Propulseur à propergol solide - Définition

Performance

Un propulseur à propergol solide bien conçu fournit une impulsion spécifique de 265, qui peut être comparée à l'impulsion du mélange kérosène/oxygène liquide (330 s) et hydrogène liquide/oxygène liquide (450 s).

Ce type de propulseur peut fournir une forte poussée à des coûts relativement bas. Pour cette raison la propulsion à propergol solide est utilisée au niveau du premier étage des fusées tandis que les moteurs à impulsion spécifique élevée, en particulier ceux ayant recours à l'hydrogène, sont réservés aux étages supérieurs. Par ailleurs, les propulseurs solides sont depuis toujours utilisés pour placer les satellites sur leur orbite finale (moteur d'apogée) car ils sont simples, fiables, compacts et ont une énergie massique relativement importante.

Pour les utilisations militaires un autre avantage important est la capacité de ce type de propulseur à pouvoir être utilisé après de longues périodes de stockage et à la rapidité de sa mise en œuvre (pas de remplissages de carburant longs et délicats juste avant la mise à feu).

Tuyère

Une tuyère comportant un divergent et un convergent accélère les gaz générés pour produire la poussée. La tuyère est construite dans un matériau qui peut résister à la température atteinte par les gaz chauds. On utilise le plus souvent des matériaux à base de carbone résistants à la température comme le graphite amorphe et le carbone carbone.

Certains des propulseurs peuvent contrôler l'orientation de la poussée. La tuyère peut être montée sur un cardan comme dans le cas des SRB de la navette spatiale américaine ou des EAP d'Ariane 5, ou on peut avoir recours à des jets de gaz comme sur la fusée V2 ou injecter des liquides dans le jet de gaz sortant de la tuyère. Dans cette dernière technique, un liquide est injecté an aval du col de la tuyère : en général, une réaction chimique se produit avec les gaz générés ; l'ajout d'une masse non symétrique sur un côté du jet crée un couple qui permet de faire pivoter la fusée. Les propulseurs à propergol solide de la fusée Titan III C utilise à cet effet du peroxyde d'azote.

Fabrication d'un propulseur à propergol solide de lanceur

Une fois l'enveloppe disponible avec sa protection thermique mise en place sur la paroi interne, un lieur chargé d'assurer la liaison entre le propergol et la structure est enduit. Les ingrédients du propergol sont longuement malaxés comme une pâte à pain. Le résultat est ensuite coulé dans l’enveloppe du propulseur dans laquelle a été mis en place provisoirement un noyau qui doit donner la forme désirée au canal central pour fournir la loi de poussée recherchée. La qualité du résultat est vérifiée à l'aide de moyens de contrôle non destructifs (rayons X, ultrasons, imagerie thermique).

Propergols utilisés

La performance d'un propulseur à propergol solide est avant tout lié à la maîtrise de la composition et du processus de combustion du propergol ainsi qu'à celui du processus de fabrication des blocs de poudre. Ce domaine de la chimie est en constante évolution. Seuls quelques pays maîtrisent aujourd'hui l'utilisation des propergols les plus puissants.

• Les propergols double-base : par exemple la nitrocellulose et la nitroglycérine avec une impulsion spécifique de 235 secondes.

• Les propergols composites
  • Le plus répandu des composites utilisés par les lanceurs modernes est le propergol composite à perchlorate d'ammonium qui comporte un mélange de perchlorate d'ammonium (oxydant), poudre d’aluminium (le réducteur) et polybutadiène (le carburant qui joue également le rôle de liant). L'impulsion spécifique obtenue est de 250 secondes.
  • Les composites à haute performance obtenus en mélangeant un composite avec un explosif de grande puissance comme le HMX et le RDX permettent d'atteindre une impulsion spécifique de 275 secondes mais sont peu utilisés à cause des risques d'accident plus élevés.

• Fusées amateur ou expérimentales
  • La poudre noire (charbon, nitrate de potassium et soufre) donne une impulsion spécifique de 80 secondes et une poussée d'environ 40 Newtons.
  • Le zinc et le soufre : brûlent très rapidement (progression du front de combustion de 2 mètres par seconde).
  • Le propulseur au sucre : oxydant (nitrate de potassium par exemple) et un carburant à base de sucre (saccharose, glucose) fournit une impulsion spécifique de 130 secondes.