LES CARBURANTS NOUVEAUX

« QUE SAIS -JE ? » LE POINT DES CONNAISSANCES ACTUELLES

N° 933

LES CARBURANTS NOUVEAUX

par

Jean-François THÉRY Ingénieur à la S. N. E. C. M. A.

DEUXIÈME ÉDITION MISE A JOUR

PRESSES UNIVERSITAIRES DE FRANCE 108, BOULEVARD SAINT-GERMAIN, PARIS

1971 DIX-HUITIÈME MILLE

Dépôt légal. — 1 édition : 2 trimestre 1961 2 édition : 2 trimestre 1971

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INTRODUCTION

Le terme de carburant, devenu classique aujour- d'hui, évoque encore trop souvent dans l'esprit du grand public la seule notion de produits pétroliers. S'il est exact de faire remonter l'origine de ce substantif aux carbures d'hydrogène qui sont les constituants habituels de nos essences et de nos fuels, il est non moins vrai que la technique moderne lui a donné un sens beaucoup plus étendu.

Pendant plus d'un demi-siècle, la plupart de nos moteurs ont brûlé les différents corps combustibles obtenus par la distillation fractionnée du pétrole brut. Propre et commode à utiliser, sa polyvalence a fait du pétrole un carburant hors pair, difficile à remplacer.

L'apparition du moteur Diesel à marche rapide en 1930 et des moteurs d'avion qui exigeaient des carburants à haut indice d'octane, d'autre part le développement sans cesse accru de l'automobile ont donné à l'industrie du pétrole un essor prodigieux. La seconde guerre mondiale, avec l'avènement du turbo-réacteur, n'a fait qu'augmenter la demande en hydrocarbures. Mais la réapparition de la fusée sur les champs de bataille internationaux devait bientôt créer un nouvel état d'esprit fondé sur le développement intensif de ce nouveau moyen de propulsion.

Aujourd'hui, les débuts du vol hors de l'atmo- sphère terrestre lui ouvre son véritable domaine : celui de la propulsion dans le vide.

En effet, alors que tous les moteurs classiques, réacteurs y compris, sont tributaires de l'air atmo- sphérique pour pouvoir brûler leur combustible, la fusée, par son principe même, emporte avec elle l'oxydant nécessaire à sa combustion. Un carburant pour fusée se présente donc sous l'aspect d'une source d'énergie thermochimique dont l'énergie peut pro- venir soit de l'action d'un réducteur sur un oxydant, soit de la décomposition catalytique d'un corps. Une telle source s'appelle un « propergol ». Chacun des constituants est un ergol. Lorsque les deux ergols sont stockés dans des réservoirs séparés sous forme liquide, on dit qu'il s'agit de « propergol liquide » : par exemple, la combinaison de l'acide nitrique et du kérosène (1).

Par contre, lorsque les éléments nécessaires à la libération de l'énergie sont contenus entièrement à l'intérieur d'une même molécule, on dit que l'on a affaire à un « monergol » ; ce sera le cas de l'oxyde d'éthylène et du nitro-méthane.

Cette distinction se retrouvera dans les propergols solides. Les propergols à double base, par exemple les associations de nitro-cellulose et de nitro-glycé- rine, devront être considérées comme de véritables monergols, chacun des deux constituants pouvant brûler sans le secours d'une source d'oxygène exté- rieure.

Les propergols composites sont au contraire des mélanges d'un genre particulier où un corps oxydant finement pulvérisé est noyé dans une matière plas- tique ou bitumeuse.

Stocker l'énergie sous forme d'un bloc de poudre de composition et de dimensions choisies est évi-

(1) On donne parfois à ces combinaisons le nom de diergols par opposition à monergol qui ne comprend qu'un seul constituant.

demment une solution séduisante. Mais les nom- breux impératifs auxquels doit répondre la composi- tion d'un tel bloc ne permettent pas toujours la réalisation de systèmes propulsifs offrant des possi- bilités comparables à celles des propergols liquides. Aussi, dans les cas où l'allumage et l'extinction à volonté, la régulation de la poussée, ou de très fortes impulsions spécifiques sont d'une nécessité absolue, on est bien obligé de s'accommoder des solutions offertes par l'emploi de propergols liquides.

Dans ce petit ouvrage, nous nous proposons de décrire, dans un langage aussi clair que possible, la nature et les caractéristiques des combinaisons énergétiques utilisées dans la propulsion des fusées. Dans un chapitre préliminaire, nous avons rappelé un certain nombre de relations thermodynamiques de manière à rendre la lecture de ce livre plus aisée. Les horizons ouverts par l'utilisation de l'énergie nucléaire et par les récents développements de la physique des hautes énergies seront évoqués en guise de conclusion.

CHAPITRE PREMIER

CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES

Tous les systèmes chimiques pouvant donner lieu à une libération d'énergie sont théoriquement sus- ceptibles de convenir comme propergols. Cependant, la recherche de tels systèmes suppose que l'on a défini au préalable quelles devaient être les caracté- ristiques fondamentales de ces combinaisons du point de vue propulsif, et sur quels critères se fon- dait leur sélection. Les multiples exigences des moteurs fusées actuels rendent cette sélection par- ticulièrement difficile. Rares sont en effet les asso- ciations entre deux produits qui possèdent exacte- ment toutes les propriétés requises pour être utili- sées dans la propulsion par fusée, si bien que dans de nombreux cas, on est obligé d'avoir recours à une sorte de compromis entraînant parfois le sacrifice pur et simple d'une qualité au profit d'une autre plus désirable. Il est important de noter que dans ce choix, l'aspect technique du problème n'est pas seul en cause, des considérations stratégiques, économi- ques, géographiques, voire même politiques, pouvant énormément influer sur la cotation d'un propergol.

On entend par qualités énergétiques d'un proper- gol les diverses qualités qui traduisent sa valeur en tant qu'agent propulsif, c'est-à-dire celles qui ont trait à l'énergie libérée par le propergol dans la

chambre de combustion du propulseur et à son utili- sation dans la tuyère de détente. L'ensemble des autres facteurs intervenant dans la production, le stockage, la manutention des propergols sera groupé sous le terme très général de caractéristiques de mise en œuvre.

Il est pratiquement très difficile sinon impossible de dissocier l'ensemble que forment le propulseur et le propergol, c'est pourquoi nous avons jugé utile dans l'exposé qui va suivre de rappeler un certain nombre de résultats se rapportant à la thermodyna- mique des moteurs fusées.

Quelle que soit la nature des constituants initiaux du propergol, la transformation de l'énergie chimi- que en énergie cinétique s'effectue toujours suivant le même processus. Au cours d'une première phase, le propergol est brûlé à pression constante dans une chambre de combustion. Les gaz ainsi produits sont ensuite détendus dans une tuyère convergente- divergente de Laval dans laquelle ils fournissent un effort propulsif que l'on désigne habituellement sous le nom de poussée. La notion de poussée est commune à tous les propulseurs, mais elle prend, dans le cas de la fusée, une signification particulière du fait que l'air ambiant ne participe pas à la propulsion.

D'une manière générale, considérons un certain volume fluide limité par une enveloppe de surface donnée. La première équation d'Euler exprime que la résultante de toutes les forces s'exerçant sur la surface de cette enveloppe (surface extérieure aussi bien qu'intérieure) est égale à la quantité de mou- vement du fluide sortant de cette enveloppe par unité de temps. C'est en appliquant cette équation aux gaz de combustion contenus dans la fusée que nous pourrons établir l'expression globale de la poussée.

Rappelons que la quantité de mouvement d'un corps se définit comme le produit de sa masse m par sa vitesse v. Un rapide examen de la figure ci-dessous montre que ces forces ont deux origines distinctes. Il y a d'une part, la pression atmosphérique qui s'exerce sur la surface extérieure de l'enveloppe, et d'autre part la pression des gaz contenus dans la chambre de combustion qui s'exerce sur la surface

Fig. 1. — Coupe schématique d'une fusée

intérieure de l'enveloppe. Si la fusée était herméti- quement close, la somme des forces de pression intérieure serait nulle ; il en serait de même pour les forces de pression extérieure.

Or, cette condition n'étant pas réalisée puisque la fusée communique avec l'espace environnant par une tuyère, l'état d'équilibre des forces consi- dérées n'est plus le même. Désignons par As la section de sortie de la tuyère. La résultante des forces de pression extérieure est maintenant égale à la pression atmosphérique agissant sur cette section As, dans une direction opposée à celle prise par la fusée, ce que l'on peut écrire :

Fex = — PaAs

Quant aux pressions intérieures, elles doivent normalement être égales à :

Fint = PsAs

En appliquant le théorème des quantités de mouvement aux gaz de combustion sortant par la section terminale de la tuyère, on obtient l'expres- sion générale de la poussée d'une fusée, soit :

dans laquelle q est le débit massique, et Ve la vitesse d'éjection des gaz. Lorsque la pression de sortie de la tuyère est exactement égale à la pression atmosphérique, c'est-à-dire lorsque p = p, on dit que la tuyère est adaptée ; la poussée, dans ce cas, est maximum. On s'explique ainsi facilement pour- quoi les performances d'une fusée sont meilleures dans le vide que dans l'atmosphère.

La formule que nous venons d'établir se réduit, dans le cas d'une tuyère adaptée à l'expression simple suivante :

P = q.V

En d'autres termes, cela signifie que la poussée transmise à la fusée par unité de masse de propergol est égale à la vitesse d'éjection des gaz. Celle-ci calculée ou mesurée dans des conditions de réfé- rences données fournit de précieux renseignements sur les qualités énergétiques d'un système propergo- lique. Toutefois, avant d'aborder l'étude des diffé- rents facteurs qui peuvent influencer la vitesse d'éjection, il est nécessaire de formuler un certain nombre d'hypothèses sur la nature des gaz de combustion, et sur leur comportement dans la tuyère d'éjection.

Tout d'abord, on suppose que la composition du mélange n'a pas varié au cours de la détente dans la tuyère ; c'est ce que l'on exprime parfois en disant que le mélange est figé. Les gaz de combustion

peuvent, dans ce cas, être assimilés aux gaz par- faits ; ils obéiront donc à la loi :

Où r est la constante spécifique massique des gaz, et p leur masse spécifique. En second lieu, on admet que les chaleurs spécifiques du gaz sont invariables avec la température et la pression, et que l'écoulement est permanent et isentropique, c'est-à-dire adiaba- tique et sans perte. Un tel écoulement est caractérisé par la relation suivante :

d'où l'on tire immédiatement :

L'indice 0 se rapportant aux conditions dans la chambre et l'indice s aux conditions de sortie. Enfin, la tuyère étant convergente-divergente, la

vitesse d'écoulement des gaz au col est égale à la célérité locale du son qui, rappelons-le, ne dépend que de la température des gaz considérés.

Nous sommes maintenant en possession de tous les éléments pour calculer la vitesse d'éjection des gaz de combustion. Pour cela, il suffit d'écrire l'équa- tion de la conservation de l'énergie qui exprime dans le cas d'un écoulement adiabatique de gaz parfait, l'égalité de la chute d'enthalpie dans la tuyère et de l'accroissement de l'énergie cinétique :

1971. — Imprimerie des Presses Universitaires de France. - Vendôme (France) ÉDIT. N° 31412 IMPRIMÉ EN FRANCE IMP. N° 22 355

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