Les (SSME) (), ou RS-25, sont les moteurs-fusées principaux de la navette spatiale américaine. L'orbiteur de la navette spatiale est propulsé par trois SSME, qui sont démontés après chaque vol puis remis à neuf pour une nouvelle utilisation. Ils sont construits par la division de Rocketdyne de Pratt & Whitney. Une version non réutilisable du moteur-fusée, le RS-25 D/E, est développée pour propulser le premier étage du nouveau lanceur lourd de la NASA, le , dont le premier vol a eu lieu le .
Caractéristique techniques
Introduction Les trois moteurs principaux de la navette spatiale brûlent de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide provenant du réservoir externe. Ils sont utilisés pour la propulsion durant l'ascension de la navette spatiale, en complément des deux , plus puissants, et parfois de l'Orbital Maneuvering System (OMS). Chaque moteur génère presque de poussée au décollage. Les moteurs ont une impulsion spécifique (Isp) de au niveau de la mer et de dans le vide, avec respectivement des vitesses d'éjection de et de . Tout compris, un moteur principal de navette pèse environ . Les moteurs sont démontés après chaque vol et conduits au (SSMEPF, Hangar de traitement des moteurs principaux de la navette spatiale) pour le contrôle et le remplacement éventuel de chaque pièce.
Les moteurs-fusées de la navette spatiale sont capables de fonctionner à des températures extrêmes. L'hydrogène liquide est stocké à . Cependant, lorsqu'il brûle avec l'oxygène liquide, la température dans la chambre de combustion atteint , supérieure au point d'ébullition du fer. Les trois moteurs principaux consomment ensemble d'ergol par seconde. Si les moteurs principaux pompaient de l'eau au lieu de l'oxygène liquide et de l'hydrogène liquide, une piscine de taille moyenne serait vidée en .
En plus des trois moteurs principaux, la navette possède moteurs-fusées disposés sur sa surface, qui font partie de l (OMS, système de manœuvres orbitales) et du (RCS, système de contrôle par réaction), utilisés pour diriger, orienter et effectuer des réglages d'attitude de la navette en orbite.
Les moteurs fonctionnent comme suit : l'hydrogène et l'oxygène stockés dans le réservoir externe entrent dans la navette au niveau du séparateur ombilical navette/réservoir externe connecté aux tuyauteries d'alimentation du système de propulsion principal de la navette. À ce niveau, l'hydrogène et l'oxygène sont chacun répartis vers trois branches, une pour chaque moteur. Dans chaque branche, les pré-vannes doivent être ouvertes pour alimenter les turbopompes basse pression à oxygène et à hydrogène.
Circuit de l'oxygène vignette|upright=1.25|Principaux composants d'un SSME. La turbopompe basse pression à oxygène (LPOTP) est une pompe à flux axial entraînée par une turbine à six étages fonctionnant à l'oxygène liquide. Elle porte la pression de l'oxygène liquide de . Le débit sortant de la LPOTP alimente la turbopompe haute pression à oxygène (HPOTP). Durant le fonctionnement du moteur, cette pressurisation permet à la turbine à haute pression de fonctionner à grande vitesse sans caviter. La LPOTP fonctionne à environ . La LPOTP, qui mesure environ , est connectée à la tuyauterie d'entrée et fixée à la structure de la navette.
La HPOTP est constituée de deux pompes centrifuges à un seul étage (une pompe principale et une pompe "preburner") montées sur un arbre commun et entrainées par une turbine à deux étages à gaz chaud. La pompe principale porte la pression de l'oxygène liquide de et fonctionne à environ . Le débit sortant de la HPOTP est divisé en plusieurs flux, dont l'un est utilisé pour entraîner la turbine LPOTP. Un autre flux est dirigé vers la vanne principale d'oxygène et entre dans la chambre de combustion principale. Une faible partie du flux est envoyée vers le vaporisateur d'oxygène. L'oxygène liquide traverse un clapet anti-retour qui l'empêche d'entrer dans l'échangeur de chaleur jusqu'à ce que la température soit suffisante pour transformer l'oxygène liquide en gaz. L'échangeur de chaleur utilise la chaleur contenue dans les gaz sortants de la turbine HPOTP pour transformer l'oxygène liquide en gaz. Le gaz est envoyé vers un collecteur avant d'être dirigé vers le réservoir externe pour pressuriser le réservoir d'oxygène liquide (pressurisation autogène). Une autre partie du flux est envoyée vers le deuxième étage de la pompe HPOTP "preburner" pour porter la pression de l'oxygène liquide de . Ce flux alimente l'« » (préchambre de combustion de l'oxygène) via la vanne d'oxygène de l'« » et le « » (préchambre de combustion de l'hydrogène) via la vanne d'oxygène du l'« ». La HPOTP mesure environ . Elle est fixée par des brides au collecteur des gaz chauds.
La turbine HPOTP et les pompes HPOTP sont montées sur le même arbre. Le mélange du gaz chaud riche en hydrogène présent dans la turbine et de l'oxygène liquide dans la pompe principale pourrait créer un accident. Pour éviter cela, les deux sections sont séparées par une chambre qui est continuellement balayée par le circuit d'hélium du moteur durant le fonctionnement de ce dernier. Deux joints limitent les fuites vers la chambre : un joint est situé entre la turbine et la chambre et l'autre entre la pompe et la chambre. La perte de pression d'hélium dans cette chambre entraîne l'arrêt automatique du moteur.
Circuit de l'hydrogène upright=1.25|vignette|Système de propulsion principal de la navette. L'hydrogène entre dans la navette au niveau de la vanne séparatrice d'alimentation en hydrogène liquide, puis circule dans le collecteur d'hydrogène liquide pour être divisé en trois branches, une pour chaque moteur. Dans chaque branche, une pré-vanne permet à l'hydrogène liquide d'alimenter la turbopompe basse pression à hydrogène, lorsque la pré-vanne est ouverte.
La pompe basse pression à hydrogène (LPFTP) est une pompe axiale entrainée par une turbine à deux étages fonctionnant à l'hydrogène gazeux. Elle porte la pression de l'hydrogène liquide de et l'envoie à la pompe haute pression à hydrogène (HPFTP). Durant le fonctionnement du moteur, la surpression fournie par la LPFTP permet à la HPFTP de tourner à grande vitesse sans caviter. La LPFTP fonctionne à environ et mesure environ . Elle est connectée au circuit d'ergol de la navette et est fixée à la structure de la navette à de la LPOTP.
La HPFTP est une pompe centrifuge à trois étages entrainée par une turbine à deux étages à gaz chaud. Elle porte la pression de l'hydrogène liquide de . La HPFTP fonctionne à environ . Le débit sortant de la turbopompe est dirigé vers la vanne principale puis est divisé en trois flux. Un des flux est envoyé vers la chemise de la chambre de combustion principale, où l'hydrogène est utilisé pour refroidir les parois de la chambre. Il est ensuite renvoyé vers la LPFTP, où il est utilisé pour entraîner la turbine LPFTP. Une petite partie du flux sortant de la LPFTP est ensuite dirigée vers un collecteur commun aux trois moteurs avant d'être envoyé vers le réservoir externe pour maintenir la pressurisation du réservoir d'hydrogène liquide (pressurisation autogène). L'hydrogène restant passe entre les parois interne et externe du collecteur des gaz chauds pour le refroidir et est évacué dans la chambre de combustion principale. Le deuxième flux d'hydrogène issu de la vanne principale est dirigé vers la tuyère du moteur, pour la refroidir. Il rejoint ensuite le troisième flux en provenance de la vanne de refroidissement de la chambre. Le flux combiné est finalement dirigé vers le fuel preburner et loxidizer preburner. La HPFTP mesure environ . Elle est fixée par des brides au collecteur des gaz chauds.
Pre-burners et système de contrôle de la poussée vignette|upright=1.25|Le moteur en cours d'installation sur une navette dans un des ateliers d'entretien des navettes ( ou OPF). Les preburners d'oxygène et d'hydrogène sont soudés sur le collecteur des gaz chauds. L'hydrogène et l'oxygène pénètrent dans les preburners et sont mélangés afin qu'une combustion efficace ait lieu. L'allumeur à arc est une petite chambre de mélange située au centre de l'injecteur de chaque preburner. Les deux allumeurs à arc redondants, qui sont pilotés par le contrôleur du moteur, sont utilisés lors de la séquence de démarrage du moteur pour déclencher la combustion dans chaque preburner. Ils sont coupés après environ trois secondes car le processus de combustion est auto-entretenu. Les preburners fournissent le gaz chaud riche en hydrogène qui traverse les turbines pour créer la puissance nécessaire pour entraîner les turbo-pompes à haute pression. La sortie du preburner d'oxygène entraîne la turbine qui est connectée à la HPOTP et à la pompe du preburner d'oxygène. La sortie du preburner d'hydrogène entraîne la turbine qui est connectée à la HPFTP.
La vitesse des turbines HPOTP et HPFTP dépend de la position des vannes, respectivement du preburner d'oxygène et du preburner d'hydrogène. Ces vannes sont pilotées par le contrôleur du moteur, qui les utilise pour réguler le débit d'oxygène liquide vers les preburners et, ainsi, contrôler la poussée du moteur. Les vannes des preburners d'oxygène et d'hydrogène augmentent ou diminuent le débit d'oxygène liquide, augmentant ou diminuant la pression dans la chambre des preburners, la vitesse des turbines HPOTP et HPFTP, le débit d'oxygène liquide et d'hydrogène gazeux dans la chambre de combustion principale, qui finalement augmente ou diminue la poussée du moteur, régulant ainsi le moteur. Les vannes des preburners d'oxygène et d'hydrogène fonctionnent de concert pour réguler le moteur et maintenir un rapport de mélange constant 6-1 entre les ergols.
La vanne d'oxygène principale et la vanne d'hydrogène principale contrôlent le débit d'oxygène liquide et d'hydrogène liquide dans le moteur et sont pilotées par le contrôleur du moteur. Quand un moteur fonctionne, les vannes principales sont entièrement ouvertes.
Système de refroidissement Une vanne de régulation du réfrigérant est montée sur la tuyauterie du bypass de refroidissement de la chambre de combustion de chaque moteur. Le contrôleur du moteur régule le débit d'hydrogène gazeux contournant la boucle de refroidissement de la tuyère, contrôlant ainsi sa température. La vanne de refroidissement de la chambre est ouverte à 100 % avant le démarrage du moteur. Lors du fonctionnement du moteur, elle est ouverte à 100 % pour des réglages de poussée compris entre 100 et 109 % pour un refroidissement maximal. Pour des réglages de poussée entre 65 et 100 %, sa position varie entre 66,4 et 100 % d'ouverture pour un refroidissement réduit. vignette|upright=1.25|Les moteurs principaux de la navette Atlantis, en fonctionnement lors du lancement de la mission STS-117.
Chambre de combustion et tuyère Chaque chambre de combustion principale reçoit le gaz chaud riche en hydrogène provenant du circuit de refroidissement du collecteur des gaz chauds. L'hydrogène gazeux et l'oxygène liquide pénètrent dans la chambre par l'injecteur, qui mélange les ergols. Une petite chambre d'allumage à bougie est située au centre de l'injecteur. L'allumeur redondant est utilisé pendant la séquence de démarrage du moteur pour déclencher la combustion. Les allumeurs sont coupés après environ trois secondes car le processus de combustion est auto-entretenu. L'injecteur principal et le dôme sont soudés au collecteur des gaz chauds. La chambre de combustion principale est également boulonnée au collecteur des gaz chauds.