Formation propulsion hybride

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Transcript Formation propulsion hybride

Formation propulsion hybride

Initiation propulsion hybride

Comprendre son fonctionnement

Commission Propulsion

Sommaire

           Introduction : qu’est-ce que la propulsion fusée ?

Fonctionnement d’un moteur-fusée Propulsion liquide Propulsion solide Théorie de la propulsion hybride Avantage / inconvénient Couple d’ergols Comportement mécanique des paraffines Historique Ressources techniques Planète Sciences Questions / réponses

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Introduction (1)

   But : fournir la force propulsive nécessaire à un mobile afin qu’il puisse réaliser sa mission Missions possibles :  Trajectoire balistique   Mise en orbite Contrôle d’attitude Dans le cadre d’une mise en orbite : donner à cette objet la vitesse nécessaire :   

Orbite basse : ~9500 m/s Orbite de transfert géostationnaire : ~11500 m/s Géostationnaire : ~13000 m/s 3

Introduction (2)

 Le ∆V se calcul à partir des performances du moteur et des masses du lanceur :   La vitesse qu’il est possible d’atteindre, se déduit du ∆V et des pertes lors du vol :   Pertes par gravité Pertes par trainé  Pertes par incidence Un moteur se caractérise par sa poussée et son ISP

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Fonctionnement d’un moteur-fusée (1)

 La réaction chimique à lieu dans la chambre de combustion   Les gaz chauds sont éjectés par la tuyère si Pc > Pe Par principe d’action/réaction cela produit une poussée

F

q

V e

(p e

p a )

S e

 Les gaz sont détendus à travers la tuyère

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Fonctionnement d’un moteur-fusée (2)

V e

   2

R M

   1

T

0 ( 1 

P

(

P

0

e

)    1 avec (P 0 , T 0 ) conditions avec (M,  γ) caractéris dans la chambre en amont tiques du col des gaz dans la chambre   La tuyère permet de transformer la réaction exothermique en énergie cinétique Différentes formes de tuyères

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Fonctionnement d’un moteur-fusée (3)

 Rapport des sections :     Tuyère sous détendu : Ps > Pa Tuyère adapté : Ps = Pa Tuyère sur détendu : Ps < Pa Critère de décollement : Ps < 0.4 Pa

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Propulsion liquide (1)

    Les ergols sont stockés séparément dans des réservoirs puis injectés dans la chambre de combustion La performance dépend du choix du couple d’ergols   

Stockable, ex : UDMH/N2O4, Isp : 250 à 330s Semi cryotechnique, Lox/Kérosène, Isp : 300 à 370s Cryotechnique, Lox/LH2, Isp : 380 à 470s

Trois modes d’alimentations :   

Blow-down : simple, peu performant Pressure Fed : complexité et performance moyenne Turbopompe : complexe et très performant

Le choix de l’ergols dépend de la mission  

Moteur orbital : forte poussée Contrôle d’attitude : fort Isp 8

Propulsion liquide (2)

  L’ISP d’un moteur dépend aussi du rapport de mélange Différents cycles moteur dans le cas de TP :  Choix du cycles : dépend du niveau de performance désiré et du budget disponible

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Propulsion solide (1)

  Les deux ergols sont mélangés avec différents additifs et stockés dans la chambre de combustion qui fait office de réservoir Loi de régression : vitesse d’ablation du propergol normale à sa surface :     Forte poussée Faible ISP (max 280s) Pas de modulation de poussée ni d’extinction Principalement utilisée pour les missiles (de tout types) et pour sortir de l’atmosphère pour les lancseurs civiles

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Propulsion solide (2)

 Profil de poussée fonction de la géométrie du bloc

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Théorie sur la propulsion hybride (1)

   Un ergol liquide, un ergol solide En général, oxydant liquide, combustible solide Il faut un apport de chaleur pour démarrer la combustion

Pre chamber

Solid fuel

Post-combustion chamber

Liquid oxidizer Solid Feeling system + gate + injector fuel

Combustion chamber Nozzle

  La préchambre sert à vaporiser l’oxydant La postchambre permet de brûler le restant d’oxydant

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Théorie sur la propulsion hybride (2)

  Sous l’effet de la chaleur le combustible est sublimé Les gaz issus de cette sublimation brûlent avec l’oxydant   Lois de régression : Avec :

r

.

a

.

G o n

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Avantages

   Sécurité : pas de risques d’explosion Coût : les briques technologiques existent déjà, condition de sécurité moins importante Performance : même ordre de poussée que le solide, ré allumable, meilleur ISP que le solide, même ISP que le semi-cryotechnique

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Inconvénients

   Vitesse de régression : de 0,1 à 5mm/s contre 10 à 15 pour les propergols solides Optimisation de l’encombrement du réservoir et de la chambre Ablation accrue du col de la tuyère Carbone/Carbone Carbone Phénolique Silice Phénolique Propergol Solide 0,13 mm/s 0,252 mm/s 0,42 mm/s Propergol Hybride 0,24 mm/s 0,65 mm/s 1,12 mm/s  Fortes instabilités de combustion (basse fréquence)

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Couples d’ergols

 Oxydants : quasiment tous les oxydants connus     

LOX N2O H2O2 N2O4 HNO3

 Réducteurs : tous matériaux carboné, solide à T ° ambiante    

Plastiques (HTPB, PE, PMMA, ABS, Plexiglas, etc…) Paraffine Sorbitol Saucisson!!!

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Couple d’ergols (2)

 Intérêts de la paraffine : 

Mode de combustion : liquéfaction, puis évaporation des gouttelettes

  

Vitesse de régression 3 à 5 fois supérieur / HTPB Meilleur indice constructif de l’étage Attention : tenu mécanique du bloc au court du temps 17

Comportement mécanique des paraffines

   Caractériser pour comprendre Modéliser pour simuler Simuler pour prédire

3 2 1

  Les paraffines se déforment très peu Elles sont très sensibles à la température

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Historique (1)

 Année 60/70 : nombreux essais (surtout USA), mise au point par l’ONERA de la fusée sonde LEX  Fin des année 80 : AMROC (AMerican ROcket Compagny), nombreux essais en LOX/HTPB multi-canaux, plus gros moteur conçu : 312KN de poussée

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Historique (2)

  Fin des année 90 : rachat des brevet d’AMROC par SpaceDev pour réalisée le SpaceShipOne en 2004, puis le SpaceShipTwo en ce moment Début des année 2000 : Université de Standford, premiers essais de la paraffine, nombreux essais depuis, les plus actifs sur ce sujet actuellement

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Ressources techniques Planète Sciences

   Base documentaire Suivi FAQ     Étuve -60 ° C / +80 ° C Tour pour usiner Paraffine Matériel de protection   Formation au matériel Formation à la propulsion hybride

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Questions / réponses

Si vous n’avez pas compris c’est le moment !!!

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