Propergol liquide - Définition et Explications

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Introduction

En astronautique, on appelle propergol liquide tout système chimique composé d'un ou plusieurs ergols stockés à l'état liquide pour produire, par décomposition ou par combustion, un mélange gazeux dont la détente à travers une tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé...) fournit une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...). De tels propergols ne permettent pas d'atteindre des vitesses très élevées mais offrent une poussée suffisante pendant le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) nécessaire pour s'affranchir de la pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous...) et placer des charges utiles en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...). Ils sont donc couramment utilisés pour fournir l'impulsion nécessaire au décollage (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état...) des lanceurs et pour les manœuvrer dans l'espace.

Lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ) russe Proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...), propulsé au NTO/UDMH.

Grandeurs caractérisant un propergol

Ces grandeurs sont introduites dans l'article "Moteur-fusée (Les moteurs-fusées sont des moteurs à réaction utilisés sur les...)".

Impulsion spécifique (L'impulsion spécifique (notée généralement Isp), dans le domaine de l'astronautique, est le...)

Notée Isp et mesurée en secondes, l'impulsion spécifique indique la durée pendant laquelle une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'un kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) de propergol peut fournir une force de poussée d'un kilogramme-force, soit 9,80665 N :

F_{prop}=g_0\cdot\dot{m}\cdot I_{sp}\,, d'où I_{sp}=\frac{F_{prop}}{g_0\cdot\dot{m}}

avec :

  • Isp l'impulsion spécifique exprimée en secondes
  • Fprop la force de poussée du propergol, mesurée en Newton
  • g0 l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) à l'équateur, soit 9,80665 m/s2
  • \dot{m}\, le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...) massique d'éjection des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) d'échappement, mesuré en kilogrammes par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...)

Cette équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) souligne que, à poussée égale, l'impulsion spécifique sera d'autant plus élevée que le débit massique sera faible, ce qui signifie qu'on privilégiera des ergols dont les produits de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) ont une masse molaire faible.

L'impulsion spécifique n'est pas une grandeur absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un...) d'un propergol, mais dépend des performances du moteur-fusée, et tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) particulièrement de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) atteinte dans la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...), qui peut affecter les performances du système de 10 à 15 %. Elle dépend également de la détente des gaz d'échappement dans la tuyère, dont la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) doit être optimale pour maximiser la poussée, et elle dépend donc aussi de la pression à l'extérieur de la fusée : l'impulsion spécifique est maximale dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), mais est inférieure près de 15 % au décollage au niveau de la mer (Le niveau de la mer est la hauteur moyenne de la surface de la mer, par rapport à un niveau de...).

Dans la littérature, les valeurs d'impulsion spécifique sont données dans le vide et dans les conditions thermodynamiques idéales, de sorte qu'elles constituent des bornes supérieures auxquelles les valeurs pratiques sont généralement inférieures de 5 à 10 %.

Vitesse (On distingue :) d'éjection des gaz d'échappement

Dans la mesure où le rapport de la force de poussée au débit massique est égal à la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, on peut également exprimer l'impulsion spécifique d'un propergol au moyen de la vitesse d'échappement, exprimée en mètres par seconde, selon l'égalité :

v_{e}=\frac{F_{prop}}{\dot{m}}=g_0\cdot I_{sp}\,

avec :

  • ve la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, exprimée en m/s
  • g0 l'accélération de la gravité à l'équateur, soit 9,80665 m/s2
  • Isp l'impulsion spécifique mesurée en secondes

Fraction massique du propergol, delta V, densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'impulsion

Fraction massique

On appelle fraction massique du propergol le rapport entre la masse finale du lanceur (après combustion du propergol) et sa masse initiale (avec le propergol avant sa combustion) :

f_\mathrm{mass}\ =\ 1-\frac{m_\mathrm{prop}}{M_\mathrm{0}}

avec :

  • fmass la fraction massique du propergol consommé, exprimée en kg
  • mprop la masse de propergol consommé, mesurée en kg
  • M0 la masse initiale de l'engin spatial (avec le propergol consommé), mesurée en kg

C'est une grandeur qui dépend à la fois de la conception du lanceur et de la densité du propergol employé.

Delta v

Par ailleurs, on désigne couramment par « delta v » le surcroît de vitesse imprimé à un engin spatial par la combustion d'une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) de propergol. En l'absence de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravité et de frottements, l'équation de Tsiolkowski (L'équation de Tsiolkowski est l'équation fondamentale de l'astronautique reliant l'accroissement...) permet d'exprimmer simplement le delta V à partir de la fraction massique du propergol :

\Delta{v}=v_{e}\cdot\ln\left[{\frac{M_\mathrm{plein}}{M_\mathrm{vide}}}\right]

avec :

  • Δv la variation de vitesse de l'engin spatial exprimée en m/s
  • ve la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, mesurée en m/s
  • Mplein la masse de l'engin spatial au décollage, mesurée en kg
  • Mvide la masse hors propergol de l'engin spatial, mesurée en kg

On voit clairement avec cette expression que, pour maximiser le delta v, il faut :

  1. utiliser un propergol qui permette d'éjection des gaz d'échappement à une vitesse ve aussi élevée que possible
  2. maximiser le rapport Mplein / Mvide, ce qui signifie :
  • construire un astronef aussi léger que possible
  • utiliser un propergol aussi dense que possible

Le delta v dépend donc à la fois de la masse du véhicule spatial (On entend par véhicule spatial ou astronef ou spationef, un véhicule permettant de se...) et des qualités intrinsèques (masse volumique et vitesse d'éjection) du propergol utilisé.

Densité d'impulsion

La densité apparente du propergol étant une donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) aussi déterminante que son impulsion spécifique, on définit l'impulsion-densité (ou densité d'impulsion) comme le produit de ces deux grandeurs :

I_\mathrm{d}=d_\mathrm{prop}\cdot I_\mathrm{sp}

avec :

  • Id l'impulsion-densité exprimée en s•kg/m3
  • dprop la densité apparente du propergol mesurée en kg/m3
  • Isp l'impulsion spécifique mesurée en secondes

C'est parfois le couple (IspId) plutôt que le couple (vedprop) qui est indiqué dans les tables de valeurs numériques sur les propergols liquides.

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