Propergol composite à perchlorate d'ammonium - Définition

Introduction

Lancement de la sonde New Horizons le 19/01/2006 par une fusée Atlas V équipée de propulseurs d'appoint au PCPA.
Propulseurs d'appoint : PCPA
   - Impulsion spécifique : 275 s
   - Poussée : 1 270 kN par propulseur
   - Durée : 94 s
1^er étage : LOX / RP-1
   - Impulsion spécifique : 311 s
   - Poussée : 4 152 kN
   - Durée : 253 s
2^nd étage : LOX / LH2
   - Impulsion spécifique : 451 s
   - Poussée : 99,2 kN
   - Durée : 842 s

On appelle propergol composite à perchlorate d'ammonium, ou PCPA, un matériau constitué d'une matrice macromoléculaire en polymère combustible comme liant, chargée de perchlorate d'ammonium NH₄ClO₄ comme oxydant, et d'aluminium pulvérulent comme combustible. Le polymère est généralement à base de polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT), mais peut également être constitué de terpolymère polybutadiène – acide acrylique – acrylonitrile (PBAN).

Utilisations

Il s'agit d'un propergol composite très largement utilisé en astronautique dans les propulseurs d'appoint au décollage des lanceurs spatiaux tels qu'Ariane 5, ou dans les rétrofusées de sondes spatiales telles que Mars Exploration Rover. Le PCPA se présente sous forme de blocs moulés dans le corps des propulseurs avec une géométrie rigoureusement définie en fonction de la courbe de poussée désirée.

Les performances intrinsèques d'un propergol solide sont toujours inférieures à celles d'un propergol liquide, mais les poussées obtenues par les accélérateurs à propergol solide peuvent être largement supérieures pendant les quelques minutes nécessaires au décollage pour imprimer au lanceur la vitesse qui lui pemettra de s'affranchir de la force de gravité terrestre à l'aide de ses seuls étages à propergol liquide. On utilise donc les propergols composites à perchlorate d'ammonium dans les applications pour lesquelles on recherche avant tout puissance, simplicité et fiabilité, moyennant une impulsion spécifique ne dépassant pas 260 s.

Mise en œuvre

Systèmes à propergols solides

Contrairement aux systèmes à propergol liquide, la poussée d'un moteur-fusée à propergol solide ne peut être contrôlée en temps réel, mais résulte au contraire des caractéristiques géométriques et structurelles du bloc de propergol coulé dans la fusée. Il est notamment impossible d'arrêter la combustion d'un propergol solide une fois qu'elle a commencé. Par conséquent, la courbe de poussée doit être déterminée à l'avance et, en quelque sorte, « programmée » dans le bloc de propergol solide lui-même. C'est en effet la surface de combustion qui détermine la poussée, à travers le débit massique de propergol et la vitesse d'éjection des gaz d'échappement :

,

avec :

• F_prop la force de poussée du propergol, exprimée en Newton
• v_e la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, mesurée en m/s
• le débit massique d'éjection des gaz d'échappement, mesuré en kilogrammes par seconde

La vitesse d'éjection peut être modulée par la pression dans la chambre de combustion, et donc notamment par la température de combustion, tandis que le débit massique peut être modulé par la vitesse de combustion (elle-même modulée par la composition du bloc de propergol au niveau de la surface de combustion) et par la surface de combustion elle-même, ajustable à travers la géométrie du bloc de propergol dans la fusée.

Débit massique et taux de combustion

Le débit massique s'exprime en fonction de la surface de combustion de la façon suivante :

avec :

• le débit massique d'éjection des gaz d'échappement, exprimé en kg/s
• ρ la densité du propergol au niveau de la surface de combustion, mesurée en kg/m³
• S_c la surface de combustion, mesurée en m²
• t_c le taux de combustion, mesuré en m/s

Par exemple, un profil en étoile donnera une poussée stable sur une plus longue période de temps qu'un profil purement cylindrique :

Le taux de combustion est plus difficile à maîtriser, dépendant d'une série de facteurs assez subtils :

• la composition chimique du propergol, qui peut varier localement
• la taille des particules de charge ajoutées au liant (perchlorate d'ammonium et aluminium)
• la pression dans la chambre de combustion
• les propriétés d'échange thermique du système
• les phénomènes d'érosion du bloc par les gaz de combustion
• la température initiale du bloc

La plupart des réalisations de PCPA ont un taux de combustion compris entre 1 et 3 mm/s à pression atmosphérique, et entre 6 et 12 mm/s à 6 895 kPa ; les PCPA répondent assez bien à la courbe empirique suivante, liant le taux de combustion à la pression dans la chambre de combustion :

avec :

• t_c le taux de combustion, exprimé en m/s
• a une constante
• P_c la pression dans la chambre de combustion
• n un exposant constant, généralement compris entre 0,3 et 0,5 pour les PCPA

Cette valeur de n inférieure à 1 indique que les PCPA sont des propergols plutôt sûrs, dont la cinétique de combustion n'aura pas tendance à diverger vers l'infini en cas d'augmentation non maîtrisée de la pression dans la chambre de combustion.

Exemple des boosters de la navette spatiale

Chaque booster de la navette spatiale américaine contient environ :

• 54,61 t de terpolymère poly (butadiène – acide acrylique – acrylonitrile) (PBAN)
• 8,89 t d'agent de réticulation époxy
• 317,2 t de perchlorate d'ammonium comme oxydant
• 72,58 t d'aluminium comme combustible
• 0,32 t d'oxyde ferrique comme catalyseur de combustion

soit 453,6 t de propergol. Celui-ci est coulé avec une forme en étoile dans la partie supérieure des boosters, prenant petit à petit une forme cylindrique en arrivant au tiers inférieur du booster : la combustion commence au sommet des boosters, la forme en étoile fournissant une poussée élevée au décollage, qui décroît progressivement au cours de l'ascension de la navette.

L'impulsion spécifique est de 242 s au niveau de la mer, et atteint 268,6 s dans le vide.