Le moteur-fusée à ergols liquides est un type de moteur-fusée utilisant des ergols liquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimique contenue dans les ergols qui est libérée soit par réaction exothermique d'un comburant et d'un combustible soit par décomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par la réaction chimique à l'opposé de la direction du déplacement souhaité et il peut fonctionner dans le vide car il ne prélève pas son comburant dans l'environnement extérieur. Les principaux organes d'un moteur à ergols liquides sont regroupés au sein du système d'alimentation chargé d'amener les ergols à la pression attendue et d'une chambre de combustion dans laquelle la réaction chimique a lieu et produit les gaz qui sont éjectés vers une tuyère. Il est utilisé sur pratiquement tous les lanceurs qui mettent sur orbite satellites, sondes spatiales et vaisseaux spatiaux avec équipage.

De nombreuses configurations de moteurs-fusées coexistent : la plus simple, utilisée pour des poussées faibles, repose sur un système d'alimentation par pressurisation des réservoirs d'ergols. Les plus complexes, qui permettent d'obtenir des poussées pouvant aller jusqu'à près d'un millier de tonnes, ont recours à des turbopompes tournant à très grande vitesse et brulent des ergols cryotechniques comme l'oxygène ou l'hydrogène liquide. Contrairement aux moteurs à propergols solides, la poussée peut être modulée fortement au prix d'une complexité accrue. La mise au point des moteurs-fusées à ergols liquides a débuté dans les années 1920 et a reçu une première application opérationnelle avec le missile allemand V2 (1943). Son emploi a été généralisé dans les missiles balistiques développé au cours des années 1950 puis s'est étendu aux lanceurs à la fin de la décennie. La mise au point des différentes configurations ainsi que le développement des moteurs les plus puissants s'est réalisée au cours des années 1960 et 1970.

Historique vignette|La fusée à ergols liquides de Tsiolkovski.

C'est dans les années 1900 que le pionnier russe de l'astronautique Constantin Tsiolkovski émet l'idée d'utiliser pour la première fois ce type de moteur pour l'exploration spatiale. Pedro Paulet étant le premier qui fit fonctionner ce type de moteur en 1897 à Paris..

Au début, dans les années 1920-1940, quelques pionniers testèrent plusieurs modèles de ce type de moteur. Parmi eux, Robert Goddard, Robert Esnault-Pelterie et Friedrich Tsander, puis depuis les années 1930 Valentin Glouchko issus du GIRD.

En Allemagne, le Heinkel He 176 était un avion-fusée d'expérimentations, conçu juste avant le début de la Seconde Guerre mondiale par le constructeur Heinkel. Il fut le premier aéronef au monde à être propulsé uniquement par un moteur-fusée à ergols liquides, effectuant son premier vol propulsé le , piloté par Erich Warsitz.

Toujours en Allemagne, durant la Seconde Guerre mondiale, Wernher von Braun et Walter Dornberger développèrent les redoutables missiles V2 qui bombardèrent Londres. Dans les années 1950 a 1970, des avions à réaction les utilisent comme moteur d'appoint tel les moteurs-fusées SEPR utilisés par les Mirage III français.

Durant la guerre froide, la compétition entre les deux blocs permet l'apparition de moteurs et de véhicules de plus en plus élaborés avec les retombées que l'on sait : Spoutnik, Programme Apollo, Navette spatiale, Station spatiale internationale, Soyouz

Aujourd'hui, pratiquement tous les véhicules spatiaux, quelques avions expérimentaux et plusieurs missiles balistiques utilisent ce genre de moteur.

Principe de fonctionnement

Le moteur-fusée comprend : le système d'alimentation en ergols du moteur-fusée : le choix de ce système a un impact direct sur les performances et joue un rôle majeur dans l'architecture générale du moteur. Il peut se résumer à un simple système de mise sous pression des réservoirs mais inclut souvent des turbopompes, un générateur de gaz la chambre de combustion dans laquelle sont brulés le ou les ergols les injecteurs qui diffusent les ergols (carburant et comburant) dans la chambre de combustion le système d'allumage qui initialise la combustion si les ergols ne sont pas hypergoliques le circuit de refroidissement qui refroidit la chambre de combustion est tout ou partie de la tuyère la tuyère dans laquelle se réalise la détente des gaz qui sont accélérés

Les différents systèmes d'alimentation du moteur

Les ergols doivent être injectés sous pression dans la chambre de combustion. Plusieurs systèmes d'alimentation peuvent être utilisés en adéquation avec le niveau de poussée du moteur et les performances recherchées. Les familles de systèmes d'alimentation en allant du plus simple au plus complexe sont : l'alimentation par pressurisation des réservoirs, le cycle à expandeur, le cycle à générateur de gaz et le cycle à combustion étagée.

Quel que soit le système d'alimentation, celui-ci repose sur des canalisations et des vannes qui souvent doivent fonctionner dans des conditions de température et de pression extrêmes : par exemple la vanne qui contrôle le by-pass de la turbopompe à oxygène du moteur J-2 voit passer au démarrage de l'hydrogène liquide à et une seconde plus tard des gaz brûlés dont la température atteint . Dans le cas des moteurs américains les vannes-papillon ont été fréquemment utilisées au début de l'ère spatiale mais les vannes à boisseau sphérique sont aujourd'hui préférées parce qu'elles demandent moins de force pour être actionnées et elles permettent de moduler avec plus de précision les flux d'ergols. Le système qui pilote la propulsion de la fusée agit sur les vannes en utilisant des actionneurs pneumatiques qui tirent leur énergie par exemple d'un circuit d'hélium sous pression..

Alimentation par pressurisation des réservoirs

thumb|Schéma Alimentation par pressurisation des réservoirs : 1 Réservoir carburant, 2 Réservoir comburant, 3 Vannes, 4 Chambre de combustion, 5 Échangeur thermique, 6 Réservoir gaz utilisé pour la pressurisation, 7 Tuyère.

La méthode la plus simple pour mettre sous pression les ergols qui alimentent la chambre de combustion est de maintenir une pression importante dans les réservoirs à l'aide d'un gaz inerte comme l'azote ou l'hélium. Toutefois cette solution impose que les réservoirs aient des parois suffisamment épaisses pour résister à cette pression. Ce mode d'alimentation est donc réservé aux moteurs-fusées devant fournir une poussée réduite, car pour les moteurs plus puissants et ayant donc des réservoirs de grande taille, cette solution aboutit à une masse trop importante des réservoirs à cause de l'épaisseur des parois. Dans le cas général, le gaz inerte utilisé pour la mise sous pression est stocké sous très haute pression dans un réservoir à part. Son injection dans le réservoir d'ergols est contrôlée par un système de régulation de pression. Le gaz inerte peut être également produit par un générateur de gaz ou en déviant une faible fraction des ergols mis sous pression (pressurisation autogène). On peut également diminuer la masse de gaz inerte utilisée en faisant passer celui-ci par un échangeur de chaleur solidaire de la chambre de combustion, ce qui augmente sa température et donc sa pression. Le système de pressurisation peut être fortement simplifié (au détriment des performances) en supprimant le réservoir stockant le gaz pressurisé (mode ) : celui-ci se trouve dans le même réservoir que les ergols mais du coup un volume plus important est nécessaire pour le stocker. La pression exercée par le gaz inerte diminue au fur et à mesure que le réservoir se vide, ce qui entraine un mélange moins optimal des deux ergols et nécessite que la chambre de combustion fonctionne dans une plage de pression relativement large. Différents systèmes - diaphragme élastique, un piston ou soufflet - peuvent être utilisés pour séparer l'ergol et le gaz inerte afin d'éviter que ce dernier pénètre dans les canalisations alimentant la chambre de combustion et ne perturbe cette dernière. Ce dispositif est particulièrement nécessaire lorsque la fusée subit des accélérations transversales ou des phases d'apesanteur qui peuvent aboutir à créer des bulles du gaz au sein des ergols.

Alimentation par turbopompe Le système d'alimentation par turbopompe est utilisé pour les moteurs de poussée moyenne et forte. Dans ce système, la vitesse des ergols et donc la pression dans le circuit d'alimentation est accrue grâce à une turbopompe qui tourne parfois à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute. Celle-ci est entrainée par une turbine à gaz elle-même alimentée dans le cas le plus fréquent par un générateur de gaz. Plusieurs variantes de ce système d'alimentation coexistent qui se caractérisent par une complexité croissante.

Cycle à expandeur

Dans le cycle à expandeur, la turbopompe n'est pas actionnée par les gaz fournis par une première combustion, mais par la seule détente de l'ergol cryotechnique qui circule dans les parois de la chambre à combustion pour la refroidir et passe ainsi de l'état liquide à l'état gazeux. Ce dispositif permet de supprimer le générateur de gaz et diminue la température à laquelle la turbine doit résister mais elle ne permet pas d'obtenir une pression aussi élevée en entrée de chambre à combustion. En effet la quantité de chaleur fournie par la chambre de combustion, qui détermine la quantité d'ergols gazéifiée et donc la vitesse d'entrainement de la turbopompe, est limitée par la taille de la chambre. Il existe plusieurs variantes de ce cycle. Dans la variante la plus courante le cycle est fermé c'est-à-dire que l'ergol gazéifié qui a servi à entrainer la turbopompe est réinjecté dans la chambre à combustion. Le cycle peut être ouvert, auquel cas cet ergol est soit éjecté dans l'espace par la turbopompe soit injecté à l'intérieur de la partie basse de la tuyère pour refroidir celle-ci. Dans le circuit ouvert une partie du potentiel énergétique des ergols n'est pas utilisé mais en contrepartie la turbopompe n'a pas besoin de recompresser l'ergol utilisé pour la faire tourner avant de l'injecter dans la chambre de combustion. Cette caractéristique permet d'atteindre des pressions deux à trois fois supérieures dans la chambre de combustion, donc de réduire le diamètre du col de la tuyère. Cette géométrie permet à son tour d'augmenter le rapport de section du divergent et ainsi d'accroitre la détente dans le vide des gaz expulsés aboutissant à un meilleur rendement..

Cette formule permet d'obtenir des moteurs performants (bonne impulsion spécifique) mais dont la poussée est modeste (environ de poussée au maximum). Ce système d'alimentation est utilisé pour les moteurs-fusées cryogéniques propulsant des étages supérieurs de fusée comme le RL-10 (moteur utilisé par l'étage Centaur) ou le moteur européen Vinci qui doit propulser le deuxième étage de la fusée Ariane 6.

Cycle à générateur de gaz

Dans cette architecture, le système d'entrainement des pompes est indépendant de l'alimentation en ergols de la chambre de combustion : une fraction des ergols est brûlée dans un générateur de gaz, les gaz produits entrainent la turbine puis sont rejetés sans passer ni par la chambre à combustion ni par la tuyère. Cette solution est moins performante que la suivante car une partie de l'énergie produite par les ergols utilisés par le générateur à gaz est perdue. Par contre, elle permet de concevoir un moteur plus simple.. Pour les puissances moyenne et élevée, c'est le système le plus couramment utilisé. Les moteurs plus connus sont le F-1 américain propulsant le premier étage de la fusée Saturn V, le moteur cryogénique J-2 du deuxième étage de cette fusée, le moteur Viking des premières fusées européennes Ariane, la première version du LE-5 japonais et le moteur Vulcain propulsant la fusée Ariane 5D. Marty .