Tribologie en oxygène liquide

Tribology in liquid oxygen

¹ ULg, Liège, Belgique
² ISMCM, Saint-Ouen, France
³ ENSCP, Paris, France
⁴ CNES, Evry, France

Résumé

L’emploi de l’oxygène liquide en tant qu’ergol comburant est très répandu pour la propulsion spatiale à liquides et ce depuis l’origine. Or le comportement des matériaux des pièces constitutives de ces systèmes est particulier en ambiance d’oxygène liquide par rapport à un fonctionnement dans des environnements plus conventionnels comme l’air ou l’huile. Ceci est le fait des températures très basses du milieu ambiant (- 185°C pour l’oxygène liquide), mais surtout de la réactivité chimique importante de l’oxygène. Un problème particulier qui se pose donc, spécialement dans le cas des machines tournantes ou des organes dans lesquels des mouvements relatifs entre pièces se produisent (ex. : roulements, étanchéités), concerne le comportement des matériaux antagonistes en frottement en oxygène liquide dans le cadre d’un fonctionnement normal ou dégradé. Avec la perspective de conditions de fonctionnement plus sévères réclamées par le besoin fortement exprimé de disposer d’organes plus performants (machines tournantes plus rapides, jeux réduits,...) et les exigences de fiabilité de plus en plus élevées, la maîtrise de ces phénomènes va prendre une importance croissante dans l’avenir.

Dans le cadre de travaux précédents, une machine d’essais de frottement fonctionnant en ambiance d’oxygène liquide (tribomètre Lox) a été développée et mise en œuvre. Grâce à la construction, à l’ULg, d’une zone d’essais qualifiée pour accueillir des activités en oxygène liquide, avec tout ce que cela sous-entend en termes de servitudes fluides et électriques, il a été possible d’y installer le tribomètre Lox du CNES. Ce tribomètre est utilisé comme base expérimentale pour des travaux communs de recherche dans le cadre d’une convention passée entre l’ULg et le CNES.

Les activités proposées ont pour objectif l’étude, la compréhension puis la modélisation des différents phénomènes qui interviennent en tribologie en oxygène liquide pour les matériaux utilisés dans les systèmes mécaniques rencontrés en propulsion aérospatiale. Dans un premier temps, l’étude vise à caractériser le comportement de l’acier à roulement Z100CD17. En effet, cet acier employé couramment en propulsion aérospatiale a déjà fait l’objet de plusieurs travaux de recherche dont certains résultats sont disponibles.

Abstract

Since the origin, the use of liquid oxygen is widespread in space propulsion. The behaviour of mechanical parts immersed in liquid oxygen is specific compared to the one we can observe in more classical environments like air or oil. This is due to the very low temperature of the medium (-185 °C for liquid oxygen) and above all to the very high reactivity of oxygen. In consequence, specially with parts like ball bearings or seals, one can meet problems corresponding to tribological misbehaviour of pairs of material in liquid oxygen. In space propulsion, with more severe running conditions required by a need of increased performance and reliability, the understanding and the control of tribological phenomena will become more and more important in the future.

In the framework of an agreement between CNES, ULg and several french laboratories, a scientific program has been set up. The relevant tribological experiments are performed on a CNES pin on disk tribometer which is installed at ULg on a dedicated test zone. This test zone is fully equipped with up to date data acquisition systems which record experimental results but also monitor and control all the lines conveying the fluids (Lox, LN₂, GN₂, GHe) to the test bench. The exploitation of test results aims at the study, understanding and modelling of friction and wear phenomena one can meet in mechanical systems belonging to the Lox side of liquid propulsion engines. In a first step, the study is focused on the ball bearing steel ZI00CD17. Results of a first test campaign are encouraging and show good agreement with former issues.