Le moteur RD-107A: pourquoi cette géométrie des flammes ?

La géométrie du feu.

L'une des photos préférées par le photographe Ivan Timoshenko, prise lors du lancement d'une fusée, est un gros plan des moteurs dans les premières secondes après le décollage. On peut y observer des détails que l'œil humain ne peut tout simplement pas percevoir en raison de la distance considérable et de la flamme aveuglante.

Des filtres sombres, une ouverture réduite et un temps d'exposition extrêmement court permettent de photographier les détails de ce qui se passe. Des filaments jaunes d'incendie jaillissent des moteurs de la fusée. Mais pourquoi la flamme est-elle si irrégulière, et que sont ces anneaux de feu ? Pour répondre à cette question, décortiquons le fonctionnement et la conception de la chambre de combustion d'un moteur-fusée liquide.

La chambre RD-107 [et dérivé] est constituée d'une tête d'injection, d'une partie centrale et d'une tuyère. À travers 227 injecteurs à deux composants, le carburant (kérosène) et l'oxydant (oxygène liquide) y sont injectés simultanément. Les composants du carburant se mélangent et brûlent, se transformant en un gaz comprimé et incandescent à une température d'environ 3250 °C et une pression de 60 atmosphères.

En progressant de la tête d'injection vers la tuyère convergente, le gaz s'accélère, et à la section critique de la tuyère, sa vitesse atteint la vitesse locale du son. Ensuite, dans la partie divergente, le flux devient supersonique et continue d'accélérer jusqu'à l'extrémité de la tuyère. À la sortie, la température chute à 1700 °C, la pression à 0,385 atmosphère, et la vitesse du gaz atteint environ 3 km/s.

Pour éviter que la chambre ne brûle, un système de refroidissement est prévu. Le kérosène, circulant entre les parois doubles de la chambre, absorbe la majeure partie du flux thermique du gaz incandescent. Pour protéger la surface interne de la tuyère, un refroidissement par film est également prévu. Dans la tête d'injection (photo en coupes), des injecteurs à un seul composant (numéro 9) sont installés sur le pourtour. Le kérosène est injecté dans la chambre à travers ces injecteurs. Une partie de ce kérosène se mélange à l'oxygène et brûle, mais une autre partie se dépose sur la paroi, créant un film liquide. Ce film s'évapore et absorbe une partie de la chaleur, créant une barrière protectrice qui empêche le transfert de chaleur vers les parois de la tuyère. Cette couche adhésive agit comme un bouclier thermique et chimique : en s'évaporant, elle absorbe la chaleur intense du cœur et empêche l'oxygène agressif d'atteindre le métal. En conséquence, le kérosène ne brûle pas complètement : une partie de celui-ci se décompose en hydrocarbures plus simples et en carbone pur (suie) en raison de la température élevée des gaz environnants. Ce flux s'écoule le long de la paroi de la chambre et, entraîné par les autres gaz, est éjecté vers l'extérieur.

À l'extrémité de la tuyère, la température des gaz éjectés atteint encore 1700 °C. En raison de la vitesse extrêmement élevée, le jet de réaction aspire et entraîne avec lui l'air ambiant. Au contact de l'oxygène atmosphérique, les gaz chauds et la suie s'enflamment vivement. C'est pourquoi ces flammes vives que nous voyons sur les photos ne sont pas le principal écoulement du moteur, mais plutôt un voile de protection adhésif qui brûle dans l'atmosphère extérieure. Remarquez la dernière photo, où des "taches sombres" sont clairement visibles à l'extrémité de la tuyère : il s'agit de suie non brûlée qui n'a pas encore eu le temps de s'enflammer.

Mais que dire de ces anneaux de feu ?

À l'extrémité de la tuyère, le gaz sur-étendu rencontre la pression atmosphérique de 1 atmosphère. Cette pression comprime le flux de tous les côtés, le rétrécissant et augmentant sa température et sa pression. Les zones de rétrécissement sont ce que nous voyons sur les photos sous la forme d'anneaux jaunes brillants, que l'on appelle disques ou anneaux de Mach. Ensuite, le flux se dilate à nouveau, et le cycle se répète, une partie de l'énergie étant dissipée, ce qui fait que les anneaux deviennent plus petits et plus ternes, jusqu'à disparaître complètement.

[KN: qui penserait qu'un moteur conçu dans les années 50 avait un fonctionnement aussi complexe (et si fiable) ?! Valentin Gloushko, son concepteur en chef à coup sûr et tous les motoristes des moteurs fusées à ergols liquides certainement].

Source et crédits photographiques: Kosmitchesky fotoalbom (Ivan Timoshenko)