Soyouz | Remplissage

Les différents étages (Bloc A, Blocs BVGD, Bloc E, Bloc I et Bloc L) des lanceurs de classe Soyouz utilisent comme carburant du kérosène de type T-1, et l'oxygène liquide (LOX) comme comburant.

Seuls les étages équipés du moteur RD-0124 (14D23), c'est à dire le Bloc I des versions Soyouz-2.1b (14A14-1B), Soyouz-ST-B (372RN21B) et Soyouz-2.1v (14A15), utilisent comme carburant le kérosène de type RG-1 ^[8].

De plus, les moteurs RD-107 et RD-108 des deux premiers étages ont besoin de peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) pour la mise en rotation de leur turbine, et d'azote pour la pressurisation de leurs réservoirs d'oxygène liquide.

Les réservoirs des trois étages sont remplis sur le pas de tir quelques heures avant le lancement. L'étage supérieur Bloc L des lanceurs Molnia (8K78) et Molnia-M (8K78M) était lui aussi rempli sur le pas de tir, contrairement à l'étage supérieur Fregat (14S44) qui est rempli avant la mise sous coiffe, à l'instar des satellites.

1. Remplissage en kérosène des deux premiers étages

Le système de remplissage des deux premiers étages (Bloc A et Blocs BVGD) en kérosène de type T-1 est constitué d'une avitailleuse (8G0119) montée sur voie ferrée et d'une partie fixe (8G0124), intégrée au pas de tir.

1.1. L'avitailleuse

Elle sert à transporter le kérosène de son lieu de stockage vers le pas de tir. Elle est constituée d'un wagon de 24,82m de long qui comprend deux citernes de 53m³ chacune, séparées par un poste de pompage ^[2].

Le poste de pompage abrite deux motopompes TsN-54, qui refoulent le kérosène au travers d'un filtre. En temps normal, le remplissage du lanceur est réalisé avec une seule pompe, la seconde restant en réserve ^[2].

Fig. 1.1.1 : L'avitailleuse du système de remplissage en kérosène T-1 à Baïkonour.
Crédit : DR.

Fig. 1.1.2 : Schéma de l'avitailleuse du système de remplissage en kérosène T-1.
Crédit : KBOM.

Le démarrage de la pompe de remplissage est commandé manuellement depuis le pupitre de l'avitailleuse. Sa mise hors service est commandée de manière automatique par le système de contrôle du remplissage ^[2].

Fig. 1.1.3 : Schéma fonctionnel de l'avitailleuse en kérosène.
Crédit : KBOM.

Fig. 1.1.4 : L'avitailleuse de Plesetsk.
Crédit : DR.

L'avitailleuse a été développée à partir de 1954 par l'usine de machines lourdes Jdanov, appelée aujourd'hui Azovmach et située à Marioupol, dans l'est de l'Ukraine. Le développement a été réalisé conjointement avec le KBOM, maître d'œuvre du segment sol du missile R-7. La première version s'appelait 8G119 ^[1].

Au vu des photographies disponibles dans la littérature, il existe au moins six exemplaires, répartis sur les trois bases de lancement du lanceur Soyouz. L'avitailleuse de Guyane porte une référence différente (373TP11) et a été développée par le TsKB TM ^[5] et la NPP Ekspert ^[6].

Baïkonour N°34263601	Baïkonour N°37967701	Baïkonour N°34296401
Plesetsk N°34215701	Plesetsk N°34209801	Plesetsk N°37983101
	Centre Spatial Guyanais

En 1997, le système de refroidissement SM-1000 a été installé sur l'avitailleuse 8G0119 du pas de tir n°5 du cosmodrome de Baïkonour. Abaisser la température du kérosène permet en effet d'améliorer la performance du lanceur ^[3].

1.2. Le système de remplissage

Sur le pas de tir, l'avitailleuse (8G0119) est connectée par les équipes techniques au système de remplissage (8G0124), qui permet de la relier aux réservoirs du lanceur. La connexion se fait sur un poste de raccordement situé à côté du pas de tir (Fig. 1.2.1).

Fig. 1.2.1 : Raccordement du système de remplissage 8G0124 à l'avitailleuse 8G0119.
Crédit : KBOM.

Le kérosène est d'abord pompé dans un collecteur qui entoure le pas de tir (repères n°15 et 16 sur le schéma de la figure 1.2.2), puis il est envoyé dans les cinq réservoirs à remplir via des flexibles métalliques (Fig. 1.2.3) raccordés manuellement au lanceur par les techniciens ^[2].

Fig. 1.2.2 : Schéma du système 8G0124.
Crédit : KBOM.

Fig. 1.2.3 : Les flexibles du système 8G0124 raccordés au lanceur.
Lancement du 19 octobre 2006. Crédit : Roscosmos.

2. Remplissage en kérosène du troisième étage

Pour le troisième étage du lanceur (Bloc I), le plein du réservoir est réalisé au moyen d'une avitailleuse (8G133) qui vient se raccorder à un système de remplissage (8G0124M3) intégré au pas de tir ^[2].

Il existe aussi une avitailleuse d'un autre type (11G133), destinée également au remplissage du Bloc I, d'un volume de 12,1m^{3 [4]}. On ne sait pas exactement si elle remplace la 8G133 ou si les deux types coexistent. L'avitailleuse 11G133 est basée sur un camion de type Oural 44202.

Fig. 2.1 : L'avitailleuse 8G133 de Baïkonour.
Crédit : Roscosmos.

Fig. 2.2 : L'avitailleuse 8G133 de Baïkonour.
Crédit : Roscosmos.

Pour les Bloc I équipés du moteur RD-0124 (14D23), le kérosène est de type RG-1 (appelé aussi naphtyle). Pour toutes les autres versions, il est de type T-1, comme les deux premiers étages.

Fig. 2.3 : L'avitailleuse 11G133 de Plesetsk.
Crédit : DR.

De plus, quel que soit le type de kérosène, un antigel appelé ethylcellosolve (CH3-CH2-O-CH2-CH2-OH) y est ajouté afin d'éviter que le kérosène ne gèle dans l'Espace. Ce composé organique est appelé Liquide I (Жидкость И) dans la terminologie spatiale russe.

Le système de remplissage est raccordé manuellement au réservoir de kérosène du Bloc I via le mât KZM (Кабель-Заправочная Мачта) ^[2]. Avant d'arriver dans le réservoir, le kérosène passe par des filtres 20µm ^[7].

Fig. 2.4 : Raccordement du 8G0124M3 sur le Bloc I, via le KZM.
Crédit : KBOM.

Le système de remplissage était le même pour le Bloc E des lanceurs Vostok (8K72), Vostok (8K72K), Vostok-2 (8A92), Vostok-2M (8A92M) et Vostok-2A (11A510), ainsi que pour le Bloc L des lanceurs Molnia (8K78) et Molnia-M (8K78M).

3. Remplissage en peroxyde d'hydrogène des deux premiers étages

Comme pour le kérosène, l'approvisionnement du Bloc A et des Blocs BVGD en peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) à haute concentration (82,5%), appelé Produit 030 dans la terminologie russe, est réalisé au moyen d'une avitailleuse (8G029) qui vient se raccorder à un système de remplissage (8G0125) intégré au pas de tir.

Comme les réservoirs toriques de peroxyde d'hydrogène sont en-dessous du niveau 0m, leur remplissage est réalisé gravitairement. Une fois l'avitailleuse connectée aux réservoirs par l'intermédiaire du système de remplissage, il n'y a qu'à ouvrir les vannes et le peroxyde s'écoule dans les réservoirs ^[2].

Fig. 3.1 : Schéma du système de remplissage 8G0125.
Crédit : KBOM.

Le remplissage du peroxyde, réalisé simultanément sur les cinq réservoirs, prend entre 40 et 60 minutes. Le fluide, avant d'entrer dans les réservoirs, passe par des filtres 70µm. Les cinq points de raccordement de l'avitailleuse au système de remplissage sont situés à 0m, et le peroxyde s'écoule dans un collecteur situé à -5,2m avant de finir dans les réservoirs ^[2].

Sur la partie verticale de la ligne de remplissage (qui plonge dans la fosse du pas de tir) de chaque étage, un capteur de niveau U1 et un capteur de débit DPP permettent de contrôler visuellement le débit de peroxyde. Une fois que le collecteur est rempli, l'opérateur ouvre les vannes ZSK et DPK de chacun des cinq réservoirs, ce qui permet au peroxyde d'y pénétrer ^[2].

Fig. 3.2 : Schéma hydraulique du système de remplissage 8G0125.
Crédit : KBOM.

Le peroxyde d'hydrogène est un produit hautement instable et donne lieu à des réactions énergétiques violentes au contact de la moindre impureté. Cette réaction se traduit par une brusque montée en température pouvant conduire à une explosion. Le peroxyde se dilue très facilement dans l’eau et se transforme en eau sans réaction thermique violente ^[9].

Au Centre Spatial Guyanais, afin d’éviter les réactions au contact de la surface bétonnée, un bassin a été positionné directement sous les containers en stockage. De ce fait, en cas de fuite le peroxyde tombe directement dans l’eau ^[9].

Fig. 3.3 : Orifice de remplissage du peroxyde d'hydrogène.
Crédit : ESA.

La première avitailleuse de Baïkonour a été construite en Ukraine par Azovmach à partir de 1954 (comme l'avitailleuse de kérosène). L'avitailleuse de Guyane (373TP41) a été construite par le TsKB TM de Tver.

Fig. 3.4 : Tuyauterie du système de remplissage en peroxyde d'hydrogène.
Pas de tir n°5 du cosmodrome de Baïkonour. Crédit : NASA.

Fig. 3.5 : L'avitailleuse de peroxyde d'hydrogène.
Cosmodrome de Plesetsk. Crédit : LiveJournal.

Fig. 3.6 : Schéma de l'avitailleuse de peroxyde d'hydrogène de Guyane.
Crédit : CNES.

Fig. 3.7 : L'avitailleuse de peroxyde d'hydrogène de Guyane.
Crédit : ESA.

Fig. 3.8 : L'avitailleuse de peroxyde d'hydrogène de Plesetsk.
Crédit : DR.

4. Remplissage en oxygène liquide et en azote

Tous les étages des lanceurs de classe Soyouz utilisent l'oxygène liquide (LOX), appelé Produit 099 dans la terminologie russe, comme comburant pour leurs moteurs.

D'autre part, les réservoirs de LOX des deux premiers étages (Bloc A et Blocs BVGD) sont maintenus sous pression par un matelas d'azote à l'état gazeux. L'azote, appelée Produit 100 par les Russes, est stockée dans un réservoir à l'état liquide, et se vaporise après un passage dans le moteur.

L'exploitation de ce type d'ergols, dits cryotechniques car maintenus à de très basses températures, est très complexe. Le développement de moyens de stockage et de remplissage a été confié en 1954 au bureau d'études Uralkriomach (anciennement OKB-250), créé spécialement au sein de l'entreprise Uralvagonzavod.

Fig. 4.1 : Le cahier des charges signé en août 1954
pour le développement du système de remplissage en oxygène liquide.
Crédit : Uralvagonzavod.

Le système d'approvisionnement des lanceurs R-7, Spoutnik, Vostok et Voskhod est constitué :

- d'une avitailleuse de LOX (8G117),
- d'une avitailleuse complémentaire de LOX (8G118),
- d'une avitailleuse d'azote liquide (8G128),
- d'une citerne de transport de LOX (8G52),
- d'une citerne de transport d'azote liquide (8G54).

Fig. 4.2 : Le système de remplissage.
1. 8G117 2. 8G118 3. 8G128 4. Borne de raccordement pour l'oxygène liquide 5. Protection 6. 8G52 7. 8G54.
Crédit : Uralvagonzavod.

Le remplissage en oxygène liquide est réalisé par quatre pompes TsN-24 fournies par le NII Hydromach de Moscou, qui aspirent dans trois avitailleuses 8G117 et trois citernes 8G52 ^[10].

Fig. 4.3 : Vue en coupe de l'avitailleuse d'oxygène liquide 8G117.
Crédit : Uralvagonzavod.

Avec l'entrée en service du lanceur Vostok et de son troisième étage Bloc E, Uralkriomach développe un nouveau système constitué :

- d'un train de transport d'oxygène liquide (8G59),
- d'un train de remplissage en oxygène liquide (8G60).

Le train de transport est constitué de neuf citernes (8G61), d'un groupe de compresseurs (8P211) et de deux wagons technologiques (8P212, 8P217). Le train de remplissage, quant à lui, est constitué de six avitailleuses (8G0117, 8G0118).

En 1966, avec l'entrée en service du lanceur Soyouz, un nouveau système de remplissage (11G722) est développé. Il est constitué de cinq citernes d'oxygène liquide de 74m³ chacune, ainsi que d'une citerne d'azote liquide de 30m³. C'est toujours ce système qui est utilisé de nos jours ^[10].

Fig. 4.4 : Schéma du système de remplissage 11G722 du lanceur Soyouz.
1. Citerne LOX. 2. Citerne azote. 3. Canalisation LOX. 4. Canalisation azote. 5. Canalisation de vidange. 6. Evaporateur d'azote. 7. Protection. 8. Pompe TsN-24M. 9. Evaporateur d'oxygène. 10. Borne de raccordement. 11. Citerne 8G513. 12. Bouche de vidange.
Crédit : Uralvagonzavod.

L'oxygène et l'azote arrivent sur le pas de tir dans des wagons et sont transférés dans les citernes situées à côté du pas de tir, puis dans les réservoirs du lanceur.

Fig. 4.5 : Les citernes d'oxygène et d'azote sur le pas de tir n°5 de Baïkonour.
Crédit : Roscosmos.

Fig. 4.6 : Transfert de LOX des wagons vers les citernes du pas de tir n°5 de Baïkonour.
Crédit : Roscosmos.

Fig. 4.7 : Les citernes de LOX et d'azote sur le pas de tir n°4 de Plesetsk.
Crédit : DR.

Fig. 4.8 : L'orifice de remplissage en LOX de l'un des blocs latéraux.
MGTU Baoumann, filiale d'Orevo. Crédit : Nicolas PILLET.

5. Séquence de remplissage

On remarque, pour les lanceurs Soyouz-2 équipés du nouveau moteur RD-0124 sur leur troisième étage (Bloc I), le remplissage du kérosène RG-1 se fait en deux temps.

Bibliographie

[1] EFIMOV, A., Заправщики гагаринского старта, «Азовский машиностроитель» №39
[2] BARMINE, I., Технологические объекты наземной инфраструктуры рк-техники, Tome 2
[3] SEMIONOV, Y., На рубеже двух веков
[4] BARMINE, I., Диагностика наземной космической инфраструктуры
[5] Interview d'A. VASSILIENKO, Умное производство n°26 (juin 2014)
[6] Site web de la NPP Ekspert (http://expert-npp.ru), consulté en août 2014
[7] Стартовый комплекс для предстартовой подготовки и пуска ракеты-носителя с космической головной частью, sur le site findpatent.ru
[8] L'appellation RP-1 est parfois rencontrée dans la littérature. C'est un terme occidental pour désigner le kérosène utilisé dans l'aviation. Les kérosènes de types T-1 et RG-1 sont très similaires au RP-1 occidental, mais sensiblement plus denses.
[9] Contraintes dimensionnantes et conception générale des ouvrages, document CNES/DLA
[10] TCHEREMNYKH, O., Создание транспортного и заправочного оборудования для ракеты-носителя « Восток »

Dernière mise à jour : 30 septembre 2014