EP 811 Module EP 811 Propulsion Fusée Chapitre 3 M. BLIN 1 EP 811 LES PROPERGOLS 1 - Généralités 1.1 - Propriétés d ’un propergol déterminant des qualités d ’agent propulsif L ’impulsion spécifique (Isp) permet la comparaison des moteurs fusées. Pour comparer les propergols, l ’Isp est ramenée à des conditions de références identiques : - pression de combustion de 1000 psi (soit 68 atmosphères) - rapport de détente 68/1 - tuyère adaptée au niveau de la mer F Isp = qg 0 or F = qVe d ’où Ve Isp = g0 La vitesse d ’éjection Ve est donc le facteur déterminant pour caractériser l ’efficacité d ’un propergol M. BLIN 2 EP 811 LES PROPERGOLS Reprenons l ’expression de la vitesse d ’éjection : g -1 é ù g RT0 ê æ pe ö ú 2g Ve = ´ ´ 1 - çç ÷÷ g - 1 M ê è p0 ø ú êë úû La vitesse d ’éjection sera d ’autant plus grande que : - la température de combustion sera élevée, ce qui implique que la chaleur de réaction soit plus élevée et que les produits de combustion soient thermiquement stables pour éviter leur dissociation qui absorberait de la chaleur, - la masse moléculaire des produits de combustion sera plus faible. Contrairement aux turboréacteurs et aux statoréacteurs, ce n ’est pas seulement le pouvoir calorifique de la réaction mise en jeu qui caractérise les qualités énergétiques de celle-ci mais aussi la masse moléculaire des gaz libérés. M. BLIN 3 EP 811 LES PROPERGOLS 1.2 - Critères liés à l ’utilisation du propergol Problèmes économiques et financiers - moteurs-fusées ayant une consommation spécifique élevée, le prix du propergol et sa disponibilité jouent un rôle important dans le choix - pour des moteurs destinés à des engins ou à des avions devant être construits en grande série : * choix d’un propergol bon marché et disponible en grande quantité, * utiliser des corps ayant d’autres débouchés commerciaux que celui des fusées et qui sont produits industriellement pour d ’autres usages. - pour des engins militaires, les matières premières nécessaires à la fabrication du propergol doivent se trouver sur le territoire national. - pour des lanceurs tirés quelques fois par an, coût du propergol moins important M. BLIN 4 EP 811 LES PROPERGOLS Critères de stockage et de manipulation corrosion : compatibilité avec les matériaux métalliques et plastiques danger d’explosion et d’incendie : instabilité naturelle sous l’influence d’impuretés, d’élévation de température, d’un choc, température d’auto-inflammation toxicité : concentration maximale admissible dans l’air, action sur les voies respiratoires et les tissus organiques des propergols eux-mêmes et des produits de combustion propriétés physiques : point de congélation, point d’ébullition, tension de vapeur, caractéristiques physiques permettant de résister aux accélérations, aux chocs, aux cycles thermiques propriétés chimiques : réaction avec l’air ambiant, stabilité chimique en fonction du temps, et en présence des matériaux retenus, influence de l’humidité M. BLIN 5 EP 811 LES PROPERGOLS 1.3 - Problèmes liés au fonctionnement interne de la fusée Il faut aussi tenir compte des difficultés causées par la nature du propergol dans le fonctionnement interne du moteur-fusée. Remarque surtout valable pour les propergols liquides et qui concerne principalement : - le système d’alimentation de la chambre propulsive, - le refroidissement de la tuyère, - l’allumage - la combustion Pour faciliter l ’alimentation du moteur : - bas point de congélation, - une faible tension de vapeur, - une faible viscosité, - une variation faible des propriétés chimiques avec la température. M. BLIN 6 EP 811 LES PROPERGOLS Pour ‘allumage : - facilité d ’allumage, - allumage avec des régimes transitoires les moins violents possibles Pour la fiabilité du fonctionnement du moteur : - la stabilité de la combustion - une vitesse de combustion élevée pour réduire la taille de la chambre de combustion mais pas trop (risque d ’explosion) Conclusion Le choix d’un propergol et du type correspondant résultent toujours d’un compromis. M. BLIN 7 EP 811 LES PROPERGOLS 2 - Les propergols liquides La plupart des propergols liquides sont des diergols, combinaisons d’un comburant (oxydant) et un carburant (réducteur). On classe les ergols selon leur aptitude au stockage : - ergols stockables ergols liquides dans les conditions suivantes : - température minimale : - 50° C - température maximale : + 70° C - température critique supérieure à 70° C - tension de vapeur inférieure à 35 bars à 70° C - décomposition inférieure à 1 % par an à 50° C - ergols semi-stockables - mêmes conditions imposées aux ergols stockables mais à 20°C. - ergols cryogéniques (cryotechniques) - ergols dont la température critique est inférieure à la limite basse du domaine habituel de température d’utilisation : - 50° C M. BLIN 8 EP 811 LES PROPERGOLS Les propergols liquides (suite) a/ Propriétés énergétiques • énergie de combustion élevée • produits de combustion stables • produits de combustion à masse molaire faible b/ Propriétés physiques • densité élevée sauf pour l’hydrogène (d’où indice constructif faible) • température d’ébullition élevée pour les ergols stockables (isolation nécessaire moins importante d’où gain de masse) • température d’ébullition très faible pour les ergols cryotechniques (indice constructif plus élevé à cause de l’isolation importante à mettre en place) • bon refroidisseur (Cp élevé d’où Tvaporisation élevée) M. BLIN 9 EP 811 LES PROPERGOLS Les propergols liquides (suite) c/ Servitudes d ’emploi • toxicité : UDMH, N2O4, NO3H, F2 • stabilité : N2H4 - explosions à 100° C (vapeur) H2O2 - décomposition spontanée • corrosion : UDMH - pas de cuivre NO3H - corrosif (aluminium pur ou inox) N2O4 - pur - peu corrosif avec H2O donne NO3H cryotechniques - fragilisation des structures d/ Allumage • Hypergolicité * Tous avec F2 et CLF3 * Aucun avec LOX * N2O4, NO3H avec N2H4 - UDMH M. BLIN 10 EP 811 LES PROPERGOLS Impulsion standard des principaux propergols liquides Comburant Carburant Oxygène LO2 Tétraoxyde d ’azote N2O4 Eau oxygénée H2O2 Acide Nitrique NO3H Hydrogène LH2 391 UDMH N2H2(CH3)2 310 285* 278* 276* KEROSENE (RP1) 300 276 273 268 MMH (N2H3(CH3) 311 288* 282* 283* HYDRAZINE Fluor LF2 410 292* 363* * réaction hypergolique (inflammation spontanée dès la mise en contact) M. BLIN 11 EP 811 LES PROPERGOLS Monergols Ce sont des ergols généralement instables. Les monergols les plus utilisés eau oxygénée Isp <= 160 s hydrazine Isp = 185 s L’emploi de ces ergols permet de concevoir des moteurs rustiques, de poids plus faible mais au détriment d’une Impulsion spécifique médiocre. Utilisation que sur les systèmes de contrôle d’attitude des satellites. M. BLIN 12 EP 811 LES PROPERGOLS SOLIDES Propergols constitués de mélanges comportant un comburant et un combustible, capables de brûler dès que l ’on procède à leur inflammation. Si constituants principaux contiennent dans leur molécule l’oxydant et le carburant, la poudre est dite homogène. Si les différents constituants forment macroscopiquement plusieurs phases (molécules de carburant différentes des molécules de comburant), la poudre est dite hétérogène. Deux grandes catégories de propergols solides : Les poudres colloidales qui sont des poudres homogènes, obtenues en gélatinisant un support nitré, en principe à base de nitrocellulose. Si ce support nitré est composé uniquement de nitrocellulose, la poudre est dite à simple base, et la gélatinisation est obtenue après dissolution par un dissolvant, par malaxage, laminage, découpage et séchage. M. BLIN 13 EP 811 LES PROPERGOLS SOLIDES Poudres colloidales (suite) Si le support nitré est un mélange de deux substances explosives, la nitrocellulose et généralement la nitroglycérine, et l’on appelle poudres à double base de telles bases. La présence de nitroglycérine permet d’éviter l’utilisation d’un dissolvant. Pour certaines compositions, la nitroglycérine peut être remplacée par d’autres esters nitriques tels que le nitrate de diéthylèneglycol. Aux éléments de base des poudres à simple et double base, on est souvent conduit à ajouter des plastifiants, des stabilisants et des charges diverses. Les poudres ainsi obtenues sont parfois appelées poudres sans fumée. Les poudres composites modernes sont des poudres hétérogènes. Elles utilisent comme comburant un sel minéral introduit sous forme cristallisée (perchlorate d’ammonium), finement broyé, et comme combustible un mélange de corps formant liant et donnant à la poudre sa cohésion mécanique (résines polyvinyliques, résines polybutadiènes). M. BLIN 14 EP 811 LES PROPERGOLS SOLIDES Les poudres composites modernes (suite) Aux constituants principaux on ajoute généralement des ingrédients destinés à jouer un rôle mécanique, chimique ou balistique, ou à faciliter la fabrication. Adjuvants chimiques (catalyseurs de polymérisation, stabilisants, antioxydants) Adjuvants mécaniques qui facilitent la fabrication ou la mise en œuvre de la poudre (agents mouillants pour favoriser l’enrobage des cristaux d’oxydant par le combustible, plastifiants qui améliorent la tenue mécanique en donnant plus de souplesse, durcisseurs qui au contraire renforcent la matière plastique de base) Adjuvants balistiques (catalyseurs de combustion pour accélérer ou ralentir la vitesse de combustion ou pour étendre le domaine de combustion stable, adjuvants pour améliorer les propriétés énergétiques de la poudre - ces derniers sont soit des composés explosifs ou des poudres métalliques). M. BLIN 15 EP 811 LES PROPERGOLS SOLIDES Les constituants • Les oxydants * Le nitrate d’ammonium NH4-NO3 : peu coûteux, mais peu énergétique, pas de de résidus solides (générateurs de gaz) * Le perchlorate d’ammonium NH4-ClO4 : pas de résidus solides (le plus utilisé) * Le perchlorate de potassium KClO4 : résidus solides non volatils • Les combustibles liants les plus utilisés * Le polybutadiène qui donne les Butargols * Le polyuréthane qui donne les Isorgols • Les charges métalliques réductrices * L’aluminium : peu coûteux (problèmes doxydation) * Le béryllium : performant mais très toxique * Le bore : excellent mais onéreux * Le magnésium : dangereux à manipuler * Le zirconium : plus onéreux que l’aluminium M. BLIN 16 EP 811 LES PROPERGOLS SOLIDES Nomenclature propergol solide composite Préfixe (nature du liant) • Iso : liant polyuréthane • Buta : liant polybutadiène • Nitra : liant contenant un ester nitrique • Sulfu : liant polysulfure • Plasto : liant chlorure de vinyle Lettre centrale (nature de la charge oxydante) • l : perchlorate d’ammonium (PA) • n : nitrate d’ammonium • m : hexogène, octogène (NITRAMINE) • p : perchlorate de potasium Suffixe (nature de la charge réductrice) • ane : aluminium • abe : beryllium • aze : zirconium • ite : absence métal M. BLIN 17 EP 811 LES PROPERGOLS SOLIDES Les caractéristiques et les performances On considère que g est proche de 1,22 et Po de 7 MPa. Propergol Butalane Isolane Butalite Double-Base Comburant NH4-ClO4 : 75% NH4-ClO4 : 65% NH4-NO3 Nitrocellulose : 70% Carburant PBCT : 10% PU : 20% PBCT Nitroglycérine : 20% Charge Al : 15% Al : 15% Isp (s) 260 260 190 220 To (K) 3500 3400 1450 2100 Vitesse front (mm/s) 8 7 2 12 Densité volumique (kg/m3) 1770 1770 1470 1520 M (g/mole) 29 21 19 23 M. BLIN Stabilisant : 10% 18 EP 811 LES PROPERGOLS SOLIDES On retiendra que lo’n peut obtenir avec un propergol solide : Impulsion spécifique 220 s < Isp < 255 s Densité de chargement 1600 kg/m3 < densité < 1850 kg/m3 M. BLIN 19
