Cycle à combustion étagée

Lecycle à combustion étagée(staged combustion cycle) est une configuration demoteur-fusée à ergols liquidesdans laquelle lesergolspassent par plusieurschambres de combustion. Cette configuration permet d'obtenir des moteurs particulièrement performants, au prix d'une plus grande complexité.
Le principe de la combustion étagée est proposée pour la première fois par l'ingénieursoviétiqueAlexeï Issaïeven 1949. Le premier moteur utilisant cette configuration est leS1.5400développé par le bureauOKB 1pour propulser l'étage supérieur Bloc L du lanceurMolnia, qui réalise son premier vol en 1960. En parallèle,Nikolaï Kouznetsovparticipe à partir de 1959 au développement de moteurs à combustion étagée pour la fuséeN1dans le cadre duprogramme lunaire habité soviétique: lesNK-15et NK-15V, puis lesNK-33et NK-43 prévus pour la version amélioréeN1Fdu lanceur.Valentin Glouchkodéveloppe quant à lui entre 1961 et 1965 leRD-253, moteur à combustion étagée non cryogénique brûlant duperoxyde d'azoteet de l'UDMHutilisé pour propulser le premier étage du lanceurProton, qui réalise son premier vol en 1967.
LeRS-25, utilisé à partir de 1981 sur lanavette spatiale américaine, est le premier moteur à combustion étagée à utiliser de l'hydrogène liquideet de l'oxygène liquide. Son équivalent soviétique utilisé sur le lanceurEnergia, leRD-0120, vole en 1987.
Dans un cycle à combustion étagée, une partie des ergols passe dans une ou plusieurs préchambres de combustion, dans lesquelles la proportion de carburant (combustionfuel rich) ou de comburant (combustionoxidizer rich) est volontairement trop élevée, dans le but d'obtenir une combustion incomplète. Les gaz sortant de cette préchambre de combustion entrainent laturbinede laturbopompeavant d'être injectés dans la chambre de combustion principale avec le reste des ergols. Dans la mesure où tous les ergols sont éjectés par latuyèreet contribuent à la propulsion, le cycle à combustion étagée est un cycle fermé.
Les moteurs à combustion étagée peuvent avoir une variété de disposition des ensembles préchambre-turbine-turbopompes : les deux pompes peuvent utiliser une turbine commune (exemple : leRD-191) ou avoir chacune la sienne, et dans ce cas les deux turbines peuvent avoir chacune une préchambre ou bien se partager une préchambre commune. Le RS-25 est un exemple de moteur à deux ensembles préchambre-turbine.
Une variante est la combustion étagée à flux complet (full-flow staged combustion). Dans celle-ci, la turbopompe du carburant est entrainée par une préchambrefuel richet celle du comburant par une préchambreoxidizer rich. La totalité des ergols passe par l'une des turbines, d'où le nom de la configuration.
Seuls trois moteurs-fusées utilisant cette variante ont atteint lebanc d'essai: leRD-270soviétique dont le développement commence en 1962 mais est annulé en 1970 sans avoir jamais volé; l'Integrated Powerhead Demonstrator(en)développé par l'Air Force Research Laboratorydans les années 1990 et 2000; et leRaptordeSpaceXdont le premier essai a eu lieu en septembre 2016et le premier vol en août 2019.
La combustion étagée est le cycle permettant d'atteindre les pressions les plus élevées dans la chambre de combustion, de l'ordre de250bar à300bar. Elle permet de concevoir des moteurs puissants avec uneimpulsion spécifiqueélevée. En contrepartie, les moteurs-fusées obtenus sont plus lourds et plus complexes.