Formation propulsion hybride

1. Formation propulsion hybride Initiation propulsion hybride Comprendre son fonctionnement Commission Propulsion

2. Sommaire Introduction : qu’est-ce que la propulsion fusée ? Fonctionnement d’un moteur-fusée Propulsion liquide Propulsion solide Théorie de la propulsion hybride Avantage / inconvénient Couple d’ergols Comportement mécanique des paraffines Historique Ressources techniques Planète Sciences Questions / réponses

3. Introduction (1) • But : fournir la force propulsive nécessaire à un mobile afin qu’il puisse réaliser sa mission • Missions possibles : • Trajectoire balistique • Mise en orbite • Contrôle d’attitude • Dans le cadre d’une mise en orbite : donner à cette objet la vitesse nécessaire : • Orbite basse : ~9500 m/s • Orbite de transfert géostationnaire : ~11500 m/s • Géostationnaire : ~13000 m/s

4. Introduction (2) • Le ∆V se calcul à partir des performances du moteur et des masses du lanceur : • La vitesse qu’il est possible d’atteindre, se déduit du ∆V et des pertes lors du vol : • Pertes par gravité • Pertes par trainé • Pertes par incidence • Un moteur se caractérise par sa poussée et son ISP

5. Fonctionnement d’un moteur-fusée (1) • La réaction chimique à lieu dans la chambre de combustion • Les gaz chauds sont éjectés par la tuyère si Pc > Pe • Par principe d’action/réaction cela produit une poussée • Les gaz sont détendus à travers la tuyère

6. Fonctionnement d’un moteur-fusée (2) • La tuyère permet de transformer la réaction exothermique en énergie cinétique • Différentes formes de tuyères

7. Fonctionnement d’un moteur-fusée (3) • Rapport des sections : • Tuyère sous détendu : Ps > Pa • Tuyère adapté : Ps = Pa • Tuyère sur détendu : Ps < Pa • Critère de décollement : Ps < 0.4 Pa

8. Propulsion liquide (1) • Les ergols sont stockés séparément dans des réservoirs puis injectés dans la chambre de combustion • La performance dépend du choix du couple d’ergols • Stockable, ex : UDMH/N2O4, Isp : 250 à 330s • Semi cryotechnique, Lox/Kérosène, Isp : 300 à 370s • Cryotechnique, Lox/LH2, Isp : 380 à 470s • Trois modes d’alimentations : • Blow-down : simple, peu performant • Pressure Fed : complexité et performance moyenne • Turbopompe : complexe et très performant • Le choix de l’ergols dépend de la mission • Moteur orbital : forte poussée • Contrôle d’attitude : fort Isp

9. Propulsion liquide (2) • L’ISP d’un moteur dépend aussi du rapport de mélange • Différents cycles moteur dans le cas de TP : • Choix du cycles : dépend du niveau de performance désiré et du budget disponible

10. Propulsion solide (1) • Les deux ergols sont mélangés avec différents additifs et stockés dans la chambre de combustion qui fait office de réservoir • Loi de régression : vitesse d’ablationdu propergol normale à sa surface : • Forte poussée • Faible ISP (max 280s) • Pas de modulation de poussée ni d’extinction • Principalement utilisée pour les missiles (de tout types) et pour sortir de l’atmosphère pour les lancseurs civiles

11. Propulsion solide (2) • Profil de poussée fonction de la géométrie du bloc

12. Pre-chamber Post-combustion chamber Solid fuel Liquid oxidizer Solid fuel Feeling system + gate + injector Nozzle Combustion chamber Théorie sur la propulsion hybride (1) • Un ergol liquide, un ergol solide • En général, oxydant liquide, combustible solide • Il faut un apport de chaleur pour démarrer la combustion • La préchambre sert à vaporiser l’oxydant • La postchambre permet de brûler le restant d’oxydant

13. Théorie sur la propulsion hybride (2) • Sous l’effet de la chaleur le combustible est sublimé • Les gaz issus de cette sublimation brûlent avec l’oxydant • Lois de régression : • Avec :

14. Avantages • Sécurité : pas de risques d’explosion • Coût : les briques technologiques existent déjà, condition de sécurité moins importante • Performance : même ordre de poussée que le solide, ré allumable, meilleur ISP que le solide, même ISP que le semi-cryotechnique

15. Inconvénients • Vitesse de régression : de 0,1 à 5mm/s contre 10 à 15 pour les propergols solides • Optimisation de l’encombrement du réservoir et de la chambre • Ablation accrue du col de la tuyère • Fortes instabilités de combustion (basse fréquence)

16. Couples d’ergols • Oxydants : quasiment tous les oxydants connus • LOX • N2O • H2O2 • N2O4 • HNO3 • Réducteurs : tous matériaux carboné, solide à T°ambiante • Plastiques (HTPB, PE, PMMA, ABS, Plexiglas, etc…) • Paraffine • Sorbitol • Saucisson!!!

17. Couple d’ergols (2) • Intérêts de la paraffine : • Mode de combustion : liquéfaction, puis évaporation des gouttelettes • Vitesse de régression 3 à 5 fois supérieur / HTPB • Meilleur indice constructif de l’étage • Attention : tenu mécanique du bloc au court du temps

18. Comportement mécanique des paraffines Caractériser pour comprendre Modéliser pour simuler Simuler pour prédire Les paraffines se déforment très peu Elles sont très sensibles à la température 1 3 2

19. Historique (1) • Année 60/70 : nombreux essais (surtout USA), mise au point par l’ONERA de la fusée sonde LEX • Fin des année 80 : AMROC (AMerican ROcket Compagny),nombreux essais en LOX/HTPBmulti-canaux, plus gros moteurconçu : 312KN de poussée

20. Historique (2) • Fin des année 90 : rachat des brevet d’AMROC par SpaceDev pour réalisée le SpaceShipOne en 2004, puis le SpaceShipTwo en ce moment • Début des année 2000 : Université de Standford, premiers essais de la paraffine, nombreux essais depuis, les plus actifs sur ce sujet actuellement

21. Base documentaire Suivi FAQ Étuve -60°C / +80°C Tour pour usiner Paraffine Matériel de protection Formation au matériel Formation à la propulsion hybride Ressources techniques Planète Sciences

22. Questions / réponses Si vous n’avez pas compris c’est le moment !!!