Domaine Technique
[0001] L'invention concerne un propergol composite ayant une vitesse de combustion présentant
une sensibilité réduite aux variations de pression. L'invention vise également l'application
de ce propergol composite en tant que changement propulsif d'un moteur-fusée.
Technique antérieure
[0002] Les propergols composites sont connus pour la propulsion fusée et mettent généralement
en œuvre un liant dans lequel sont dispersées des charges énergétiques. On peut adjoindre
un catalyseur balistique à ces compositions afin d'augmenter la vitesse de combustion
et la poussée produite. Ainsi, l'emploi d'oxyde de fer Fe
2O
3 en tant que catalyseur balistique est connu. Il demeure toutefois souhaitable de
réduire la sensibilité de la vitesse de combustion à la pression dans la chambre de
combustion.
Exposé de l'invention
[0003] L'invention concerne un propergol solide composite comprenant un liant comprenant
un polymère polyol réticulé dans lequel sont présents :
- une charge oxydante comprenant des particules de perchlorate inorganique, la charge
oxydante présentant une distribution de taille bimodale avec (i) un premier ensemble
de particules de perchlorate inorganique présentant une première taille D50 comprise
entre 150 µm et 250 µm et présent à raison de 50% à 60% en masse dans le propergol
solide composite, et (ii) un deuxième ensemble de particules de perchlorate inorganique
présentant une deuxième taille D50 comprise entre 5 µm et 20 µm et présent à raison
de 7% à 17% en masse dans le propergol solide composite,
- une charge réductrice comprenant des particules d'aluminium et/ou d'un composé d'aluminium,
et
- un catalyseur balistique comprenant des particules d'oxyde de cuivre CuO.
[0004] Sauf mention contraire, on entend par « taille D50 », la dimension donnée par la
distribution granulométrique statistique à la moitié de la population.
[0005] L'incorporation d'un catalyseur balistique d'oxyde de cuivre CuO au sein de la formulation
de propergol solide composite décrite ci-dessus permet d'atteindre conjointement une
vitesse de combustion élevée associée à une réduction significative de l'exposant
de pression, et ce sur une large plage de pression. L'exposant de pression correspond
à l'exposant n dans la loi de Vieille qui est vérifiée par le propergol et qui a pour
expression : Vc = a.P
n, où Vc désigne la vitesse de combustion du propergol, P la pression dans la chambre
de combustion et a un facteur pré-exponentiel. La réduction de l'exposant de pression
n permet de réduire la dépendance de la vitesse de combustion à la pression et permet
ainsi d'envisager de pouvoir accéder à une réduction significative de la dispersion
de fonctionnement d'un moteur à propergol solide. En effet, la réduction de l'exposant
de pression permet de réduire les fluctuations de fonctionnement liées aux fluctuations
de pression durant le fonctionnement du moteur conduisant ainsi à l'obtention d'un
point de fonctionnement plus stable du moteur. La réduction des dispersions de fonctionnement
contribue notamment à réduire les contraintes mécaniques auxquelles la structure du
moteur pourrait être soumise en cas de pressurisation interne maximale. Ainsi, il
est possible d'envisager de pouvoir recourir à des architectures de moteur optimisées
(masse de structure réduite) pour un même un même niveau de fiabilité de fonctionnement
du moteur, ou à iso-dimensionnement du moteur, à un accroissement du niveau de fiabilité
de fonctionnement du moteur. L'effet bénéfique du catalyseur balistique d'oxyde de
cuivre CuO est obtenu pour un propergol solide composite présentant la distribution
de taille bimodale décrite ci-dessus pour la charge oxydante. Un tel propergol convient
à une intégration en tant que chargement propulsif pour un véhicule spatial. Comme
cela sera rappelé dans la partie expérimentale, l'effet d'abaissement de l'exposant
de pression suite à l'incorporation d'oxyde de cuivre CuO n'est pas obtenu de manière
notable si la granulométrie de la charge oxydante diffère de celle décrite plus haut.
[0006] Dans un exemple de réalisation, les particules d'oxyde de cuivre CuO présentent une
surface spécifique BET supérieure ou égale à 10 m
2/g.
[0007] Une telle surface spécifique permet avantageusement d'augmenter davantage encore
la vitesse de combustion du propergol.
[0008] Dans un exemple de réalisation, la teneur massique en particules d'oxyde de cuivre
CuO est comprise entre 0,01% et 1%.
[0009] Dans un exemple de réalisation, le propergol comprend :
- le polymère polyol réticulé en une teneur massique comprise entre 9% et 12%,
- les particules de perchlorate inorganique en une teneur massique comprise entre 64%
et 70%,
- les particules d'aluminium et/ou du composé d'aluminium en une teneur massique comprise
entre 17% et 23%, et
- les particules d'oxyde de cuivre CuO en une teneur massique comprise entre 0,01% et
1%.
[0010] L'invention vise également un propulseur comprenant un corps de propulseur définissant
une chambre de combustion dans laquelle un chargement du propergol composite tel que
décrit plus haut est présent.
[0011] L'invention vise également un véhicule spatial comprenant un propulseur tel que décrit
plus haut. Le véhicule spatial peut être un lanceur fusée.
Brève description des dessins
[0012]
[Fig. 1] La figure 1 illustre schématiquement la distribution de taille bimodale pour
les particules de perchlorate inorganique pouvant être mises en œuvre dans le cadre
de l'invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente un corps de propulseur incorporant un propergol solide
composite selon l'invention.
[Fig. 3] La figure 3 compare l'évolution de la vitesse de combustion en fonction de
la pression pour différentes compositions de propergol.
[Fig. 4] La figure 4 compare l'évolution de l'exposant de pression en fonction de
la pression pour différentes compositions de propergol.
[Fig. 5] La figure 5 compare l'évolution de la vitesse de combustion en fonction de
la pression pour différentes compositions de propergol.
[Fig. 6] La figure 6 compare l'évolution de la vitesse de combustion en fonction de
la pression pour différentes compositions de propergol.
[Fig. 7] La figure 7 compare l'évolution de d'exposant de pression en fonction de
la pression pour différentes compositions de propergol.
Description des modes de réalisation
[0013] Le propergol comprend un liant comprenant un polymère polyol réticulé. Le polymère
polyol réticulé est par exemple un polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT) réticulé.
Le polymère polyol est réticulé par un agent de réticulation. L'agent de réticulation
peut être un diisocyanate. Dans ce cas, on obtient un polyuréthane par réticulation
du polyol par l'agent de réticulation diisocyanate. Le liant peut comprendre un extenseur
de chaîne du polymère polyol de manière connue en soi. Les charges oxydante et réductrice
peuvent être dispersées dans le liant. Le liant peut constituer une matrice polymérique
enrobant les charges oxydante et réductrice.
[0014] La charge oxydante comprend des particules de perchlorate inorganique. Le perchlorate
inorganique peut être le perchlorate d'ammonium (NH
4ClO
4). Comme indiqué plus haut, les particules de perchlorate inorganique présentent une
distribution de taille bimodale avec (i) un premier ensemble de particules de perchlorate
inorganique présentant une première taille D50 comprise entre 150 µm et 250 µm et
présent à raison de 50% à 60% en masse dans le propergol solide composite, et (ii)
un deuxième ensemble de particules de perchlorate inorganique présentant une deuxième
taille D50 comprise entre 5 µm et 20 µm et présent à raison de 7% à 17% en masse dans
le propergol solide composite. Les particules de perchlorate inorganique peuvent être
présentes dans le propergol solide composite en une teneur massique globale comprise
entre 64% et 70% (correspondant à la somme des teneurs des particules des premier
et deuxième ensembles).
[0015] La distribution de taille des particules de perchlorate inorganique peut être déterminée
par technique de diffraction laser, de manière connue en soi.
[0016] La figure 1 illustre la distribution de taille bimodale des particules de perchlorate
inorganique qui peuvent être mises en œuvre dans le cadre de l'invention. Sur cette
figure, pour une taille x donnée de particules, l'ordonnée indique la teneur massique
dans le propergol des particules ayant cette taille x. Les particules de perchlorate
inorganique définissent un premier ensemble E1 de particules de perchlorate inorganique
et un deuxième ensemble E2 de particules de perchlorate inorganique. La distribution
bimodale est asymétrique. La distribution bimodale présente deux pics (maxima) distincts
P1 et P2. La hauteur du pic P1 de la distribution du premier ensemble E1 peut être
différente, par exemple supérieure, à la hauteur du pic P2 de la distribution du deuxième
ensemble E2.
[0017] La distribution de chacun des premier et deuxième ensembles E1 et E2 peut correspondre
à une distribution normale. Les particules du premier ensemble E1 présentent une première
taille D50 TM1 et les particules du deuxième ensemble E2 présentent une deuxième taille
D50 TM2. La première taille D50 TM1 est supérieure à la deuxième taille D50 TM2. La
deuxième taille D50 TM2 peut être espacée de la première taille D50 TM1 par au moins
deux, voire au moins trois, écarts-types de la distribution du premier ensemble E1.
[0018] La charge réductrice comprend des particules d'aluminium et/ou d'un composé d'aluminium.
Le composé d'aluminium peut être l'un au moins d'un alliage d'aluminium ou de l'alumine
(Al
2O
3). Les particules d'aluminium et/ou du composé d'aluminium peuvent être présentes
dans le propergol solide composite en une teneur massique comprise entre 17% et 23%.
[0019] Le propergol comprend en outre un catalyseur balistique comprenant des particules
d'oxyde de cuivre CuO. Comme indiqué plus haut, la teneur massique en particules d'oxyde
de cuivre CuO dans le propergol peut être comprise entre 0,01% et 1%, par exemple
entre 0,1% et 1%, par exemple entre 0,1% et 0,3% ou entre 0,3% et 1%. Selon un exemple,
les particules d'oxyde de cuivre CuO peuvent présenter une surface spécifique BET
supérieure ou égale à 10 m
2/g.
[0020] L'oxyde de cuivre CuO peut être l'unique catalyseur balistique présent dans le propergol
solide composite. Le propergol composite peut être dépourvu de l'un au moins des catalyseurs
balistiques suivants : un sel de cuivre, un oxyde de fer, les catalyseurs sur base
ferrocénique, un oxyde de chrome, un oxyde de nickel, un oxyde de cobalt, un sel métallique
de plomb, un sel de bismuth.
[0021] Le propergol composite peut être dépourvu de l'un au moins des composés suivants
: nitrocellulose ou nitroglycérine.
[0022] Le propergol peut être fabriqué à partir des constituants évoqués plus haut en mettant
en œuvre des techniques de mélange et de réticulation connues de l'homme du métier
qui ne sont pas reprises ici par souci de concision.
[0023] La figure 2 montre un corps de propulseur 1 comprenant une enveloppe structurale
11 définissant une chambre de combustion dans laquelle est présent le chargement de
propergol composite 10. Le corps de propulseur comprend un allumeur (non représenté)
destiné à initier le chargement de propergol 10. Le corps de propulseur peut faire
partie d'un moteur fusée et être un corps de propulseur de lanceur fusée. Avantageusement,
le propergol solide composite peut présenter un exposant de pression n dans la loi
de Vieille inférieur ou égal à 0,2, de préférence inférieur ou égal à 0,1, sur tout
ou partie de la plage de pression 8-15 MPa dans la chambre de combustion.
Exemples
Exemple 1 : comparaison entre l'utilisation d'oxyde de cuivre CuO et d'oxyde de fer
Fe2O3 en tant que catalyseur balistique dans une formulation de propergol incorporant une
distribution bimodale de charge oxydante
[0024] La formulation mise en œuvre mise en œuvre dans cet essai présentait une répartition
bimodale de charges de perchlorate d'ammonium (PA). Cette formulation de propergol
composite est adaptée à former le chargement propulsif d'un lanceur spatial. Le grade
d'oxyde de cuivre CuO utilisé était sous la forme d'une poudre solide fine, correspondant
au grade « Copper(II) oxide Special Ultra Fine » (n° CAS 1317-38-0) approvisionné
auprès du producteur TIB Chemicals. Les caractéristiques de l'oxyde de cuivre CuO
qui a été mis en œuvre étaient les suivantes :
- granulométrie D10/D50/D90 d'environ 0,5µm/5,0µm/20 µm (valeurs mesurées par un granulomètre
à diffraction laser),
- surface spécifique de 11,6 m2/g (BET),
- densité de 6,28 g/cm3 (pycnomètre à gaz), et
- pureté 98,3%.
[0025] Les formulations ayant la composition ci-dessous ont été préparées et évaluées :
- charge oxydante de PA à raison de 66,75% massique,
- charge réductrice d'aluminium à raison de 20% massique,
- liant polyol réticulé à raison de 13% massique, et
- catalyseur balistique (Fe2O3 ou CuO) à raison de 0,25% massique.
[0026] Les 66,75% massique de charges de PA utilisée étaient répartis ainsi :
- 54,75% massique de classe granulométrique de dimension moyenne centrée sur 200 µm
correspondant au premier ensemble de particules de perchlorate inorganique, ces particules
avaient été obtenues par cristallisation, et
- 12% massique de classe granulométrique de dimension fine centrée sur 9 µm correspondant
au deuxième ensemble de particules de perchlorate inorganique, ces particules avaient
été obtenues par broyage à partir des particules de classe granulométrique de dimension
moyenne centrée sur 200 µm.
[0027] La poudre d'aluminium utilisée était une variété caractérisée par une morphologie
de grain régulière, obtenue par atomisation sous atmosphère inerte (azote) et de taille
D50 d'environ 30 µm.
[0028] Les figures 3 et 4 fournissent les résultats de la comparaison des caractéristiques
balistiques obtenues avec cette formulation selon que de l'oxyde de cuivre CuO ou
de fer Fe
2O
3 est utilisé en tant que catalyseur balistique. La formulation utilisant de l'oxyde
de cuivre CuO incorporé à un taux massique de 0,25% correspond à la courbe « A » sur
ces figures. Les formulations de référence utilisant comme catalyseur balistique de
l'oxyde de fer (Fe
2O
3), incorporé au même taux massique de 0,25% dans le propergol, correspondent aux courbes
« B » à « E ». Différents grades d'oxyde de fer Fe
2O
3 ont été évalués, correspondant à des produits de granulométrie et/ou de surface spécifique
et/ou de pureté différentes et/ou obtenus par des procédés de fabrication différents
afin de démontrer dans chaque cas l'effet avantageux produit par l'emploi d'oxyde
de cuivre CuO. Ces grades de Fe
2O
3 ont été approvisionnés auprès de différents producteurs/fournisseurs du domaine et
sont représentatifs de grades Fe
2O
3 qui peuvent être utilisés en tant que catalyseur balistique dans des propergols pour
véhicule spatial.
[0029] Les échantillons de propergol ont été réalisés sur le même moyen de fabrication,
à savoir un malaxeur de type horizontal de capacité 5 litres. Les formulations étaient
identiques sauf sur le plan de la nature du catalyseur balistique (CuO ou Fe
2O
3). La durée de cuisson du propergol était identique dans chacun des essais réalisés.
Le moyen et les paramètres d'essais étaient identiques pour la caractérisation balistique.
La mesure de la vitesse de combustion a été effectuée par analyse d'écho ultrasonore,
les échantillons ayant été pré-conditionnés à +20°C avant essai.
[0030] Les résultats obtenus sont fournis à la figure 3 qui montre les courbes de vitesse
de combustion (Vc en mm/s) en fonction de la pression (en MPa) pour les formulations
catalysées avec CuO en comparaison avec celles catalysées par Fe
2O
3. La figure 4 montre quant à elle la variation de l'exposant de pression (n) en fonction
de la pression (en MPa) pour les formulations catalysées avec CuO en comparaison avec
celles catalysées par Fe
2O
3.
[0031] Les figures 3 et 4 illustrent l'impact favorable engendré par l'emploi de l'oxyde
de cuivre CuO sur les caractéristiques balistiques du propergol. On note en particulier
un aplatissement notable de l'allure de la courbe de vitesse de combustion sur la
plage 9-15 MPa lorsque le CuO est employé qui se traduit par une valeur d'exposant
de pression n très significativement abaissée (n inférieur ou égal à 0,2 sur la plage
8-15MPa et avec n proche de ou inférieur à 0,1 sur la plage 10-14MPa). Ce résultat
est à comparer avec ceux obtenus lorsque Fe
2O
3 est utilisé pour lesquels l'exposant de pression n est supérieur ou égal à 0,3 sur
la plage 7-15 MPa. On constate aussi que l'on obtient, sur la plage de pression 2-9
MPa, une vitesse de combustion équivalente à celle obtenue avec Fe
2O
3 lorsque du CuO est employé.
[0032] Dans les architectures de moteurs pour lanceur spatial mettant en œuvre la formulation
ayant la base détaillée ci-dessus sans catalyseur CuO, la plage de pression opérationnelle
nominale du moteur est comprise entre 4 MPa et 9,5 MPa. La pression maximale, en prenant
en compte les possibles fluctuations de fonctionnement lors de la combustion du chargement
propergol, se situe autour de 10 MPa. La figure 3 montre que l'emploi du CuO permet
d'accéder à des niveaux de vitesse de combustion tout à fait comparables à ceux obtenus
avec le Fe
2O
3 sur la plage opérationnelle de fonctionnement du moteur.
[0033] Lorsque du CuO est employé, la valeur d'exposant de pression se réduit très fortement
à l'approche de 10 MPa, qui correspond à la limite haute de la plage de fonctionnement.
Ainsi, le risque de fluctuation de pression pouvant engendrer une fluctuation du point
de fonctionnement, et possiblement une surpression mécanique de la structure du moteur
pouvant nuire à son intégrité, se trouve significativement réduit. Dans cette configuration,
les caractéristiques balistiques induites par l'emploi de CuO permettent ainsi d'envisager
d'accéder à fonctionnements plus stables du moteur dans cette plage de pression (à
l'approche de la limite haute 10 MPa), voire d'envisager de pouvoir accéder à des
architectures de moteur optimisées comme indiqué précédemment.
[0034] La figure 5 permet de confirmer indirectement l'impact avantageux induit par l'emploi
du CuO. Dans cet essai, l'évolution de la vitesse de combustion en fonction de la
pression a été déterminée pour deux formulations de propergol pour lanceur spatial
: La première formulation évaluée était identique à celle décrite ci-dessus mais catalysée
avec 0,20% massique de Fe
2O
3 et mise en œuvre sur un malaxeur de technologie différente (malaxeur à pâles verticales
de contenance 1 Gallon). La courbe notée « F » à la figure 5 correspond aux résultats
obtenus pour cette première formulation. La teneur massique en PA de dimension moyenne
centrée sur 200 µm était de 54,8% massique. La deuxième formulation évaluée était
identique à la première formulation mais sans catalyseur balistique Fe
2O
3. Dans cette deuxième formulation, la teneur en Fe
2O
3 a été reportée sur la teneur en PA de dimension moyenne centrée sur 200 µm laquelle
représentait alors 55% massique. La courbe notée « G » à la figure 5 correspond aux
résultats obtenus pour cette deuxième formulation.
[0035] La figure 5 illustre le fait que l'incorporation de Fe
2O
3 au sein d'une formulation de propergol composite conduit, par rapport à une base
non catalysée, à une augmentation notable de la valeur de vitesse de combustion sur
la plage opérationnelle de fonctionnement du moteur pour lanceur spatial. Il n'y a
toutefois pas d'amélioration notable de la valeur de l'exposant de pression sur cette
même plage fonctionnelle par rapport à une formulation non catalysée (i.e. exempte
de Fe
2O
3). Ce résultat illustre le fait que le fort abaissement de la valeur d'exposant de
pression observé préalablement avec le CuO n'est pas intrinsèquement inhérent à la
formulation de base non catalysée, et que l'ajout d'un catalyseur balistique conventionnel
(dans cet exemple le Fe
2O
3) ne suffit assurément pas à abaisser cette valeur d'exposant mais se contente d'accroître
la valeur de vitesse de combustion, démontrant ainsi au final que l'abaissement de
la valeur d'exposant de pression associée à une augmentation de la Vc est bien induit
par l'emploi d'oxyde de cuivre CuO.
[0036] L'exemple 1 a démontré l'avantage lié à l'incorporation de l'oxyde de cuivre CuO
en tant que catalyseur balistique. Les essais dans l'exemple 1 ont été conduits sur
une base de propergol ayant une distribution de charge oxydante bimodale particulière
qui convient à un emploi dans un véhicule spatial. L'exemple 2 à suivre va maintenant
s'attacher à évaluer l'influence de la granulométrie de la charge oxydante sur les
caractéristiques balistiques obtenues pour le propergol.
Exemple 2 : influence de la granulométrie de la charge oxydante sur les caractéristiques
balistiques du propergol
[0037] Dans cet exemple, la base de propergol mise en œuvre comprenait une charge oxydante
de PA avec une dimension granulométrique moyenne notablement plus faible et sous la
forme d'une distribution trimodale (hors invention) et non plus bimodale comme dans
l'exemple 1. Dans cet essai, les inventeurs ont comparé les performances obtenues
entre un tel propergol incorporant soit de l'oxyde de cuivre CuO, soit de l'oxyde
de fer Fe
2O
3 à la place de l'oxyde de cuivre CuO.
Les figures 6 et 7 illustrent la comparaison des caractéristiques balistiques obtenues
avec l'emploi :
- d'oxyde de cuivre CuO (courbe notée « H » aux figures 6 et 7), et
- d'un catalyseur balistique oxyde de fer (Fe2O3) (courbe notée « I » aux figures 6 et 7)
Dans ces deux cas, les catalyseurs ont été incorporés à un taux comparable dans le
propergol.
La figure 6 illustre le fait que l'incorporation de CuO induit un effet catalytique
conduisant à un niveau de vitesse de combustion équivalent à celui du catalyseur balistique
Fe
2O
3. Toutefois, l'emploi de CuO dans une telle formulation de propergol composite à distribution
de charges oxydantes PA hors invention n'induit pas d'abaissement notable de la valeur
de l'exposant de pression par rapport à une formulation catalysée avec Fe
2O
3, contrairement à ce qui a été observé précédemment pour une formulation de propergol
ayant une répartition bimodale des charges oxydantes (voir figure 7).
[0038] Ainsi, on constate que lorsque la granulométrie de la charge oxydante est modifiée,
l'incorporation d'oxyde de cuivre CuO ne conduit pas à un effet d'abaissement de l'exposant
de pression significatif par rapport à l'emploi d'oxyde de fer Fe
2O
3. L'avantage lié à l'incorporation d'oxyde de cuivre CuO ne se manifeste pas de manière
systématique au sein de n'importe quelle formulation de propergol composite mais résulte
de la combinaison avec des charges oxydantes de granulométrie spécifique.
[0039] L'expression « comprise entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les
bornes.