Soyouz | Motorisation

1. La première version de Soyouz
   1.1 - Généralités
   1.2 - Le bloc propulsif KTDU
   1.3 - Le sous-système d'orientation
2. Les vaisseaux Soyouz T
   2.1 - L'Ensemble de Base
   2.2 - Les moteurs d'orientation DPO
3. Les vaisseaux Soyouz TM
   3.1 - L'Ensemble de Base
   3.2 - Les moteur d'orientation DPO
4. Les vaisseaux Soyouz TMA
5. Les vaisseaux Soyouz TMA-M
6. Récapitulatif

1. La première version de Soyouz

1.1. Généralités

Les premiers vaisseaux Soyouz étaient dotés d'un Système Propulsif pour les Rendez-vous et les Corrections appelé SKDU (Сближающе-Корректирующая Двигательная Установка). Il était en réalité constitué de deux sous-systèmes indépendants :

   - un bloc propulsif KTDU, pour les corrections de trajectoire et le freinage,
   - un sous-système d'orientation, avec les moteurs DPO et DO.

Fig. 1.1.1 : Le vaisseau Soyouz-19 sur orbite.
Crédit : NASA.

1.2. Le bloc propulsif KTDU

Le développement du KTDU (Корректирующе-Тормозная Двигательная Установка) a été confié en 1962 à l'OKB-2 d'Alekseï ISSAÏEV. Ce bureau d'études est situé dans la ville de Koroliov, près de Moscou, et il est devenu en 1967 le KB KhimMach. Le projet est placé sous la responsabilité d'Anton TAVZARACHVILI, qui avait déjà travaillé sur le moteur S5.4 du vaisseau Vostok.

Le rôle du KTDU est, d'une part, de réaliser les corrections de trajectoires nécessaires aux rendez-vous orbitaux et, d'autre part, de freiner le vaisseau quand il est arrivé au terme de sa mission, afin qu'il puisse quitter l'orbite et redescendre sur Terre.

Fig. 1.2.1 : Le KTDU-35 et ses moteurs SKD et DKD.
Crédit : Roscosmos / RKK Energuia.

Compte-tenu de ce dernier rôle absolument crucial, le KTDU du vaisseau Soyouz de première génération, appelé KTDU-35 (11D62), est équipé de deux moteurs :

   - le moteur principal SKD (Сближающе-Корректирующий Двигатель),
   - le moteur de secours DKD (Дублирующий Корректирующий Двигатель).

Fig. 1.2.3 : Un KTDU-35.
Musée de l'Académie des RVSN. Crédit : Antares 610 / Constantin VOUTSEN.

Le SKD est un moteur monochambre S5.60 de 417kgf de poussée. Il est entouré de quatre tuyères pour l'évacuation des gaz d'entraînement de sa turbopompe. Les ergols utilisés sont l'UDMH (carburant) et l'AK-27I (comburant), un mélange d'acide azotique et de tétraoxyde d'azote. Pendant sa phase de fonctionnement, l'orientation du vaisseau est assurée par les moteurs DPO (voir section 1.3).

Le SKD est protégé des températures extrêmes du milieu spatial par un capot amovible. Le18 mai 1979, le SKD de Soyouz-32 a été mis en service par erreur alors que le capot était encore fermé.

Fig. 1.2.4 : Un moteur S5.60.
Musée de la Cosmonautique et des Fusées. Crédit : Nicolas PILLET.

Le DKD est un moteur bichambre S5.35 de 411kgf de poussée, non réallumable. Il est muni de quatre tuyères qui éjectent des gaz d'entraînement de sa turbopompe afin de contrôler l'orientation du vaisseau. Ainsi, le DKD peut effectuer la manœuvre de freinage même en cas de défaillance des moteurs d'orientation DPO.

Le DKD a dû été utilisé à deux reprises : lors du premier vol d'essai de Soyouz, Cosmos 133, en novembre 1966, et lors du vol Soyouz-33 d'avril 1979.

Fig. 1.2.5 : Une vue intéressante du KTDU de Soyouz-19.
Crédit : NASA.

Fig. 1.2.6 : Le moteur S5.35.
Université de Koroliov. Crédit : Christian LARDIER.

Les deux moteurs SKD et DKD sont alimentés par le même ensemble de réservoirs, constitué de deux réservoirs de carburant et deux réservoirs de comburant. Les quatre réservoirs, de forme sphérique, sont organisés pour former un carré. A cela s'ajoutent quatre petits ballons d'hélium pour le maintien en pression des ergols.

Cliquez ici si vous ne voyez pas la vidéo.

Vidéo 1 : Essai d'allumage du SKD et du DKD.
Crédit : Люди и космос, 1968.

1.3. Le sous-système d'orientation

Il est sous la responsabilité du Département n°27 de l'OKB-1 de Sergueï KOROLIOV, maître d'œuvre du vaisseau Soyouz. Le développement est supervisé par Dmitri KNIAZEV, qui trouve la mort avec une partie de son équipe dans les années 1960 dans un accident d'avion au-dessus de l'Oural [1].

Le sous-système d'orientation du vaisseau Soyouz de première génération est constitué de :

   - 14 moteurs DPO (Двигатель Причаливания и Ориентации) de 10kgf de poussée,
   - 8 moteurs DO (Двигатель Ориентации) de 1,5kgf de poussée [2].

Les DPO sont utilisés pour les corrections d'orbite et l'orientation, alors que les DO sont utilisés uniquement pour l'orientation. Ce sont des moteurs à monergol, c'est à dire un seul ergol qui joue à la fois le rôle de carburant et de comburant. Ici, c'est le peroxyde d'hydrogène (H2O2) qui a été choisi.

Mélangé avec un catalyseur, le peroxyde d'hydrogène se dismute selon la réaction d'oxydoréduction suivante :

2H2O2 → 2H2O + O2

Cette réaction est exothermique. L'eau et le dioxygène sont éjectés par la tuyère, ce qui créé une poussée générant un moment autour du centre de gravité du vaisseau.

Les DPO sont commandés par le boîtier BVDPO (Блок Включения ДПО).

2. Les vaisseaux Soyouz T

Sur les vaisseaux Soyouz de deuxième génération, appelés Soyouz T (11F732), le système de propulsion a été complètement repensé. L'idée est d'en faire un système « combiné », c'est à dire où tous les moteurs sont alimentés par les mêmes réservoirs.

Ce nouveau « système de motorisation combinée », ou KDU (Комбинированная Двигательная Установка), est composé de deux sous-systèmes :

   - l'Ensemble de Base BB,
   - les moteurs d'approche et d'orientation DPO.

2.1. L'Ensemble de Base

L'Ensemble de Base BB (Базовый Блок) du système de propulsion du vaisseau Soyouz T joue le rôle du KTDU de la génération précédente. Il est d'ailleurs appelé KTDU-426 (11D426), et il est constitué de trois éléments :

   - le système d'alimentation,
   - le système de pressurisation,
   - le moteur SKD.

Fig. 2.1.1 : L'Ensemble de Base KTDU-426.
Musée National d'Histoire de la Cosmonautique. Crédit : Nicolas PILLET.

Le rôle du système d'alimentation est d'assurer le stockage des ergols et leur acheminement jusqu'aux moteurs SKD et DPO. Il est constitué de deux réservoirs de carburant (BG1 et BG2) et de deux réservoirs de comburant (BO1 et BO2), qui ont une capacité totale d'environ 900kg.

Pour assurer la redondance, le système KDU est divisé en deux voies, ce qui permet d'assurer de manière indépendante l'alimentation et la pressurisation du moteur SKD et de moteurs d'orientation DPO.

En microgravité, il est nécessaire de maintenir les réservoirs d'ergols sous pression pour éviter le phénomène de cavitation. C'est le rôle du système de pressurisation. La mise sous pression est réalisée par un gaz neutre, l'hélium, contenu dans quatre ballons (ChB1 et ChB2 sur la voie 1, ChB3 et ChB4 sur la voie 2).

Fig. 2.1.2 : Le ballon ChB4 et la vanne EPKN1 sur l'Ensemble de Base du vaisseau Soyouz T.
Musée National d'Histoire de la Cosmonautique de Kalouga. Crédit : Nicolas PILLET.

L'hélium est délivré dans les réservoirs d'ergols au travers d'une vanne électropneumatique (EPKN1 sur la voie 1, EPKN2 sur la voie 2) et d'un détendeur (RD1 sur la voie 1, RD2 sur la voie 2).

Par rapport au KTDU-35 de la première génération de Soyouz, le KTDU-426 ne possède plus qu'un seul moteur, le SKD. Le moteur de secours DKD a en effet été supprimé, car il s'est avéré que les moteurs d'orientation DPO pouvaient remplir son rôle.

Fig. 2.1.3 : L'Ensemble de Base KTDU-426.
Université Baoumann, filiale d'Orevo. Crédit : Nicolas PILLET.

La poussée est plus faible que sur le modèle précédent (315kgf), mais l'impulsion spécifique est meilleure (292"). De plus, pour le comburant, le mélange AK-27I a été remplacé par du tétraoxyde d'azote.

Fig. 2.1.4 : Un vaisseau Soyouz T amarré à la station Saliout-7.
Crédit : DR.

2.2. Les moteurs d'orientation DPO

La grande nouveauté du système combiné KDU est donc l'utilisation de moteurs d'orientation entièrement nouveaux, qui sont alimentés par les mêmes réservoirs que le moteur principal SKD.

Il y a en tout 26 moteurs DPO, de deux types différents :

   - 14 moteurs de forte poussée (14kgf), pour les corrections d'orbite et l'orientation,
   - 12 moteurs de faible poussée (2,5kgf), uniquement pour l'orientation.

La moitié de ces 26 moteurs sont alimentés par la Voie 1, l'autre par la Voie 2. Le système de vannes permet de puiser dans les réservoirs de l'une ou l'autre des voies, ce qui permet de les vider de manière cohérente, préservant le centre de gravité du vaisseau.

En décembre 1968, l'OKB-1, devenu entre temps le TsKBEM, sous-traite le développement des moteurs DPO au NIIMach, situé dans la petite ville de Nizhniaïa Salda, dans l'Oural. Le NIIMach se lance donc le développement de deux nouveaux moteurs :

   - une nouvelle version du 11D428, appelée 11D428A, pour les DPO de forte poussée,
   - le 11D427, pour les DPO de faible poussée.

Fig. 2.2.1 : Un moteur 11D427.
Musée National d'Histoire de la Cosmonautique de Kalouga. Crédit : Nicolas PILLET.

A l'automne 1971, pour une raison inconnue, le développement du 11D427 est transféré au KB KhimMach [3].

Quatre des quatorze moteurs DPO de forte poussée sont situés à l'arrière du vaisseau, et peuvent servir de secours pour amorcer la rentrée dans l'atmosphère en cas de défaillance du moteur principal SKD. Chacun de ces DPO de forte poussée est accompagné de deux DPO de faible poussée.

Fig. 2.2.2 : La base d'un PAO de vaisseau Soyouz T.
On voit bien l'emplacement d'une paire de moteurs DPO de faible poussée.
Université Baoumann, filiale d'Orevo. Crédit : Nicolas PILLET.

3. Les vaisseaux Soyouz TM

3.1. L'Ensemble de Base

Au cours des années 1980, une nouvelle version du vaisseau Soyouz fait son apparition, le Soyouz TM (11F732A51), et son système de propulsion KDU est modernisé. Il est maintenant doté de l'Ensemble de Base KTDU-80, qui inclut le moteur S5.80, en développement au KB KhimMach depuis 1977.

Fig. 3.1.1 : L'Ensemble de Base KTDU-80 du vaisseau Soyouz TM.
On voit bien les quatre gros réservoirs d'ergols et les quatre ballons d'hélium.
Crédit : KBKhM.

Par rapport à la version précédente, le KTDU-80 est équipé de diaphragmes métalliques dans ses réservoirs d'ergols.

Fig. 3.1.2 : Le moteur S5.80.
Musée Historique de Koroliov. Crédit : Nicolas PILLET.

Cliquez ici si vous ne voyez pas la vidéo.

Vidéo 2 : Une vidéo sur le KTDU-80 et ses essais au sol.
Crédit : dr.

Fig. 3.1.3 : Un KTDU-80 en préparation chez la RKK Energuia.
Crédit : Лестница в небо.

3.2. Les moteur d'orientation DPO

Le sous-système d'orientation des vaisseaux Soyouz TM est quasiment identique à celui de Soyouz T. Il comprend un total de 26 moteurs DPO :

- 12 moteurs DPO-M de faible poussée (2,7kgf), numérotés 1 à 12. Ils servent uniquement à orienter le vaisseau. Sur les premiers vaisseaux Soyouz TM, il s'agissait de moteurs 11D427M du KB KhimMach. Mais pour des raisons industrielles, la production de ce moteurs a posé des problèmes au cours des années 1990.

Fig. 3.2.1 : Le moteur 11D427M.
Musée Mémorial de la Cosmonautique. Crédit : Nicolas PILLET.

Fig. 3.2.1.B : La chambre d'un moteur 11D427M.
Musée du NITs RKP. Crédit : Nicolas PILLET.

A partir de Soyouz TM-23 (11F732A51 n°72), ce sont des moteurs S5.142 (DST-25), toujours fournis par le KB KhimMach, qui sont utilisés. Alors que la chambre de combustion du 11D427M était en graphite, celle du S5.142 est en alliage de niobium, et elle est recouverte d'un revêtement réfractaire [4]. En revanche, le S5.142 n'est pas équipé de capteur de pression dans sa chambre de combustion. Il a donc fallu développer une nouvelle version de l'algorithme de contrôle des DPO-M, qui a été testée en vol à partir de Soyouz TM-20.

Auparavant, seuls les DPO-M pouvaient être utilisés pour orienter le Compartiment des Instruments (PAO) après son largage. Avec le nouvel algorithme, les moteurs DPO-B peuvent aussi être utilisés en secours [5].

- 14 moteurs DPO-B de forte poussée (13,3kgf), numérotés 13 à 26. Ils servent à la fois pour orienter le vaisseau et pour réaliser des corrections d'orbite.

En effet, en temps normal les corrections sont réalisées par le moteur principal SKD, mais pour certaines manœuvres d'approche, il est jugé préférable d'utiliser les DPO-B, qui sont moins économiques mais plus précis. En cas de défaillance du SKD, les DPO-B peuvent également assurer la rentrée dans l'atmosphère en redondance.

Les premiers vaisseaux Soyouz TM ont repris les moteurs 11D428A du NIIMach qui étaient déjà utilisés sur les vaisseaux Soyouz T.

Avant le lancement de Baïkonour, les réservoirs du KDU sont remplis en tenant compte du fait que les DPO-B doivent pouvoir effectuer la rentrée dans l'atmosphère en cas de défaillance du SKD. Ils comprennent donc une réserve d'urgence qui, en temps normal n'est pas utilisée, et qui constitue donc un poids mort.

Sur demande de la RKK Energuia, le NIIMach lance en 1993 le développement d'une nouvelle version de son moteur, appelée 11D428A-16 (RDMT-135M), aux performances améliorées. Le but est de conserver les mêmes capacités qu'avec la version précédente, mais en consommant moins d'ergols, afin de diminuer le poids mort dans les réservoirs [6].

Fig. 3.2.2 : Le moteur 11D428A-16 du NIIMach.
On remarque que la tuyère est enveloppée dans un cône de protection.
Crédit : NIIMach.

Avant d'utiliser les nouveaux moteurs sur les vaisseaux Soyouz TM, la RKK Energuia préfère les tester en vol sur des vaisseaux automatiques Progress M. Trois vaisseaux, Progress M-36, Progress M-37 et Progress M-38, volent ainsi avec des moteurs 11D428A-16 sur l'une de leurs deux voies.

Les essais sont concluants, et le vaisseau suivant, Progress M-39, vole avec un jeu complet de 11D428A-16 sur ses deux voies.

Fig. 3.2.3 : Le moteur 11D428A-16.
Crédit : NIIMach, Nicolas PILLET (MAKS-2005).

En 1998, le moteur 11D428A-16 est donc prêt pour équiper les vaisseaux habités. C'est le vaisseau Soyouz TM-28 (11F732A51 n°77) qui est le premier à voler avec, en août 1998. L'utilisation du nouveau moteur permet d'économiser 30kg d'ergols.

Fig. 3.2.5 : Essai au sol d'un moteur 11D428A-16.
Crédit : NIIMach.

Les 26 moteurs DPO sont disposés tout autour du Compartiment des Instruments (PAO), à l'avant et à l'arrière. A l'arrière du vaisseau, quatre groupes de moteurs sont positionnés autour du moteur principal SKD. Chaque groupe comprend :

   - un DPO-B, qui fait un angle de 20° avec l'axe longitudinal du vaisseau,
   - deux DPO-M, tournés dans la direction orthogonale à l'axe longitudinal.

Fig. 3.2.6 : Schéma de l'arrière du vaisseau Soyouz TM.
Crédit : Soyuz Crew Operations Manual.

Fig. 3.2.7 : L'arrière du vaisseau Soyouz TM-33 amarré à la Station Spatiale Internationale.
Crédit : NASA.

Il y a aussi quatre groupes de moteurs au niveau du Compartiment de Transfert (PKhO), près de l'interface avec le Compartiment de Descente (SA) :

   - deux de ces groupes sont constitués de deux DPO-M et de trois DPO-B,
   - les deux autres sont simplement constitués de deux DPO-B.

Fig. 3.2.8 : Disposition des moteurs DPO sur le PKhO du vaisseau Soyouz TM.
Crédit : Soyuz Crew Operations Manual.

Fig. 3.2.9 : Disposition des moteurs DPO sur le vaisseau Soyouz TM-33.
Crédit : ESA.

Fig. 3.2.10 : Un groupe de moteurs DPO sur le PKhO.
On distingue bien les trois DPO-B (avec un capuchon rouge) et les deux DPO-M.
MAKS-2005. Crédit : DR.

Fig. 3.2.11 : Les moteurs DPO-B n°23 et n°24 sur le PKhO.
Crédit : DR.

Fig. 3.2.12 : Deux moteurs DPO-B.
Musée Mémorial de la Cosmonautique. Crédit : Nicolas PILLET.

Pour augmenter la fiabilité, l'alimentation en ergols des DPO est séparée en deux voies distinctes. La voie 1 alimente les DPO-B ainsi que la moitié des DPO-M (le groupe DPO-M1, constitué des moteurs avec un numéro impair). La voie 2 alimente le second groupe DPO-M2 (moteurs avec un numéro pair).

La voie 1 est alimentée par les réservoirs BO1 et BG1, et la voie 2 par les réservoirs BO2 et BG2. Il est possible de relier les deux voies en ouvrant les vannes EKO3 et EKG3.

Fig. 3.2.13 : Schéma du système KDU du vaisseau Soyouz TM.
Crédit : Soyuz Crew Operations Manual.

Fig. 3.2.14 : Un moteur 11D428A-16.
MAKS-2013. Crédit : Nicolas PILLET.

4. Les vaisseaux Soyouz TMA

Les vaisseaux Soyouz TMA (11F732A17) reprennent le système de propulsion KDU de la version précédente Soyouz TM (11F732A51).

Fig. 4.1 : L'arrière du vaisseau Soyouz TMA-20.
On voit nettement le SKD et les DPO-B n°13, 14, 15 et 16.
Crédit : RKK Energuia.

Toutefois, une modification a été apportée en vue d'améliorer la sécurité lors des amarrages à la Station Spatiale Internationale. En effet, jusque là, en cas d'incident lors de l'approche finale, le vaisseau n'avait que deux moteurs pour faire marche arrière rapidement, les moteurs DPO-B n°17 et 18, qui sont tournés vers l'avant.

La RKK Energuia a décidé de rajouter deux moteurs supplémentaires, les DPO-B n°27 et 28 alimentés par la voie 2. Cette idée a été étudiée dès 2001 et a été formellement approuvée le 23 octobre 2002 [7]. Le premier vol a eu lieu sur Soyouz TMA-5 en octobre 2004.

Fig. 4.2 : Vue des moteurs DPO du vaisseau Soyouz TMA-11.
On voit bien qu'il y a maintenant deux moteurs tournés vers l'avant du vaisseau.
Crédit : Vadim LOUKACHEVITCH.

Fig. 4.3 : Vue du vaisseau Soyouz TMA-20 en orbite.
Crédit : NASA.

5. Les vaisseaux Soyouz TMA-M

Le système KDU des vaisseaux de nouvelle génération Soyouz TMA-M (11F732A47), qui desservent la Station Spatiale Internationale, est pour l'instant inchangé par rapport au KDU des Soyouz TMA.

Fig. 5.1 : Préparation du moteur S5.80 du vaisseau Soyouz TMA-02M.
Crédit : TVRoscosmos.

Fig. 5.2 : Vue de deux des moteurs DPO-M du vaisseau Soyouz TMA-02M.
Crédit : TVRoscosmos.

La RKK Energuia a prévu de modifier l'arrangement des moteurs DPO-B. C'est le vaisseau Soyouz TMA-11M qui devait inaugurer cette modification à la fin 2013 [8], mais elle a été reportée à une date ultérieure.

6. Récapitulatif

  S5.35 S5.60 11D426 S5.80
Version du
vaisseau Soyouz
Soyouz Soyouz Soyouz T Soyouz TM/TMA/TMA-M
Emploi DKD SKD SKD SKD
Carburant/Comburant UDMH/AK-27I UDMH/AK-27I UDMH/N2O4 UDMH/N2O4
Poussée (kgf) 411 417 315 300
Nombre de chambres 2 1 1 1
Impulsion spécifique
dans le vide (s)
270 278 292 302
Nombre de rallumage   25 40 30
Masse (kg)   305 270 310
Diamètre (mm)   2500 2100 2100
Hauteur (mm)   1100 1200 1200
Pression dans la
chambre (MPa)
  3,92 0,88 0,88
Ratio   1,85 1,85 1,85
Tableau 1 : Caractéristiques des performances des moteurs utilisés
par les différentes versions du vaisseau Soyouz.

Bibliographie

[1] SYROMIATNIKOV, V., 100 Stories about Docking, Vol. 1
[2] TCHERTOK, B., Rockets and People, Vol. 3
[3] ZAVIALOV, V., О работе в КБХМ им. А.М. Исаева и не только об этом
[4] Главный конструктор. К 100-летию А.М. Исаева, pp. 51-66
[5] SEMIONOV, Y., На рубеже двух веков, 1996-2001, p. 556
[6] SEMIONOV, Y., На рубеже двух веков, 1996-2001, p. 564
[7] LOPOTA, V., Первое десятилетие XXI века, p. 56
[8] LOPOTA, V., Первое десятилетие XXI века, p. 98
[9] Soyuz Crew Operations Manual, disponible sur le forum NasaSpaceFlight L2


Dernière mise à jour : 13 juillet 2016