification du moteur-fusée à propergol liquide le plus puissant du monde doit être utilisée dans des programmes spatiaux futurs, y compris pour des vols habités vers la Lune. En mars 2021, une étape importante a été franchie dans la création du RD-171MV: NPO Energomash (qui fait partie de Roscosmos) a terminé avec succès un cycle de huit essais au feu sur banc.

La version originale du moteur RD-170/171, sur la base de laquelle la version actuelle a été développée, a été créée au milieu des années 1970 dans le cadre du programme Energuya/Bourane et a fourni deux lancements de la légendaire fusée super-lourde Energuya. De plus, il a été utilisé avec succès sur la fusée de classe moyenne Zenit jusqu'à sa fin d'opération dans les projets Sea Launch (le dernier lancement a eu lieu en mai 2014) et Land Launch (décembre 2017).

Lorsque la décision a été prise en octobre 2017 de développer le lanceur super lourd Yenisei, le RD-171 est devenu un candidat naturel pour le moteur principal du premier étage. Selon le plan, chacun de ses blocs sera un élément indépendant dans une autre fusée future, mais cette fois de classe moyenne - Soyouz-5. Un complexe de lancement universel pour les transporteurs super-lourds et de classe moyenne sera construit au cosmodrome de Vostochny - d'où la combinaison de lettres MV («Modifiée pour Vostochny») dans le nom du moteur. Le moteur n'ayant pas été fabriqué depuis 2015, Energomash a fait beaucoup de travail pour reprendre la production en série, ce qui peut être comparé à l'organisation d'une nouvelle production.

"Le moteur existe!"

Igor Arbouzov, directeur général de NPO Energomash répond au questions concernant ce moteur:

- Igor Alexandrovich, quel est le résultat des tests? Que signifient-ils pour l'entreprise?

- RD-171MV est l'un de nos projets clés. Les tests, qui ont duré trois mois, ont confirmé les performances du produit et l'exactitude de la conception et des solutions technologiques sélectionnées. Maintenant, sur la base de leurs résultats, nous pouvons dire en toute confiance: oui, le moteur existe!

- Quels analogues étrangers du RD-171MV pouvez-vous nommer? Et quels principes ont été posés lors de sa création?

- Dans l'ensemble, il n'y a pas d'analogues. Les moteurs à ergols liquides étrangers ont une poussée plusieurs fois inférieure. Nous nous dirigeons vers la création d'une fusée super-lourde avec une charge utile de plus de 100 tonnes. Elle volera rarement, et donc le projet intègre le principe mis en œuvre dans le système Energia-Bourane: tous les éléments du lanceur doivent pouvoir être utilisés indépendamment. Les «éléments périphériques» de la fusée super-lourde seront le premier étage du Soyouz-5 avec le RD-171MV, et l'unité centrale est le premier étage modifié du Soyouz-6 avec le RD-180 mis à jour. Ces transporteurs voleront beaucoup plus souvent qu'une fusée super lourde.

- Quels sont vos projets futurs pour le moteur? Quel volume de sortie ciblez-vous?

- Avant même le début des tests, nous avons envoyé un modèle RD-171MV à Samara au RKTs Progress pour qu'il soit monté sur la structure de "Soyouz-5". D'ici la fin de l'année, notre tâche consiste à assembler plusieurs RD-171MV pour divers tests, y compris des tests d'allumage dans le cadre de la première étape. En 2022, nous commencerons à fournir des moteurs d'essais en vol.

Les volumes de production estimés du RD-171MV après 2023 s'élèveront à trois à quatre unités par an. Tout dépendra de la manière dont la demande sur le marché des services de lancement de Soyouz-5 se formera.

- Comment ça se passe dans l'entreprise en général? Qu'est-ce qui va changer avec la création du holding intégré de propulsion?

- Au cours des dernières années, un grand nombre de tâches ont été résolues liées au rééquipement technique, à la modernisation de NPO Energomash. Une étape majeure a été franchie dans le développement technologique, un cluster numérique a été créé. Tout cela, bien sûr, augmente l'efficacité des activités de conception, la production, la qualité des produits et la compétitivité de l'entreprise sur le marché mondial. Littéralement en février, la formation de la structure intégrée du holding des moteurs-fusées a été achevée, ce qui permet de répartir correctement la charge entre les différentes entreprises le composant.

À l'avenir, nous souhaitons utiliser la base de production de NPO Energomash uniquement pour créer des modèles avancés de moteurs de fusée. Après nous être libérés de la production en série, nous nous donnerons la possibilité de réduire le temps de développement des nouveaux échantillons à 3-4 ans. La vitesse de lancement d'un moteur sur le marché est très importante, voire fondamentale, car la concurrence est très forte sur ce marché.

En ce qui concerne les développements de rupture, notre bureau d'études mène un certain nombre de sujets sur l'utilisation des matériaux composites dans la propulsion des fusées. Un moteur oxygène-méthane est en cours de conception. Un autre domaine important est la création de moteurs à hydrogène.

Pour "Irtych" et "Yenisei"

Pyptr Lyovochkine concepteur en chef de NPO Energomashde parle des objectifs du moteur, de ses caractéristiques, ainsi que des perspectives de développement avec le méthane.

- Quelles technologies ont été utilisées pour créer le RD-171MV?

- Le RD-171MV appartient à la famille des puissants moteurs de propulsion, qui comprend également le RD-170/171, créé pour Energuya/Bouran et Zenit, le RD-180, développé pour le lanceur américain Atlas, et le RD-191 pour Angara.

Le RD-171MV destiné au Soyouz-5 (Irtych) est entièrement composé de composants et de matériaux russes. De plus, sur la base de notre expérience avec les RD-180 et RD-191, nous avons apporté un certain nombre de modifications de conception et d'améliorations à celui-ci. Il s'agit notamment de nouveaux actionneurs du système de commande, d'une protection incendie améliorée, de nouveaux filtres à l'entrée et d'un système de protection d'urgence moderne.

Nous avons également abaissé la température de la turbine, l'élément structurel le plus sollicité du moteur, et augmenté sa durée de vie. Dans le même temps, la poussée est restée la même et le principal indicateur d'efficacité - l'impulsion spécifique de la poussée - a même augmenté. Nous prévoyons une mise à niveau significative du RD-171MV lors du passage à une modification destinée au transporteur super-lourd Yenisei. Mais maintenant, il n'y a pas de temps pour introduire ces innovations car Soyouz-5 doit voler en 2023, et le cycle de fabrication du moteur est de 18 mois. Autrement dit, nous devons déjà développer la production de produits de vol. Bien que nous soyons prêts pour l'utilisation de matériaux composites et la métallurgie des poudres...

Le RD-171MV a été conçu numériquement, c'est-à-dire en parallèle avec la documentation de conception traditionnelle directement sur l'ordinateur. Il ne s'agit pas seulement de céder à la mode: auparavant, les concepteurs produisaient des dessins et les technologues étaient contraints de les adapter à l'équipement existant, créant ainsi un certain modèle de moteur. En fait, cela a conduit à un double cycle de développement et a créé un risque d'erreurs. Le système de conception assistée par ordinateur de bout en bout permet la création d'un modèle 3D - la documentation de conception originale, qui est utilisée à la fois par les concepteurs et les technologues. Avec son aide, nous sommes déjà maintenant, par exemple, en train de passer à la fabrication de toutes les tuyauteries par la méthode de modélisation tridimensionnelle.

- Quels objectifs ont été fixés avant les tests?

- La pratique de la création de moteurs-fusées prévoit un cycle d'essais au sol, qui se compose de deux étapes:

• autonome - pour les unités et assemblages individuels
• et les essais de mise à feu au banc d'un produit déjà assemblé.

Aujourd'hui, ces deux étapes sont entièrement achevées. Sur un moteur de réglage fin, nous avons effectué un contrôle complet de toutes les modifications apportées au projet, principalement sur les nouveaux entraînements et algorithmes de contrôle. Selon les termes de référence, nous devions confirmer la fiabilité en prévoyant un certain temps de fonctionnement dans le temps. Le fonctionnement du RD-171MV a été vérifié dans tous les modes, y compris les valeurs extrêmes de la plage de variations de pression et de température.

Le programme comprenait huit essais au feu. Le premier était court. Nous n’avons même pas atteint le mode nominal: nous avons juste commencé à «sentir le produit», et nous nous sommes arrêtés et on a "poussé un ouf de soulagement". Oui, ça y est, le moteur est assemblé, fonctionne. Après cela, nous avons retiré le moteur, l'avons inspecté et installé sur le stand, comme s'il s'agissait d'un produit nouvellement livré, et avons effectué sept autres tests, déjà sans le retirer du stand.

- Tout s'est déroulé strictement comme prévu, ou y a-t-il eu des commentaires?

- Bien sûr, il y a eu quelques évolutions lors du développement. Lors des premiers tests, une augmentation de la pression a été soudainement constatée devant les entraînements du système de contrôle. On a commencé à comprendre sa relation avec le système d'alimentation en carburant. Nous avons finalisé l'algorithme, nous sommes mis d'accord avec les développeurs des disques, l'avons vérifié, sommes allés plus loin...

Selon les résultats des tests, beaucoup de choses seront ajustées. Par exemple, dans le premier moteur de raffinement, il y avait deux générateurs de gaz différents (au départ, il y en avait également deux, mais les mêmes): celui de base, du RD-171M, et pour le second, les solutions du RD-180 et RD-191 ont été appliquéés. Nous passons maintenant à un nouveau design.

En général, on peut dire qu'il y a un moteur fonctionnel et que maintenant il faut juste le régler bien et efficacement.

- Comment les autres tests auront-ils lieu?

- Le programme prévoit la production et les essais d'un certain nombre de moteurs de développement et de certification. Celui qui a déjà été testé sur le stand sera utilisé pour l'étape finale des inspections autonomes: ses unités feront l'objet d'études de détection de défauts, de découpage, de métallographie.

Les travaux ne s'arrêteront pas là: la deuxième étape de test du moteur est prévue dans le cadre du programme de création d'un lanceur ultra-lourd. La différence entre le moteur ultra-lourd et le moteur Soyouz-5 réside dans un temps de fonctionnement plus long (d'environ un tiers). Il faut confirmer cette durée sur le stand, pour lequel un cycle de tests de vie doit être réalisé. Tous les travaux sont effectués sur la base de la tâche que le «super-lourd» devrait voler en 2028.

- Quittons le RD-171MV et parlons d'un autre développement prometteur - le moteur au méthane. Quel est le potentiel dans cette direction?

- NPO Energomash a été le pionnier des travaux sur le méthane, dont on parle maintenant beaucoup et souvent. Le méthane en tant que composant de carburant présente certains avantages par rapport au kérosène. Avec l'oxygène, c'est un peu mieux en termes d'énergie, le processus d'allumage du mélange est simplifié. Mais la densité d'un tel combustible est plus faible et sa température est  de type cryogénique, ce qui n'est pas pratique pour le stockage. De plus, le méthane est explosif. Ainsi, traiter du «méthane pour le méthane» est probablement inapproprié. Mais en ce qui concerne les systèmes réutilisables, cela en vaut probablement la peine. Et aujourd'hui, cela est mis en œuvre dans les projets Krylo-SV et Amour-LNG.

- Il existe un avis selon lequel SpaceX parvient à la réutilisabilité des moteurs en raison de leur excédent de ressources et des grandes marges de sécurité incluses dans le projet. C'est vrai?

- Oui, mais il y a quelques nuances dans la notion de réutilisation. Un exemple classique est la navette spatiale, que les Américains ont promue sous le slogan de réduire le coût de lancement d'un ordre de grandeur, voire de deux. Mais il s'est avéré que pour maintenir cette réutilisabilité (par exemple, dans les moteurs), il est nécessaire de maintenir une infrastructure spéciale, il est nécessaire de maintenir le personnel. En conséquence, les coûts des projets augmentent - et au lieu de diminuer le coût de lancement, il y a une augmentation.

Partout où vous devez examiner la faisabilité économique, une technique jetable peut soudainement se révéler plus efficace qu'une technique réutilisable. Bien que "disperser sur Terre des étages retombés" de lanceurs jetables soit également mauvais. Ils doivent être récupérés, de manière prévisible.

Pour en revenir au RD-171MV, on comprend comment rendre le moteur plus puissant ou plus économique, mais ici le prix et le timing jouent le rôle principal. Les moteurs d'aujourd'hui doivent devenir plus légers et moins chers pour que les services de lancement soient compétitifs en termes de coût et de fiabilité. Et nous voyons que cela ne peut être réalisé que par l'introduction de nouvelles technologies. Mais la réutilisabilité est un sujet distinct. Et il est nécessaire de passer des opportunités existantes créées par les prédécesseurs à son application réelle, compréhensible et économiquement justifiée.

"Le visage de l'entreprise a radicalement changé"

Vassily Marfine, directeur de production de NPO Energomash

- Quelle modernisation a été réalisée dans l'entreprise pour ce projet?

- Les principes édictés à l'origine dans la famille RD-170/171 ont permis à NPO Energomash non seulement de reproduire le produit d'origine, mais aussi de le développer (RD-180 et RD-191), bien que le dernier RD-171M ait été fabriqué il y a plus de 5 ans. Pour nous, le renouvellement de la série après une telle période équivaut à la création d'un nouveau moteur. Ceci est lié à la préparation de la production, à la formation et à la certification du personnel. L'ampleur des travaux sur la fabrication de l'équipement nécessaire et le rééquipement technique était grande. L'apparence de l'entreprise par rapport à 2015 en termes de technologie a radicalement changé.

La production du RD-171MV a été presque entièrement transférée à des équipements modernes de travail des métaux, des machines-outils hautes performances à commande numérique. Pour la première fois, nous utilisons de tels équipements pour tester la technologie de fabrication des conduites pour un nouveau moteur. Déjà sur le troisième exemplaire du RD-171MV, toutes les conduites seront fabriquées sans l'utilisation de gabarits et de pliage manuel.

- De nos jours, on parle beaucoup de conception numérique. Cependant, certains pensent qu'il ne s'agit que d'une numérisation de dessins papier. Que répondriez-vous?

- Ce n'est pas vrai. Dans notre cas, un modèle tridimensionnel du moteur est initialement développé et, sur sa base, des processus technologiques sont créés sous forme électronique. Le modèle développé par le concepteur va directement à la machine CNC via le programmeur-technologue.

- Quel type de coopération est envisagé dans le cadre du projet?

- Le programme de production du RD-171MV est conçu pour que les chambres de combustion soient fabriquées par le KBKhA, et que les turbopompes et l'assemblage général se dérouleront ici, à Khimki.

- Qu'est-ce qui a changé dans les technologies après l'inclusion de nouvelles entreprises, en particulier la Voronej KBKhA, dans la structure intégrée de la construction des moteurs de fusée?

- Voronezh a de hautes compétences. L'entreprise dispose d'équipements permettant, par exemple, de réaliser la partie médiane de la chambre du moteur de la fusée en utilisant la méthode du "tirage rotatif" à partir d'un flan. Par rapport à la version soudée produite par l'usine Metallist-Samara, la conception est plus avancée sur le plan technologique. À l'avenir, nous prévoyons d'utiliser des technologies entièrement nouvelles.

Source et crédits photographiques: Roussky Kosmos/Roscosmos