Proton | Le premier étage

1. Généralités

Le premier étage du lanceur Proton est constitué d'un corps central de 4,10m de diamètre (fixé par la largeur des voies ferrées en Union soviétique) et de six blocs latéraux de 1,6m de diamètre chacun.

Fig. 1.1 : Vues de dessous du premier étage.
Crédit : DR.

Le tout a un diamètre maximal de 7,4m, pour une longueur de 21,18m et une masse de 417,3t (32,5t à vide). La propulsion est assurée par six moteurs fonctionnant avec du tétraoxyde d'azote (N2O4) comme oxydant et de l'UDMH comme carburant.

Fig. 1.2 : Vues de face du premier étage.
Crédit : DR.


Fig. 1.3 : Le premier étage chez Khrounitchev.
Crédit : DR.

2. Le corps central

Le corps central est constitué d'un compartiment de transition, d'un réservoir d'oxydant et d'un compartiment inférieur.

Le réservoir

Il est construit avec un alliage d'aluminium (AMg6) et se présente comme une structure cylindrique soudée munie de plusieurs anneaux de renforcement et de deux dômes aux extrémités. Celui du dessus étant exposé à l'extérieur, il est recouvert d'une protection thermique. Le réservoir est équipé de plusieurs capteurs de niveau.

Fig. 2.1 : Le corps central du premier étage à Baïkonour, dans le MIK-92A-50.
Lancement du 11 février 2009.

Fig. 2.2 : Le corps central du premier étage à Baïkonour.
Crédit : Roscosmos.

Le compartiment inférieur

Il a la forme d'un cône et est construit avec un alliage d'aluminium V95, renforcé par des longerons.

Le compartiment de transition

Il fait la liaison avec le deuxième étage. Il est constitué de deux anneaux reliés par une structure en treillis qui permet aux gaz des moteurs du deuxième étage de s'échapper (le deuxième étage est en effet allumé avant le largage du premier étage). Le treillis est réalisé par extrusion dans un alliage V95.

3. Les blocs latéraux

Les six blocs latéraux ont une longueur de 19,86m et sont constitués d'un compartiment supérieur, d'un réservoir de carburant, et d'un compartiment inférieur.

Chaque bloc latéral est rattaché au corps central par cinq liaisons. Les deux du bas ne laissent aucun degré de liberté et transmettent l'effort induit par la poussée des moteurs au compartiment inférieur du corps central. Les trois autres liaisons sont des glissières qui autorisent le déplacement du bloc latéral selon l'axe longitudinal.

Fig. 3.1 : Deux blocs latéraux à Baïkonour, dans le MIK-92A-50.
Lancement du 11 février 2009.

Trois tiges rigides empêchent le bloc de se déplacer radialement : deux relient le réservoir de N2O4 au réservoir d'UDMH, tandis que la troisième rattache le compartiment supérieur du bloc latéral à un anneau de renforcement du réservoir de N2O4.

Le compartiment supérieur

Appelé Compartiment 0460, c'est une structure conique rivetée. Son rôle est de dévier l'écoulement d'air. Il est isolé thermiquement et est muni de plusieurs accès pour que les équipes au sol puissent effectuer des manipulations.

Depuis 2008, les compartiments supérieurs sont produits en série par le PO Poliot, à Omsk. Les premiers ont été livrés à Khrounitchev en octobre 2008.

Fig. 3.2 : Préparation d'un Compartiment 0460 à Omsk.
Crédit : PO Poliot.

Fig. 3.3 : Cinq compartiments supérieurs chez Khrounitchev.
Crédit : DR.

Le réservoir d'UDMH

C'est un cylindre réalisé par soudure dans un alliage AMg6. Il comporte des anneaux de renforcement et deux dômes aux extrémités. Il est également équipé de capteurs de niveau.

Le compartiment inférieur

Il fait l'interface avec le moteur. C'est une structure rivetée renforcée par des longerons et des anneaux métalliques qui est thermiquement isolée afin d'empêcher les moteurs de brûler les équipements. A la base sont installées deux plaques faites d'un alliage AK4 qui sont destinées à supporter le moteur.

Depuis 2008, les parties avant (Compartiment 0610) et arrière (Compartiment 0611) du compartiment inférieur sont produites en série par le PO Poliot à Omsk.

Fig. 3.4 : Production des parties avant et arrière du compartiment inférieur à Omsk.
Crédit : PO Poliot.

4. Motorisation

4.1. Le RD-253

Sur les premiers modèles de Proton, le premier étage était muni de six moteurs RD-253 (11D43), développés par la NPO Energomach (anciennement OKB-456) à Khimki, dans la Région de Moscou.

Après quelques années d'exploitation, la production en série du RD-253 est confiée à la société Proton-PM (anciennement usine de construction de moteur Sverdlov), à Perm. Le transfert de la production vers Perm avait été demandé dès le 29 avril 1962 par le décret 409-183, l'« acte de naissance de Proton » [2].

Le RD-253 utilise la technologie du cycle fermé, ou cycle à combustion étagée. Dans ce type de moteurs, les turbines qui entraînent les turbopompes sont mises en rotation par la combustion d'une partie des ergols. Ceux-ci sont ensuite envoyés dans la chambre de combustion où ils contribuent à créer la poussée. La technique permet d'économiser l'énergie habituellement utilisée pour faire tourner les turbines, et ainsi d'augmenter la pression dans les chambres de combustion sans diminuer l'impulsion spécifique.

Fig. 4.1.1 : Le moteur RD-253.
Crédit : DR.

Le RD-253 développe une poussée 166 tonnes dans le vide, avec une impulsion spécifique de 316". Il fonctionne avec de l'UDMH (carburant) et du peroxyde d'azote (comburant). Chacun des six moteurs est orientable selon les trois axes dans une fourchette de 7,5° grâce à un vérin hydraulique.

Le premier RD-253 sorti de l'usine de Perm est testé sur le banc d'essais de la NPO Energomach le 15 juillet 1964, et la production en série démarre en 1965. Deux essais au sol, les 28 juillet 1966 et 6 mars 1967, sont des échecs provoqués par des défauts de fabrication. Le premier vol réalisé avec des moteurs construits à Perm a lieu le 8 avril 1967, avec le deuxième vaisseau lunaire 7K-L1 [2].

Fig. 4.1.2 : Le moteur RD-253.
Musée de la NPO Energomach. Crédit : Novosti Kosmonavtiki.

Le 27 septembre 1967, un lancement de Proton-K échoue à cause d'un défaut de fabrication de l'un des moteurs RD-253. En 1967, trois autres essais au sol sont des échecs pour des raisons similaires [2].

L'usine de Perm tire les conclusions de ces échecs à répétition, et prend des mesures organisationnelles en vue de les éradiquer. Malgré cela, un nouvel échec en vol intervient le 2 avril 1969. Ce sera le dernier échec à ce jour de Proton dû au moteur RD-253 [2].

La production du RD-253 est interrompue en mars 1992, au profit de sa version RD-275. Le 245ème et dernier RD-253 vole le 30 décembre 1998 [2].

4.2. Le RD-253F

En 1980, Proton-PM lance le développement d'une nouvelle version « forcée » RD-253F (форсированный), avec une poussée améliorée de 7%. Le projet est formellement approuvé par la décision du Comité central du Parti communiste et le Conseil des Ministres d'Union soviétique le 2 janvier 1985 (décision n°3-2) [2].

Le rôle du RD-253F sera de placer sur orbite le module de base de la station Mir, ainsi que son module Kvant, dont les masses dépassent les performances actuelles du lanceur [2].

Trois lots de six RD-253F sont construits. Le lot n°151 est utilisé pour un essai d'allumage au sol le 27 septembre 1985. Les lots n°152 et 153 sont utilisés pour les lancements de Mir, en février 1986, et de Kvant, en mars 1987 [1].

4.3. Le RD-275

Le 27 janvier 1987, le Conseil des Ministres d'Union soviétique lance le développement d'une version améliorée du RD-253, appelée RD-275 (14D14). Le premier vol avec ces nouveaux moteurs a lieu le 11 octobre 1995 [2].

La poussée est augmentée de 7,7% par rapport au RD-253, pour atteindre 178t, ce qui autorise une augmentation de la masse de la charge utile de 600kg.

Fig. 4.3.1 : Un moteur RD-253 ou RD-275 arrimé à un bloc latéral.
Crédit : DR.

Pour le lanceur de nouvelle génération Proton-M, la poussée des moteurs RD-275 doit être augmentée de 5%. Une version intermédiaire avec une poussée augmentée de 2% vole pour la première fois le 4 novembre 1998 [3].

Fig. 4.3.2 : Production en série des RD-275 chez Proton-PM à Perm.
Crédit : Proton-PM.

4.4. Le RD-276

En 2004 démarre le développement d'une version améliorée, appelée RD-276 (14D14M), ou parfois RD-275M. La poussée est augmentée de 5,2% par rapport à la dernière version du moteur RD-275, et atteint 186,8t.

Fig. 4.4.1 : Essai d'un moteur du premier étage chez Proton-PM, à Perm.
Crédit : Proton-PM.

Ce gain permet d'augmenter la masse de la charge utile en orbite de transfert géostationnaire de 150kg. La production en série du RD-276 démarre dès 2005, et le premier vol a lieu le 7 juillet 2007 [2].

De plus, avec l'apparition du RD-276, la masse du premier étage diminue légèrement en réduisant l'épaisseur des réservoirs de tétraoxyde d'azote et d'UDMH (qui sont toujours faits du même alliage).

4.5. Caractéristiques des moteurs

RD-253
11D43
RD-275
14D14
RD-276
14D14M
Utilisation 1965-1995 1995-2008 2007 -
Comburant/carburant N2O4/UDMH
Poussée dans le vide (t) 166 178 186,8
Impulsion spécifique dans le vide (s) 316 316 315,8
Pression dans la chambre (MPa) 150 160 168,5
Masse (kg) 1080 1070 1070
Longueur (m) 3 3,05 3,05
Diamètre maximal (m) 1,5 1,5 1,5

Bibliographie

[1] Орбиты Протона, journal de Proton-PM n°11-2012
[2] Протон-ПМ : на земле и в космосе
[3] MEDVEDEV, A., KOUZINE, A., MOTORNY, E., KATORGUINE, B., Development Status and Operational Use of "Proton-M" launcher with Upgraded Main Engines


Dernière mise à jour : 24 juillet 2013