LES CARBURANTS POUR FUSEES
Un moteur-fusée fonctionne en transformant en énergie cinétique l’énergie dégagée lors de la réaction chimique entre deux composés: un oxydant et un réducteur, appelés respectivement comburant et combustible. Ces substances, dont la réaction assure la propulsion, sont appelées propergols. Selon la nature du couple comburant/combustible, on distingue des propergols solides et des propergols liquides.
Propergols liquides
Les propergols les plus fréquents sont des diergols, c’est-à-dire à deux liquides, l’un comburant et l’autre combustible, stockés séparément.
Le couple de propergols doit assurer une impulsion spécifique importante, et avoir une température de combustion élevée produisant un gaz de faible masse molaire.
De plus, pour faciliter le stockage, leur masse volumique ne doit pas être trop faible. On distingue ainsi les ergols qui peuvent être conservés à température ambiante plusieurs jours, comme le tétraoxy de d’azote ou l’UDMH (diméthyl-hydrazine dissymétrique), et les ergols cryotechniques, qui nécessitent un stockage à très basse température. Par exemple, l’oxygène, comburant cryogénique dont la température d’ébullition est de – 183 °C, ne peut pas rester longtemps dans un réservoir, et doit être rapidement vidangé en cas de report du tir.
Les couples de propergols peuvent être hypergoliques, c’est-à-dire qu’ils entrent spontanément en réaction dès qu’ils se trouvent en contact. C’est le cas du couple tétraoxyde d’azote/UDMH, dont la température de combustion est de 2 800 °C pour une vitesse d’éjection de 2 900 m/s dans le vide.
La diméthylhydrazine ou UDMH de formule H2N – N(CH3)2 est un ergol liquide stockable utilisé comme combustible dans les moteurs des étages inférieurs de nombreux lanceurs. C’est un liquide incolore à odeur ammoniacale qui se décompose spontanément vers 400°C sous la pression atmosphérique en donnant du méthane et du diazote.
Les propergols liquides sont moins stables et d’un maniement plus délicat que les propergols solides. L’hydrazine est, par exemple, un composé très corrosif, et l’UDMH, utilisé pour le premier étage d’Ariane, est un composé très toxique.
Propergols solides
Les propergols solides sont des matériaux combustibles mais stables à température ordinaire. On distingue des propergols homogènes et des propergols hétérogènes, ou composites.
Les propergols homogènes, comme la nitrocellulose, sont des composés chimiques dont la combustion a une impulsion spécifique assez réduite. Leur discrétion justifie leur utilisation par les engins militaires de type tactique.
Les propergols composites sont formés par un combustible, généralement un sel minéral, finement disséminé dans la masse de comburant, souvent du perchlorate d’ammonium. Ainsi, l’aluminium est le combustible des propulseurs d’appoint de la navette spatiale américaine. L’ensemble est lié et stabilisé par un liant organique, tel que le polybutadiène ou le chlorure de vinyle. Le mélange est préparé et moulé sous forme de pains allant de quelques grammes à 500 t dans le cas des propulseurs à poudre de la navette spatiale. La forme des pains de poudre déterminera la progression de la combustion: formes cylindriques pour une poussée progressive, en étoile, à ailettes pour une double poussée.
Pour doper les performances des propergols solides, on y incorpore parfois une faible quantité d’explosif. L’impulsion spécifique en est améliorée, mais au détriment de la stabilité et de la résistance à l’humidité.
Les propergols solides sont stables et facilement stockables. Ils présentent cependant un inconvénient majeur: une fois la combustion commencée, rien ne peut l’arrêter.
La recherche de propergols utilisables par les statoréacteurs des futurs avions supersoniques suppose de mettre au point un couple fonctionnant en milieu aérobie et anaérobie; on utiliserait ainsi une première combustion dégageant des gaz primaires réducteurs pour permettre ensuite une seconde combustion à partir de l’oxygène de l’air. Ce type de propulsion assure de très hautes impulsions spécifiques, mais s’avère techniquement complexe et difficile à maîtriser.
Durant le XIXe siècle, le kérosène, aussi appelé pétrole lampant, était presque exclusivement utilisé à des fins d’éclairage. Ce ne fut qu’à partir des années 1950 qu’il trouva une importance industrielle, car les carburants employés dans les avions à réaction sont fabriqués avec du kérosène. V. aussi propergol
Les propergols
Types de propergols
Le terme propergol désigne à la fois le carburant et le comburant nécessaires à la marche de la fusée. On définit le rapport de mélange qui est le rapport entre la masse de comburant et de celle de combustible. Pour éviter qu’il ne reste que le comburant ou le carburant à la fin du vol, on fait varier le rapport de mélange au cours du lancement.
Il existe deux grandes catégories de propergols : les propergols solides et les propergols liquides.
Les propergols solides sont couramment appelés propergols à poudre parce qu’ils étaient originairement fabriqués à l’aide de composés pulvérulents. Ils sont aujourd’hui composés d’une matière caoutchouteuse qui correspond au carburant et au comburant (oxydant) qui sont coulés sous forme solide, avec adjonction de produits stabilisateurs qui évitent des réactions prématurées et parasites. Ces propergols sont utilisés dans les étages d’accélération et les boosters (impulsion de l’ordre de 180s.)
On taille à l’intérieur du bloc solide une entaille en forme d’étoile afin d’assurer une combustion homogène et constante. Celle-ci s’effectue à partir de l’allumage : un système de type bougie ou résistance électrique en général fait vaporiser une partie du solide. Cette vapeur vient au contact du propergol qui se consume et engendre des vapeurs à son tour. La combustion a lieu à l’intérieur même du réservoir qui sert de chambre de combustion.
Les propergols liquides sont de deux types : les propergols liquides stockables et les propergols cryogéniques. On peut citer comme propergols stockables le mélange peroxyde d’azote N2O4 qui est l’oxydant et l’hydrazine ou ses dérivés (UDMH) comme combustible.
……
Si le lien ne fonctionne pas correctement, veuillez nous contacter (mentionner le lien dans votre message)La mécanique spatiale (441.73 KB) (Cours PDF)
