Propulseur à propergol solide - Définition
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Introduction
Un propulseur à propergol solide ou fusée à propergol solide ou propulseur à poudre est une fusée qui utilise un propergol solide pour sa propulsion. Il est principalement composé d'une enveloppe contenant le propergol (poudre), d'un allumeur et d'une tuyère. Le bloc de poudre est percé par un canal longitudinal qui sert de chambre de combustion. Lorsque le propulseur est allumé la surface du bloc de poudre côté canal se met à brûler en produisant des gaz de combustion sous haute pression qui sont expulsés par la tuyère. En donnant une géométrie particulière au canal on peut, dans une certaine mesure, définir une courbe de poussée répondant au besoin propre à son utilisation.
Ce type de propulseur est plus simple à concevoir qu'un propulseur à propergols liquides et peut délivrer des poussées très importantes à coût relativement faible par rapport à celui-ci (le propulseur de la navette spatiale a une poussée 1 250 tonnes). Leur impulsion spécifique est par contre nettement plus faible (environ deux fois plus faible) et leur poussée est faiblement modulable et ne peut généralement pas être arrêtée avant la fin de la combustion.
Mis en œuvre depuis plus de deux millénaires par les chinois pour la fabrication de fusées artisanales, les propulseurs à propergol solide sont aujourd'hui utilisés pour des applications militaires (missiles) car ce type de propulseur peut être rapidement mis en œuvre (pas de chargement d'ergols avant le lancement) après une longue période de stockage. Dans les fusées modernes, ils sont largement utilisés comme propulseur d'appoint du 1er étage en fournissant jusqu'à 90 % de la poussée initiale.
La performance d'un propulseur à propergol solide est avant tout liée à la mise au point de nouveaux mélanges chimiques et à la maîtrise du processus de combustion du propergol ainsi qu'à celle 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.
Historique
Les premières fusées, en Chine puis dans le monde musulman au 13e siècle, étaient propulsées par des propergols solides à base de poudre à canon. Jusqu'au 20e siècle toutes les fusées ont utilisées une forme ou une autre de propergol solide. Le 20e siècle a vu l'apparition des propulsions à ergols liquides et hybride, bien plus performantes, qui permettaient notamment de moduler la poussée.
Conception
La conception d'un propulseur à propergol solide découle essentiellement de la poussée attendue, qui elle-même détermine la masse d'oxydant et de réducteur. La géométrie et le type de propergol solide sont fixés de manière à répondre aux caractéristiques du propulseur.
Les paramètres suivants sont choisis ou déterminés de manière conjointe ; une fois fixés, ils permettent de fixer la géométrie du bloc de poudre, de la tuyère et de l'enveloppe :
- La poudre brûle à une vitesse qui peut être calculée et qui est fonction de la surface du bloc de poudre exposé et de la pression dans la chambre de combustion
- La pression dans la chambre de combustion est déterminée par de diamètre de la tuyère et la vitesse de combustion de la poudre
- La pression dans la chambre de combustion est limitée par la conception de l'enveloppe
- Le temps de combustion est déterminé par l'épaisseur de la couche de poudre (déterminé par le diamètre de la fusée et celui du canal de combustion)
La poudre peut être solidaire ou non de l'enveloppe. Les propulseurs qui ont un bloc de poudre solidaire de l'enveloppe sont plus difficiles à concevoir car la déformation du bloc de poudre et de l'enveloppe durant le temps de combustion doivent être compatibles.
Parmi les problèmes les plus fréquents rencontrés avec ce type de propulsion figurent la présence de poches d'air ou de fissures dans le bloc de poudre, ainsi que la désolidarisation du bloc avec l'enveloppe. Tous ces défauts provoquent une augmentation immédiate de la surface de combustion et un accroissement simultané de la quantité de gaz produit et de la pression, ce qui peut potentiellement être à l'origine d'une brèche dans l'enveloppe.
Un autre type d'incidents est lié à la conception des joints qui assurent la jonction entre les différents segments (tronçons) de l'enveloppe. L'existence de plusieurs segments est nécessaire lorsque l'enveloppe nécessite d'être ouverte pour permettre le chargement du bloc de poudre. Lorsqu'un joint perd son étanchéité, les gaz brûlants élargissent progressivement la brèche jusqu'à ce que le propulseur soit détruit. Ce type de défaillance est à l'origine de l'accident de la navette spatiale Challenger.
