Compréhension basique du système de propulsion 

Compréhension basique du système de propulsion 

Principe de propulsion 

Pour expliquer le principe physique de la propulsion, il faut directement faire appel au principe newtonien de l’action et de la réaction, qui affirme que dans un système pseudo-isolé, la somme des forces qui s’exercent sur un mobile à vitesse nulle ou à vitesse constante est égale à 0 . En effet, pour un système isolé telle qu’une fusée dans l’espace (pour modéliser ce système, l’espace sera considéré comme système pseudo-isolé, et l’on négligera les forces extérieures telles que les forces de gravitation des astres environnants), la somme des forces( intérieures ) s’exerçant sur les différentes parties du système est nulle.
Si l’on souhaite considérer séparément les différentes parties du mobile et indépendantes de la fusée ( la structure principale sans les gaz éjectés ), on peut affirmer que les forces intérieures au système ( fusée ), c’est-à-dire ( structure + gaz éjectés ) sont en fait des forces extérieures pour chaque partie indépendante ( structure ) et ( gaz éjectés ).

La propulsion chimique 

La propulsion chimique des satellites est généralement assurée par la décomposition ou la combustion d’un ou plusieurs combustibles; produisant ainsi des gaz à très haute température et très forte pression. Les niveaux de poussée réalisables (de 0,5N à plusieurs centaines de Newton) et la versatilité de fonctionnement (mode puisé ou fonctionnement continu) permet de couvrir tous les besoins d’une manœuvre de transfert d’Orbite et ceux du contrôle d’attitude et d’orbite. Les ergols peuvent être de type monopropergols ou bipropergols . Elle se convertit de l’énergie chimique (liaisons) en thermique puis en énergie cinétique. Elle joue le rôle de détente les gaz produisent à travers une tuyère de Laval.

La propulsion électrique 

Le principe de la propulsion électrique a d’abord été imaginé par Tsiolkovsky en 1903. Après plus d’un siècle, cette technologie n’a pas encore pu s’imposer dans l’industrie spatial.
L’explosion de l’industrie spatiale pendant la guerre froide a tout de même permis le développement d’un grand nombre de propulseurs électriques pour satellites et sondes. Dans un propulseur électrique, c’est l’énergie électrique qui est transformée en énergie cinétique. Soit on utilise cette énergie électrique pour chauffer un mélange éjecté par une tuyère (propulseurs électrochimiques), soit on l’utilise pour accélérer directement des particules chargées (propulseurs électriques au sens strict).
Les propulseurs électriques peuvent être effectués par un plasma qui est la quatrième étape de la matière, à la phase ionisée de la matière, généralement gazeuse, composée d’ions, d’électrons, d’atomes et/ou de molécules et de photons, dont la conductivité électrique est suffisamment élevée pour que des courants se développent et pour que le milieu réagisse à des champs électriques et magnétiques .

La propulsion verte 

La toxicité de l’hydrazine pure conduit à la recherche des propergols moins toxique. Les substituts les plus couramment étudiées sont des mélanges ioniques aqueux énergétiques contenant un oxydant et un combustible. Les propergols proposés sont HAN (nitrate d’hydroxy ammonium, NH3OH+NO-3), l’ADN (dinitramide d’ammonium, NH4+N(NO2)-2) ou de HNF (Le nitroformiate d’hydrazinium, N2H5+C(NO2)-3) , cependant le défi actuel est de développer un catalyseur qui est actif à basse température et est en mesure de maintenir les températures élevées des gaz produits. Des résultats importants de nombreuses études sur plusieurs composés énergétiques (monergols) proposés pour le remplacement d’hydrazine et parmi les candidats possibles. On trouve le protoxyde d’azote N2O ainsi que le retour du peroxyde d’hydrogène et l’apparition de nouveaux composés énergétiques nommés propergols verts ; ce congrès a fait une part particulièrement importante aux aspects environnementaux.
La notion de « propulsion verte », et donc la problématique du remplacement des hydrazines par des produits moins toxiques, cette propulsion contient deux types :
Propulseurs monopropergols : Ils ont un faible niveau de poussée et sont essentiellement utilisés pour le contrôle d’attitude des satellites. Ils assurent de multiples impulsions de poussée de durée et à intervalles variés.
Propulseurs bipropergols : Ils assurent également de multiples créneaux ou impulsions de poussée à des intervalles de temps variés. Ils sont utilisés pour les transferts d’orbite et la propulsion des sondes d’exploration spatiale. Ils sont nettement plus complexes mais beaucoup plus performants que les moteurs à hydrazine.

L’utilisation de peroxyde d’hydrogène H2O2 dans le domaine de la propulsion spatiale 

Le peroxyde d’hydrogène (l’eau oxygénée, H2O2) figure parmi les premiers propergols liquides utilisés dans la propulsion. Il a été découvert par L.J. Thenard en 1818 , et a été disponible dans le marché par une variété de processus depuis, environ, 1885. Mais la première personne à reconnaître son potentiel pour la propulsion des fusées était Hellmuth Walter, qui a crée sa propre entreprise dans le but de développement du système de propulsion en 1935. Il a étudié la décomposition catalytique du peroxyde d’hydrogène à 80 % (T-Stoff) par l’injection simultanée des solutions aqueuses de sels de permanganate .
Première application d’une fusée d’avion était sur le Heinkel He 176, volée en 1938 qui a utilisé une poussée de 5783N par la décomposition de peroxyde d’hydrogène.
2H2O2(l) → 2 H2O(v) + O2 (g)
Après la seconde guerre mondiale, plusieurs programmes portant sur la décomposition du peroxyde d’hydrogène ont été développés. Au Royaume-Uni, l’étude a porté sur la combustion de kérosène avec l’oxygène obtenu par la décomposition de l’eau oxygénée H2O2 à 90 % en présence de catalyseurs à base d’argent ou d’argent supporté sur nickel (Sprite, Black Knight, Black Arrow).

La compatibilité des matériaux avec H2O2 

Les effets associés aux matériaux en contact avec du peroxyde d’hydrogène peuvent varier considérablement, donc une méthode standard de classification selon le rendement probable en service a été conçu comme suit :
Classe 1: les matériaux qui sont entièrement compatibles avec le peroxyde d’hydrogène et approprié pour contact prolongé telles que les réservoirs de stockage.
Classe 2: les matériaux qui sont satisfaisantes pour des contacts répétés à court terme avec du peroxyde d’hydrogène avant le stockage ou l’utilisation. Le temps de contact doit être assez court avant le stockage. Le temps de contact ne doit pas dépasser quatre heures à 71°C ou une semaine à 21°C avant de l’utiliser .
Classe 3: les matériaux qui conviennent à contact court terme seulement, avant d’inciter l’utilisation.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Compréhension basique du système de propulsion 
Introduction
1.1 Principe de propulsion et l’équation de fusée 
1.1.1 Principe de propulsion
1.1.2 Équation de fusée
1.2 Paramètres propulsifs
1.2.1 Poussée FT
1.2.2 Impulsion J
1.2.3 Impulsion spécifique Isp
1.3 Types de propulsion 
1.3.1 Propulsion chimique
1.3.1.1 Propulsion chimique liquide
1.3.1.1.a Propulsion monopropergol
1.3.1.1.b Propulsion bipropergol
1.3.1.2 Propulsion chimique solide
1.3.1.3 Propulsion chimique à gaz froid
1.3.2 Propulsion électrique
1.3.2.1 Propulseurs électrothermiques
1.3.2.2 Propulseurs électrostatiques
1.3.2.3 Propulseurs électromagnétiques
1.4 Propulsion verte 
1.5 Utilisation de peroxyde d’hydrogène H2O2 dans le domaine de la propulsion spatiale
1.6 Compatibilité des matériaux avec H2O2
1.7 Enquête sur les systèmes H2O2 monopropergol existants
Conclusion
Chapitre II : Modélisation
Introduction
2.1 Spécification de conceptions
2.2 Propriétés chimiques du propergol et analyse thermochimique
2.2.1 Enthalpie de réaction
2.2.2 Chaleur disponible et la température des produits
2.2.3 Propriétés chimiques des produits
2.3 Performances théoriques du système
2.3.1 Caractéristiques du moteur propulseur à partir des propriétés thermochimiques
2.3.2 Paramètres de la chambre
2.4 Dimensionnement du propulseur
2.5 Performances prévues
Conclusion
Chapitre III : Validation, Résultats et discussion
Introduction
3.1 Validation du programme avec l’article de Math Palmer
3.2 Résultats et Interprétation
3.2.1 Effet de la concentration sur le pourcentage des gaz produits
3.2.2 Effet de la concentration sur la température de la chambre
3.2.3 Effet de la concentration sur l’impulsion spécifique
3.3 Contours et dimensions de la chambre de poussée
Conclusion
Conclusion générale

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