Propergol composite à perchlorate d'ammonium - Définition

Compositions

Liant

Le liant d'un propergol composite doit remplir plusieurs conditions :

• il doit être liquide pendant le mélange des constituants du propergol
• il doit être chimiquement compatible avec l'oxydant
• il doit pouvoir absorber des taux de charge très importants
• il doit présenter une élasticité propre à garantir la cohésion du bloc lors de la mise à feu et pendant la combustion.

Les liants traditionnels des propergols composites sont faits à hauteur de 70 à 80 % d'un prépolymère qui leur confère l'essentiel de leurs propriétés à travers la nature de ses résidus polymérisés (butadiène H₂C=CH–CH=CH₂ ou acrylonitrile H₂C=CH–C≡N, par exemple) ou de l'extrémité de ses chaînes (hydroxyle –OH, par exemple). Les chaînes elles-mêmes sont constituées de monomères organiques (à base de carbone, d'azote, d'oxygène et d'hydrogène) répétés plusieurs dizaines de fois. On n'y trouve pas d'atomes lourds (notamment pas de silicium, ce qui exclut les polysiloxanes) car les produits de combustion doivent être aussi légers que possible afin d'optimiser la vitesse d'éjection des gaz de combustion, et donc la poussée obtenue.

Un agent de réticulation donne sa cohérence au prépolymère en assurant les liaisons entre chaînes macromoléculaires, tandis qu'un plastifiant est utilisé pour faciliter la mise en forme du bloc de propergol. L'ensemble constitue le liant, qui représente typiquement 10 à 15 % de la masse du propergol composite.

Prépolymère

Le polybutadiène hydroxytéléchélique HO[–H₂C–CH=CH–CH₂]_p–OH (PBHT) est le prépolymère aujourd'hui le plus fréquent dans les PCPA les plus performants. C'est celui qui est notamment utilisé dans les étages accélérateurs à poudre d'Ariane 5.

Le terpolymère poly (butadiène –[H₂C–CH=CH–CH₂–]_p acide acrylique –[H₂C–C=COO–]_p acrylonitrile –[H₂C–CH(C≡N)–]_p ) (PBAN), moins toxique que le PBHT, était plutôt utilisé dans les décennies 1970 et 1980 pour la conception des propulseurs d'appoint des lanceurs Titan III et des navettes spatiales.

L'intérêt du PBHT par rapport au PBAN est d'être réticulable à température ambiante avec des isocyanates, l'inconvénient étant la toxicité de ces isocyanates.

Agent de réticulation

On utilise souvent un triol comme réticulant avec des diisocyanates afin de former des ponts uréthanne –NH–COO– avec les hydroxyles terminaux du PBHT. Les triols assurent la réticulation tridimensionnelle tandis que les diisocyanates jouent le rôle d'extenseurs de chaîne. La formation du pont uréthanne entre isocyanates R₁–N=C=O et alcools HO–R₂ s'effectue selon la réaction :

R₁–N=C=O + HO–R₂ → R₁–NH–COO–R₂

Ces ponts se forment entre le polybutadiène et le diisocyanate ainsi qu’entre le diisocyanate et le triol. Le taux de réticulation conditionne les propriétés mécaniques du propergol. Il doit garantir un allongement et une résistance aux contraintes suffisants.

Plastifiant

Outre un réticulant, les propergols solides contiennent aussi un plastifiant, dont la fonction est de réduire la viscosité de la pâte pour en faciliter la mise en œuvre. C'est en général une huile non réactive vis-à-vis du polymère qu'elle est chargée de diluer afin de limiter les interactions non covalentes entre chaînes aussi bien à l'état liquide qu'une fois réticulé.

Oxydant

Le perchlorate d'ammonium NH₄ClO₄ est par définition l'oxydant des PCPA. Il en représente typiquement 60 à 70 % de la masse.

Il peut éventuellement être « dopé » à la nitroglycérine, à l'hexogène (RDX) et/ou à l'octogène (HMX) afin d'atteindre des impulsions spécifiques de l'ordre de 275 s, mais au prix de risques explosifs accrus qui limitent l'usage de ces oxydants énergétiques : la fiabilité et la sécurité sont deux qualités essentielles recherchées avec un propergol composite.

Combustible

Le combustible est une poudre métallique, le plus souvent d'aluminium, parfois de magnésium. L'aluminium est de loin le plus performant dans les PCPA. Il en représente typiquement 15 à 20 % de la masse.

Catalyseur de combustion

On ajoute souvent une pincée d'oxyde ferrique Fe₂O₃, d'oxyde cuivrique CuO, de dioxyde de manganèse MnO₂ ou de dichromate de cuivre CuCr₂O₇ (moins de 0,1 % de la masse du propergol) comme catalyseur de combustion, dont le rôle est de :

• favoriser la décomposition de l'oxydant et du combustible
• favoriser la réaction en phase gazeuse dans la zone de combustion
• favoriser les échanges thermiques à la surface du bloc de propergol

On utilise aussi des dérivés liquides de fer ou de bore, qui jouent également le rôle de plastifiant, ce qui évite de trop charger le liant en matières solides.

Régulateur de combustion

On emploie également des ralentisseurs de combustion qui servent à moduler la pression — et donc la poussée — au cours de la combustion du bloc. Les sels alcalins ou alcalino-terreux affectent la cinétique de décomposition du perchlorate d'ammonium, et ce à faible concentration (de 1 à 2 % de la masse du propergol), mais ils sont inefficaces sur les poudres chargées d'aluminium. On peut dans ce cas utiliser un refroidissant qui réduit la température de combustion du propergol, et donc la poussée produite, en réduisant l'enthalpie de combustion ou bien en diluant les gaz de combustion dans l'azote : c'est le cas du nitrate d'ammonium NH₄NO₃ et de la nitroguanidine H₂N–C(=NH)–NH–N⁺OO^–.