Comment augmenter les performances d’un propergol

Comment augmenter les performances d’un propergol composite tout en améliorant la discrétion et en rendant son

utilisation plus pratique ?

Recherche documentaire IFI 1 Etude de brevets

Xavier MOGHRABI Promotion IFI 2003

- Mai 2000 -

Xavier MOGHRABI Recherche documentaire : Étude de brevets IFI 2003 Juin 2000

RESUME :

Les propergols permettent la propulsion des fusées en faisant appel à des réactions d’oxydation utilisant non pas l’oxygène de l’air mais des oxydants, bien plus énergétiques. Les propergols se composent majoritairement d’un oxydant et d’un réducteur. Dans le cas de propergols solides, les deux espèces se trouvent dans la même charge propulsive ce qui permet d’utiliser facilement les propulseurs fonctionnant avec cette énergie. On classe les propergols solides suivant deux catégories, les propergols à double base, dits aussi homogènes, et les composites.

Dans les premiers, oxydants et réducteurs sont intimement mélangés alors que, dans les composites, ils sont séparés et leur jonction est assurée par des liants. Dans leurs compositions, il est fréquent d’ajouter aux composants de base des additifs permettant de faire varier les caractéristiques afin de pouvoir maîtriser la combustion, faciliter la faisabilité, diminuer les fumées… En réalité, la grande différence entre les deux familles de propergols solides est visible sur le plan énergétique : les homogènes, sont largement moins puissants que les composites mais ils sont en moyenne plus discrets bien qu’il existe des sous familles de propergols composites discrètes. Les principaux avantages des homogènes proviennent de leur coût de fabrication moins élevé et c’est pour cette raison qu’ils sont toujours utilisés.

Les brevets déposés sur les propergols composites modifient légèrement les compositions d’un propergol de référence. Les dérivés du furazane du brevet FR2 750 421 améliorent la discrétion du propergol en permettant de fortes performances énergétiques ce qui est intéressant pour les missiles stratégiques à longue portée. Le FR2 746 389 propose un procédé permettant d’obtenir des propergols résistants aux sollicitations mécaniques grâce à des liants caoutchouteux tout en étant facilement productibles. Les propergols issus de cette invention gagnent en fiabilité. Le WO9 921 808 permet de maîtriser la combustion grâce à des effets plateau à hautes pressions, ainsi les fluctuations de pression n’affluent plus sur la vitesse et l’utilisation est plus sûre. Des additifs réfractaires permettent cette amélioration.

Même si tous ces brevets concernent des améliorations chimiques, ils ne permettent pas d’obtenir un gain de caractéristiques révolutionnaire. Les recherches en matière de propergols solides concernent ainsi les propulseurs plus que les matières chimiques, même si actuellement une molécule permettrait d’obtenir des performances énergétiques beaucoup plus élevées.


SOMMAIRE : INTRODUCTION .................................................................................................................... 6 I. Quelques notions théoriques sur la propulsion des fusées par réaction chimique ................................................................................................................................. 7

1) Définition et historique des propergols solides .......................................................... 7 a) l’énergie chimique à la base de la propulsion des fusées .......................................... 7 b) une invention ancestrale............................................................................................. 7

2) Les critères de sélection d'un propergol..................................................................... 8

a) la poussée et l’impulsion spécifique, importantes pour des vitesses de gaz élevées.. 8 b) la vitesse de propulsion, élevée pour des lanceurs dont la proportion massique de propergol est importante .................................................................................................... 9 c) le processus de combustion : les performances d’un propergol dépendent du propulseur .......................................................................................................................... 9 d) la température de combustion, dépendant du propergol utilisé, détermine les matériaux du propulseur .................................................................................................. 10

II. Les différents types de propergols solides et leurs caractéristiques........ 12

1) La composition chimique des propergols double base............................................ 12 a) les matières énergétiques, le cœur du propergol homogène .................................... 12 b) les additifs de faisabilité améliorent la mise en oeuvre ........................................... 13 c) les stabilisants, pour maîtriser la combustion ......................................................... 13 d) les additifs balistiques, la sécurité et la régularité de la combustion ...................... 14 e) les additifs de fonctionnement améliorent la discrétion........................................... 15

2) La composition chimique des propergols composites ............................................. 15

a) le liant assure la jonction entre les charges énergétiques ....................................... 16 b) le plastifiant facilite la mise en œuvre et permet d’obtenir des propergols plus résistants aux contraintes mécaniques ............................................................................. 17 c) les additifs agissent principalement sur les propriétés balistiques.......................... 17 d) les charges oxydantes fournissent l’énergie nécessaire à la combustion ................ 18 e) les charges réductrices, leur combustion permet la propulsion .............................. 19

3) Caractéristiques des propergols solides ................................................................... 20

a) comparaison des performances des propergols industriels : les propergols composites aluminisés de forte puissance ........................................................................ 20 b) comparaison des caractéristiques physiques et mécaniques , une importance pour le succés d’un tir .................................................................................................................. 22 c) la discrétion, un enjeu pour les engins militaires .................................................... 25 d) la géométrie des blocs détermine la cadence de combustion................................... 26


III. Des inventions améliorant les performances et les utilisations des propergols composites ..................................................................................................... 27

1) Le brevet FR2 750 421 : un compromis entre puissance et discrétion .................. 27 a) des propergols puissants mais pas discrets.............................................................. 27 b) des charges énergétiques à base du furazane améliorent discrétion et performances énergétiques ..................................................................................................................... 27 c) expérimentation de l’invention ................................................................................. 28 d) des propergols performants destinés aux engins tactiques ? ................................... 30

2) Le brevet FR2 746 389 : des propergols facilement modulables présentant une résistance mécanique.......................................................................................................... 31

a) des propergols sujet aux déformations plastiques ................................................... 31 b) des propergols à liants élastiques difficiles à fabriquer et à régler......................... 32 c) une résistance mécanique accrue grâce à des liants caoutchouteux ....................... 33

3) Le brevet WO9 921 808 : des propergols puissants à effet plateau ....................... 34

a) une poussée constante, une importance pour les fusées spatiales ........................... 34 b) des charges propulsives performantes à effet plateau à hautes pressions............... 35

IV. L’avenir de la propulsion à propergols solides réside sur les propulseurs plus que sur les propergols ................................................................... 38

1) L’accroissement des caractéristiques énergétiques des propergols , une avancée laborieuse ............................................................................................................................ 38

a) vers l’uniformité des propergols .............................................................................. 38 b) de nouvelles molécules plus énergétiques mais difficiles à mettre en œuvre........... 38 c) un espoir grâce à aux entités azide ou N3 d’améliorer les caractéristiques énergétiques ..................................................................................................................... 39

2) De nouveaux propulseurs pour missiles stratégiques ............................................. 39

a) la maîtrise de la propulsion par le réglage à la sortie des gaz de combustion ....... 40 b) la maîtrise de la propulsion par générateurs de gaz ............................................... 40

3) Les propergols pour missions tactiques ................................................................... 41

a) améliorer la discrétion pour avoir des missiles indétectables ................................. 41 b) augmenter la portée pour avoir un rayon d’action important ................................. 41

4) Lanceurs spatiaux : les chargements solides utilisés pour les boosters ................. 42

a) les propergols liquides mieux placés pour être utilisés dans ces lanceurs .............. 42 b) l’utilisation des propergols solides est importante pour le décollage ou les moteurs à faible volume ................................................................................................................. 42

CONCLUSION....................................................................................................................... 44 Table des illustrations ............................................................................................................ 45 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................. 46


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INTRODUCTION :

Les armes les plus destructrices ont vu le jour durant notre siècle. La plupart d’entre elles sont des missiles propulsés par réaction chimique, c’est-à-dire par propergols. Bien que cette énergie soit utilisée pour des usages militaires, elle permet également la propulsion de fusées spatiales.

Le terme propergol regroupe deux catégories, les propergols liquides et solides. Ces

derniers sont les plus anciens mais sont les plus utilisés pour la propulsion de missiles car ils sont plus facilement stockables que les liquides. Néanmoins pour la propulsion spatiale, les propergols liquides sont largement utilisés à cause de leurs performances énergétiques. Nous traiterons dans notre cas que des propergols solides.

La question que se posent les missiliers ou les fabricants de fusées est quel propergol

choisir pour l’engin qu’il désire réaliser. L’idéal serait d’avoir des propergols très puissants, produisant peu de fumées et capable d’être utilisés facilement. C’est à quoi la diversité de propergols solides essaye de satisfaire. En matière de propergols solides, les plus répandus sont les propergols composites et ainsi les découvertes actuelles les concernent presque exclusivement.

Pour commencer, il est intéressant d’expliquer ce qu’est un propergol et quels sont leurs

critères théoriques de sélection. Ensuite nous verrons les caractéristiques des différents propergols solides. Nous expliquerons les nouvelles inventions concernant les propergols composites devant augmenter les performances énergétiques, diminuer les fumées émises et faciliter son utilisation. Pour finir, nous évoquerons le futur de la propulsion par propergol solide et citerons diverses applications qui, un jour, pourraient peut-être exister.


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I. Quelques notions théoriques sur la propulsion des fusées par

réaction chimique

Pour propulser les fusées, l’énergie utilisée de type chimique est appelée propergol. Le choix du propulseur est très important selon l’application que l’on désire en faire : lancement de fusées spatiales, de missiles…Mais le choix du propergol est aussi déterminant sur les caractéristiques de cette propulsion. Dans le cas des propergols solides que nous étudierons, les propergols sont classés suivant un facteur énergétique important, l’impulsion volumique.

1) Définition et historique des propergols solides

Longtemps classés sous le single « secret défense », les propergols ont été créés depuis fort longtemps afin de permettre la propulsion de fusées principalement dans le domaine militaire. Actuellement les propergols ont toujours cette principale fonction et leur utilisation a été élargie à la propulsion des lanceurs spatiaux.

a) l’énergie chimique à la base de la propulsion des fusées

Contrairement à la propulsion aéronautique, le moteur fusée fait appel à des réactions d'oxydation, n'utilisant plus l'oxygène de l'air, mais des oxydants plus énergétiques stockés à bord de l'engin. Le recours à ce mode de combustion s'imposait pour les missiles à longue portée et pour les lanceurs spatiaux quittant l'atmosphère et devant décrire de longues distances dans les espaces interplanétaires.

Ainsi on appelle propergol toute source d'énergie chimique susceptible en l'absence

d'atmosphère terrestre de servir d'agent de propulsion, par décomposition ou par réaction thermique. Ce terme, d'origine allemande, est formé par le préfixe "prop" issu de propulsion et du mot ergol. En fait un propergol est un mélange d'ergols particulaires avec un liant.

Les propergols sont classés en deux grandes catégories, les propergols liquides et les

propergols solides, dont les modes d'utilisation sont très différents. Nous nous intéresserons tous particulièrement aux propergols solides. Cependant quelle que soit la nature du propergol, le principe général de propulsion, explicité en annexe 1, est le même. b) une invention ancestrale

Bien qu’ils soient à l'origine de la conquête et de l'exploration de l'espace, acquis relativement récent, les propergols solides ont une origine très ancienne. Le premier cité par les historiens semble être la poudre noire. De composition très simple, ce mélange de charbon de bois (12%), de soufre (10%) et de salpêtre ou du nitrate de potassium (78%) était utilisé à une époque très reculée par les Chinois pour le lancement de flèches à grande distance.

Elle fut introduite en Europe à la fin du XIIIème siècle à l'occasion des croisades par

l'intermédiaire du monde arabe. Son mode de fabrication fut répandu en Occident par le moine allemand Berthold SCHWARZ ; ses applications étaient variées, aussi bien civiles que militaires. La poudre noire fut utilisée comme propergol de fusée par la flotte anglaise lors du bombardement du camp de Boulonne en 1806.

Ce ne fut qu'à la fin du XIXème siècle qu'apparurent les poudres dites sans fumées utilisant la nitrocellulose découverte par VIEILLE en 1886. Les mélanges de ces composants furent les


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premiers propergols dits à double base. Ces propergols sont évidemment dépassés, seulement encore utilisés pour les fusées d'artifice et ils présentent des problèmes d'explosion. Depuis les propergols se sont développés durant les guerres pour les besoins de la propulsion de missiles et ensuite pour la propulsion spatiale.

2) Les critères de sélection d'un propergol

La combustion des propergols correspond à la transformation de leur potentiel chimique en énergie cinétique ; celle-ci se transforme alors en énergie mécanique. Leurs performances sont liées à leurs caractéristiques thermochimiques et aux propriétés thermodynamiques de leurs gaz de combustion. Leur sélection dépend non seulement de considérations énergétiques, mais également d'un ensemble de facteurs techniques aussi divers que la manutention et le stockage des carburants utilisés, la taille des réservoirs disponibles, le mode de combustion, l'inertie chimique des matériaux utilisés. Le choix d'un propergol comme agent de propulsion est ainsi complexe, mais il existe des principaux critères de sélection dont nous préciserons l'importance.

a) la poussée et l’impulsion spécifique, importantes pour des vitesses de gaz élevées.

Quelle que soit la nature du propergol utilisé, la transformation de son énergie chimique en énergie mécanique s'effectue toujours selon le même processus. La réaction d'oxydation a lieu à pression constante dans une chambre de combustion. Elle produit des gaz de combustion qui se détendent dans une tuyère en fournissant un effort propulsif, appelé poussée. L'engin ne serait animé d'aucun mouvement si la fusée était hermétiquement close : si les résultantes des forces de pression intérieures et extérieures étaient nulles.

On nomme q le débit massique des gaz de combustion et vs leur vitesse d'éjection, le théorème des quantités de mouvement donne la relation suivante :

)(. papsAsvsqF −+=

Cette équation montre que la poussée est d'autant plus importante que la pression extérieure est plus faible et donc l'altitude plus élevée.

La poussée est maximale lorsque ps = pa, c'est-à-dire lorsque la pression des gaz de

combustion à la sortie est égale à la pression environnante. La tuyère est alors dite adaptée, la vitesse d'éjection des gaz vs est nommée vitesse d'éjection effective, désignée par c. La

relation devient alors : cqF .=

On définit alors l'impulsion spécifique Is correspondant au temps pendant lequel la consommation d'1 kg de propergol exerce une poussée d'1 kg c'est-à-dire de 9,81 N. Elle se définit ainsi par le quotient de la poussée par le débit poids dans les conditions d'expansion optima :

goc

goqF

Is ==.

go étant l'accélération de la pesanteur dans les conditions normales.


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L'impulsion spécifique est ainsi d'autant plus importante que la vitesse d'éjection effective c des gaz est importante, elle sert ainsi d'indice de performance énergétique pour les propergols. Dans le cas de propergols solides, on parle aussi d'impulsion volumique I = ρρρρ.Is ; elle est d'autant plus importante que la masse volumique ρρρρ est grande. b) la vitesse de propulsion, élevée pour des lanceurs dont la proportion massique de

propergol est importante Lorsque la combustion du propergol est achevée la vitesse de la fusée prend comme

valeur : ��

��

�+=

FF M

mcv 1ln. où MF représentent la masse de la fusée après la combustion et m

la masse de propergol consommée. A titre informatif, la démonstration de cette formule est en annexe 2.

Cette relation montre qu'indépendamment de la nature d'oxydation, la vitesse de l'engin

est d'autant plus élevée que la masse du propergol m est plus importante par rapport à celle de l'engin. On a intérêt à utiliser des propergols très denses et dont les réservoirs n'exigent que des parois relativement minces.

Cette vitesse a pu être vraiment améliorée que grâce à l'utilisation de fusée à étages pour lesquelles la relation devient :

� ��

��

�+=

i Mfm

civf 1ln.

ci étant la vitesse d'éjection effective des gaz pour chaque étage. c) le processus de combustion : les performances d’un propergol dépendent

également du propulseur L'étude du mode de combustion des propergols permet de lier leurs performances à

certaines de leurs propriétés. On démontre dans l'annexe 2 une nouvelle expression de la poussée :

( ) SaSO

SOC App

pp

pAF −+�

��

−��

�

��

�

+−=

−−+

γγ

γγ

γγγ

111

2

11

21

2.

avec Ac la section au col de la tuyère,γγγγ le rapport des chaleurs spécifiques, po la pression dans la chambre de combustion. On note Cf le coefficient de poussée, défini comme suit :

γγ

γγ

γγγ

111

2

11

21

2−

−+

�

��

−��

�

��

�

+−=

O

S

pp

Cf

Lorsque la tuyère est adaptée, c'est-à-dire pS = pa :

OpAcCfF ..= La poussée est donc d'autant plus importante que la pression dans la chambre de

combustion soit forte et par conséquent que la température de combustion soit plus élevée.


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Le coefficient de poussée Cf caractérise l'amplification de la poussée résultant de l'expansion des gaz dans la tuyère en prenant pour point de comparaison la poussée des gaz de combustion sur la section de col. Les performances d'un propergol sont donc liées non seulement à ses propriétés physiques et chimiques, mais également à la nature du propulseur utilisé.

En réalité la valeur de la poussée de la précédente relation est une valeur idéale. Les pertes de chaleur à travers les parois de la tuyère et les frottements mécaniques entraînent une diminution de la poussée qui peut être de l'ordre de 10 % par rapport à sa valeur théorique. d) la température de combustion, dépendant du propergol utilisé, détermmine les

matériaux du propulseur Nous venons de voir que les performances d'un propergol (vitesse d'éjection des gaz,

impulsion spécifique, poussée) sont d'autant meilleures que sa température de réaction était élevée. Pour une même masse de gaz de combustion, la température sera d'autant meilleure que le nombre de calories dégagées est plus important.

Jusque vers 2000°C, les seules réactions mises en jeu sont des réactions d'oxydation. La température dépendra donc essentiellement de la chaleur d'oxydation, soit de la différence d'enthalpie entre les produits de la réaction et les constituants de départ.

Au-delà de 2000°C, un nouveau phénomène apparaît : une partie des molécules formées par oxydation se dissocie selon un processus endothermique, en donnant des atomes ou radicaux libres.

De nouveaux équilibres apparaissent :

22

222

22

22

22

22

22

22

HOHOH

OHOH

OCCO

OCOCO

+↔+↔

+↔+↔

A 2500°C, 7 % des molécules d'hydrogène présente et 5 % des molécules d'oxygène sont

elles-mêmes dissociées à l'état atomique.

L'absorption de chaleur est d'autant plus sensible que la température est plus élevée. Au fur et à mesure que celle-ci augmente, une fraction de plus en plus importante de la chaleur d'oxydation n'est plus transformée en énergie cinétique, mais dissocie les molécules formées. Lorsque la température dépasse 3000°C, seules les combinaisons formées par le fluor avec les éléments légers (fluorure d'hydrogène, de lithium ou de béryllium), dont l'énergie de liaison est élevée, conservent une stabilité.

Malgré l'avantage que présente la diminution de la masse moléculaire moyenne des gaz de

combustion, ce phénomène de dissociation limite ainsi l'intérêt de températures de combustion élevées.

Les très hautes températures présentent un autre problème : elles exigent l'emploi, pour la

construction des chambres de combustion et dans une certaine mesure des tuyères, de matériaux réfractaires qui conservent leur cohésion et résistent à la corrosion dans les conditions thermiques auxquelles ils sont soumis. Le niobium, le molybdène, le tungstène, certains carbures des métaux de transition paraissent aptes à résister à l'érosion rapide qui se produit dans les chambres de combustion à haute température ; les solutions solides de


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carbures de titane et de tungstène, avec insertion de métaux tels que le nickel, le cobalt ou le chrome semblent efficaces. Le choix des matériaux de construction dépend également de critères de légèreté.

La nécessité de recourir à des matériaux conservant leur inertie chimique à haute

température limite l'emploi de certains agents d'oxydation, tels le fluor. Des inhibiteurs de corrosion seront parfois indispensables : l'acide nitrique utilisé comme oxydant dans les chambres de combustion en acier 18-8 ou aluminium contiendra de faibles quantités d'acide fluorhydrique.


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II. Les différents types de propergols solides et leurs caractéristiques

Il existe actuellement un choix très large de propergols solides. En simplifiant à

l'extrême, on peut les classer suivant deux grandes variétés selon les composés chimiques les constituant : - les propergols à double base ou propergols homogènes ; - les propergols composites.

Ce dernier type de propergol se révèle très performant et les recherches d’amélioration des propergols solides concernent particulièrement ce groupe. Néanmoins les gaz émis par les propergols composites sont souvent plus important que ceux émis par les homogènes.

1) La composition chimique des propergols double base Ces propergols sont composés pour l'essentiel de deux bases énergétiques, la

nitrocellulose et la nitroglycérine. Ces propergols sont dits aussi homogènes car les éléments oxydants et réducteurs mis en jeux sont associés à la même molécule.

Ces propergols constituent une des plus anciennes familles et leur développement est associé à celui de la technique d'autopropulsion.

Il existe deux sous familles de propergols homogènes répertoriées suivant le procédé de fabrication utilisé : - les SD, sans dissolvant obtenus par extrusion à chaud (une force oblige le propergol à

passer dans une filière) - les Epictète obtenus par une technique de moulage.

Cinq grands groupes de produits composent les propergols à double base : - les constituants de la base énergétique, - les additifs de faisabilité, - les additifs de stabilité, - les additifs balistiques, - les additifs de fonctionnement.

a) les matières énergétiques, le cœur du propergol homogène La base énergétique est composée de nitrocellulose (de 40 à 67% en poids du propergol)

et de nitroglycérine (de 15 à 41 %). La fabrication de ces propergols consiste à associer de manière homogène ces deux produits selon un processus de gélatinisation qui repose sur les mécanismes d’intéraction entre les molécules de nitroglycérine introduites au sein du réseau des macromolécules de nitrocellulose et les atomes de ces polymères.

Une partie de la nitroglycérine, environ 30%, sert à solvater la nitrocellulose. L’excès se trouve plus ou moins mobile dans le réseau. Le début du processus de gélatinisation est souvent marqué par un gonflement. La poursuite de ce phénomène doit être favorisée par une action mécanique, thermique ou chimique (addition d’un solvant volatil).

Les nitrates de cellulose, communément appelés nitrocelluloses, sont des esters nitrites

produits par action de mélange sulfonitrique sur la cellulose. Les acides sufurique et nitrique composent le mélange sulfonitrique.

Le taux d’azote, représentatif du nombre de fonction O–NO2, est une indication du niveau d’énergie du produit. Il correspond au degré de substitution c’est-à-dire au nombre de


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molécules d’alcool estérifiées par cycle anhydroglucose. Les nitrocelluloses ou cotons poudres (CP) sont classés selon une nomenclature liée au taux d’azote. Les propriétés énergétiques sont fonction du taux d’azote, la figure 1 représente les principales caractéristiques de nitrocelluloses. Les plus utilisées pour la fabrication de propergols sont les CP1D, CP2L et CP2U.

Figure 1 : principales caractéristiques des nitrocelluloses

Appellation Taux d’azote en %

Valeur énergétique moyenne en cal/g

CP1 D…………………………... CP1 E…………………………… CP2 L…………………………… CP2 P…………………………… CP2 S…………………………… CP2 T…………………………… CP2 U…………………………...

≥ 13,35 13,00 à 13,35 12,60 à 12,80 12,40 à 12,59 12,20 à 12,39 11,80 à 12,19 11,60 à 11,79

1060 1040 970 940 910 870 830

source : Technologie des propergols solides La nitroglycérine ou trinitrate de glycène se présente sous l’aspect d’une huile incolore.

Elle est obtenue par nitration de la glycérine par un mélange sulfonitrique. Sa valeur énergétique très élevée, 1750 cal/g, a entraîné une généralisation de son emploi. b) les additifs de faisabilité améliorent la mise en oeuvre

Ces additifs sont utilisés pour améliorer la mise en œuvre des matériaux. On utilise des plastifiants inertes pour faciliter le phénomène de gélatinisation qui représentent jusqu’à 10 % de la masse de propergol.

Les plastifiants de type –phtalate et triacétate modifient les propriétés mécaniques du

propergol, désensibilisent la nitroglycérine permettant d’éviter son utilisation à l’état brut. Le graphite est souvent utilisé dans la poudre des propergols Epictète comme agent d’enrobage. A taux faible, 0,1 %, il permet l’écoulement des poudres à mouler pour la fabrication des propergols Epictète. c) les stabilisants, pour maîtriser la combustion

Les esters nitrites des matières énergétiques se décomposent dès la température ambiante. Cette décomposition correspond à la coupure de la liaison O–NO2 et libère des oxydes d’azote qui ont un effet catalytique sur la réaction. Les stabilisants possèdent souvent un noyau aromatique capable de fixer par substitution les oxydes d’azote, la réaction est ainsi bloquée.

La décomposition des esters nitriques présente de graves inconvénients :

- au plan de la sécurité : risque d’inflammation à cause de l’exothermicité de la réaction; - au plan de la qualité : risque de fissuration lorsque la cinétique de génération gazeuse est

plus rapide que la diffusion des gaz ; - au plan des performances : la décomposition étant exothermique, l’énergie du propergol,

donc l’énergie disponible à l’utilisation décroît plus rapidement.

Les stabilisants les plus utilisés sont : - la diéthyl-diphénylurée ou centralite qui constitue aussi un plastifiant de la nitrocellulose.

Elle ne doit pas être utilisée avec des chargements à grande épaisseur à brûler car elle émet des gaz carboniques provoquant des fissures car ils se diffusent mal dans la masse ;


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- la 2-nitrodiphénylalamnie qui agit sur les propriétés balistiques telles que la vitesse de combustion ou le coefficient de température. C’est un stabilisant de poudre à simple base qui ne peut être utilisé en présence de nitroglycérine ;

- la N-méthyl-para-nitro-amiline dont l’aptitude à fixer les oxydes d’azote est très élevée, son action est efficace mais sa disparition est plus rapide. Elle est employée pour de fortes sollicitations thermiques ou des chargements de masses importantes et est associée à un stabilisant assurant un effet longue durée complémentaire.

d) les additifs balistiques, la sécurité et la régularité de la combustion

La vitesse de combustion des propergols à double base énergétique varie fortement avec la pression. Lors du fonctionnement dans un propulseur, de faibles fluctuations de serrage se traduisent par des variations notables de pression que les variations de température peuvent encore accentuer. De ce fait, une augmentation accidentelle de la surface de combustion peut provoquer une surpression pouvant aller jusqu’à l’explosion.

L’utilisation de d’additifs balistiques essayent de remédier à ces problèmes. Certains permettent d’obtenir dans un domaine de pression donné une vitesse de combustion indépendante de la pression, le phénomène est appelé effet plateau, voire une vitesse de combustion diminuant avec la pression, effet mésa. Ces additifs sont ainsi appelés catalyseur ou accélérateur de combustion. Sur la figure 2, on peut voir que ces additifs ont tendance à rendre la vitesse de combustion indépendante de la pression.

Figure 2 : diagramme vitesse - pression d’une composition double base

source : Technologie des propergols solides

L’effet plateau présente l’intérêt que les variations aléatoires de serrage entraînent des

variations quasi-nulles de la vitesse et faibles de la pression. Ceci procure un gain en matière de régularité et de sécurité. Ces additifs permettent de réduire les variations de vitesse liées à celles des températures d’utilisation. Les compositions présentent des coefficients de température réduits, elles sont dites compositions tout temps.

A l’origine, l’effet de catalyse balistique a été obtenu par des composés métalliques, notamment des sels ou d’oxydes de plomb. Les plus couramment utilisés sont le stéarate dibasique et neutre, le salicylate, l’octoate, le résorcylate, l’oxyde basique et l’oxyde salin. Ces composés influent sur le niveau énergétique, le niveau de vitesse de combustion, le


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domaine de pression de fonctionnement et la technique de mise en œuvre. Ainsi leur emploi dépend-il des performances désirées. Des composés à base de cuivre peuvent être ajoutés pour renforcer l’effet des autres catalyseurs. Le noir d’acétylène est très employé car il est efficace avec d’autres catalyseurs tels que les sels de plomb ou de cuivre. e) les additifs de fonctionnement améliorent la discrétion

Ce sont des additifs supplémentaires permettant d’obtenir certaines caractéristiques particulières liées à l’utilisation du propulseur ou de son architecture. Quelle que soit la configuration de la chambre de combustion, le régime de combustion doit être stable. Ceci peut nécessiter la présence de particules solides destinées à réduire les instabilités. Les nécessité de guidage ou même de discrétion exige l’absence de réinflammation du jet gazeux et des additifs anti-lueurs permettent de satisfaire de telles exigences.

Les principaux agents d’anti-instabilités sont l’oxyde de zirconium, le silicate de zirconium et le carbure de silicium. D’autres produits peuvent être utilisés comme le tungstène ou le carbure de bore.

Les additifs anti-lueurs sont à base de potassium et sont sélectionnés selon :

- leur efficacité dans la suppression de la lueur, - leur compatibilité avec le propergol, - leur moindre influence sur les propriétés du propergol.

2) La composition chimique des propergols composites Contrairement aux propergols homogènes, les espèces oxydantes et réductrices des

propergols composites ne sont pas présentes à l’intérieur de la même molécule mais sont juxtaposées dans un édifice composite. Un certain nombre de propriétés de combustion, de rhéologie, de capacité mécanique sont directement liées à ce caractère composite.

La poudre noire, dont les usages sont limités, fut le premier propergol composite utilisé. Cependant ce type de propergol a connu un fort développement qu’à partir de la moitié du XXème grâce à l’apparition de liants performants et non d’oxydants nouveaux. En effet, si le perchlorate d’ammonium n’a pas été utilisé dès le début (on a utilisé le perchlorate de potassium et le nitrate d’ammonium), il est devenu rapidement l’oxydant principal de la quasi-totalité des propergols composites.

Ces propergols se déclinent suivant six sous familles selon les composants :

- Nitramite E : liant nitrocellulose/nitroglycérine chargé par l’hexogène ou l’octogène, la lettre E rappelle que ce propergol est obtenu par des procédés voisins à ceux des propergols Epictète ;

- Isolite : liant polyuréthane chargé en perchlorate d’ammonium ; - Isolane : Isolite contenant en plus de l’aluminium ; - Butanale : liant polybutadiène chargé en perchlorate d’ammonium et en aluminium ; - Nitramite G : liant élastométrique plastifié par un ou plusieurs esters nitriques liquides et

chargés en héxogène ou octogène, contenant un peu de perchlorate d’ammonium, la lettre G signifie que ce propergol est obtenu par un procédé dit global ;

- Nitralane : Nitramite G contenant en plus de l’aluminium.


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a) Le liant assure la jonction entre les charges énergétiques Comme tous les propergols, un propergol composite doit comporter un couple

oxydant/réducteur dont la réaction doit être capable de dégager une énergie suffisante pour assurer l’autocombustion du bloc. L’oxydant et le réducteur sont sous forme pulvérulente, ce qui suppose pour assurer la cohésion de l’ensemble, la présence d’un liant. Celui-ci est formé d’un prépolymère (70 à 80 % du liant) et d’un système réticulant, assurant la liaison entre les molécules du prépolymère.

Le prépolymère confère au liant l’essentiel de ses propriétés. Un prépolymère est une molécule difonctionnelle formée de la répétition d’un motif monomère tels que le butadiène ou l’oxyde propylène se terminant par les fonctions réactives en bout de chaîne.

Figure 3 : propriétés des prépolymères utilisés dans les propergols composites

Polymère Chaîne Densité g.cm-3

∆∆∆∆Hfo Kcal/Kg

Tv (*) °C

Mp (*) Taux d’oxygène

% en masse

Polyisobutylène

0,91 -375 -65 > 100 000 (thermoplastique)

0

Polybutadiène (20% de 1-2)

0,92 + 5 - 8 1 500 / 5 000 5

Polyéther

1,05 - 895 - 60

- 70

1 500 / 3 000 26

Polyester

1,19 - 1070 - 50 1 000 / 2 000 35

Polysiloxane

0,87 - 1890 - 120 30 000 21

(*) Tv : température de transition vitreuse mesurée par une analyse enthalpique différentielle. (*) Mp : Masse moléculaire moyenne en poids.


La figure 3 montre les propriétés des prépolymères les plus utilisés. Le propergol est d’autant plus énergétique que l’enthalpie de formation du prépolymère est élevée. Plus le taux d’oxygène (rapport des valences oxydantes sur celles réductrices) est élevé, moins il est nécessaire d’utiliser des taux d’oxydants élevés pour atteindre d’importantes impulsions spécifiques. Néanmoins un taux trop élevé d’oxygène abaisse l’enthalpie de formation. La température de transition vitreuse Tv correspond à la température de transition de la vitesse. Lorsque la température s’abaisse et traverse une zone dite de transition vitreuse qui s’étend sur une dizaine de degrés, les propriétés physiques du polymère sont très modifiées. Son module d’élasticité croît largement et la capacité d’allongement devient très faible. La masse molaire moyenne joue un rôle important sur la masse moléculaire moyenne Mp entre ponts dans le liant et donc sur ces propriétés mécaniques. Elle influe sur la viscosité de la pâte du propergol et ainsi sur la réalisation de ce dernier.

Le réticulant a pour fonction de lier les molécules de prépolymères entre elles. Il a ainsi un effet primordial sur la cinétique de réticulation et les propriétés mécaniques du propergol. Il


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est formé d’une molécule polyfonctionnelle, au moins tri, de faible masse molaire et d’un mélange de petites molécules difonctionnelles.

Figure 4 : évolution de la résistance à la traction à 20°C et des allongements en fonction

de la stœchiométrie pour une Butalane


La figure 4 montre l’importance de la stœchiométrie et du taux de réticulant sur les

propriétés mécaniques d’une Butalane. A partir d’un certain taux de réticulation, le propergol est suffisamment réticulé. Au-delà de cette limite, les allongements (Sm) et les contraintes maximales (em) croissent. La réactivité des fonctions du réticulant est choisie en fonction des fonctions du prépolymère. b) le plastifiant facilite la mise en œuvre et permet d’obtenir des propergols plus

résistants aux contraintes mécaniques Il joue le rôle d’appoint pour réduire la viscosité de la pâte afin de facilité la mise en

œuvre et agir sur les propriétés mécaniques en abaissant la température vitreuse et le module du liant. C’est souvent une huile non-réactive vis-à-vis du polymère et un diluant dont le rôle est d’écarter les chaînes de polymères et ainsi de réduire leurs interactions.

Le plastifiant diminue la température vitreuse et ainsi favorise l’utilisation du propergol à basse température en étendant vers le bas son domaine élastique. Il présente l’inconvénient de pouvoir migrer aux interfaces du propergol et modifier ainsi ses propriétés. c) les additifs agissent principalement sur les propriétés balistiques

Leur fonction est de pouvoir modifier à volonté les caractéristiques du propergol sauf l’impulsion spécifique qui a tendance à diminuer. Les principaux servent à ajuster la vitesse de combustion.

Les accélérateurs de combustion accélère la décomposition du perchlorate d’ammonium

ou abaisse sa température de décomposition. Ces produits sont le plus souvent des dérivés métalliques du cuivre, du fer, du chrome ou du bore. Leur efficacité dépend de la nature de la charge oxydante. En effet, s’il existe de nombreux catalyseurs pour les propergols au perchlorate d’ammonium et au nitrate d’ammonium, ils sont plus rares pour les propergols au perchlorate de potassium ou utilisant des charges organiques tels que l’octogène (abrégé par HMX) ou l’héxogène (RDX).


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Les ralentisseurs se répartissent selon deux types suivant leur mode d’action :

- additifs modifiant la cinétique de décomposition du perchlorate d’ammonium : Ce sont des sels alcalins ou alcalino-ferreux ajoutés à très faible taux (1 à 2 %). Ils ne permettent pas d’atteindre de très basses vitesses et sont inefficaces sur les propergols aluminisés.

- refroidissants ou oxydants froids :

Ils agissent en diminuant la température de combustion et donc le pouvoir énergétique du propergol. Pour cela, ils abaissent l’enthalpie de formation tout en maintenant le taux d’oxygène et enrichissent les gaz de combustion en azote qui ne participe pas à la combustion.

Figure 5 : quelques caractéristiques des principaux refroidissants

Refroidissant O % N % Densité G/cm3

∆Hfo Kcal/Kg

Hexogène (RDX)………... 30,7 54 1,76 - 217 Nitrate d’ammonium…….. 60 35 1,72 - 1098 Oxamide…………………. 36 31,8 1,67 - 1355

source : Technologie des propergols solides D’après la figure 5, le plus pénalisant pour l’impulsion spécifique est l’oxamide mais c’est

aussi le plus efficace. Ces produits permettent de diviser par deux la vitesse des propergols au perchlorate d’ammonium même aluminisés avec une perte d’impulsion spécifique limitée à 10 secondes. d) les charges oxydantes fournissent l’énergie nécessaire à la combustion

L’oxydant est le principal constituant du propergol en masse : de 60 à 80 %. Un bon oxydant doit être capable de fournir de l’oxygène afin de brûler le liant et le réducteur d’appoint avec le maximum de chaleur dégagée. Il doit aussi avoir une enthalpie de formation aussi élevée que possible.

Figure 6 : caractéristiques des principaux oxydants

Oxydant Oxygène libre % en masse

Densité Température de décomposition °C

∆∆∆∆Hfo Kcal/Kg

Observations

Perchlorate d’ammonium NH4ClO4

34

1,95

> 270

- 601 Existe en granulométries variées

Perchlorate de potassium KClO4

46,2

2,53

> 500

- 748 Présence de KCl dans les gaz de combustion

Nitrate d’ammonium NH4NO3

20

1,72

Très stable

- 1098 Nombreuses variétés allotropiques

Octogène (HMX) (CH2N2O2)4

0

1,91

> 200

+ 68

Hexogène (RDX) N4H3CO2

-15

1,76

Très stable

- 217

Ce ne sont pas à proprement parler

des oxydants


Les oxydants utilisés dans les propergols composites sont peu nombreux : - Perchlorate d’ammonium : Il est dense, stable thermiquement, sa décomposition ne

fournit que des gaz et il contient une forte proportion d’oxygène. Ses qualités font qu’il est le plus largement utilisé, à titre d’exemple il existe à la Société Nationale des Poudres et Explosifs (SNPE) six granulométries industrielles.


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- Perchlorate de potassium : Il est très dense et très riche en oxygène. Il a l’inconvénient de conférer au propergol des caractéristiques énergétiques limitées et de conduire à des exposants de pression élevés.

- Nitrate d’ammonium : C’est un oxydant d’enthalpie de formation très faible, avec peu d’oxygène. Il conduit à des impulsions spécifiques plus faibles que celles obtenues avec le perchlorate d’ammonium. Son utilisation se limite aux propergols pour générateurs de gaz, où faibles températures (inférieures à 2000 K)et faibles vitesses (1 à 2 mm/s)sont recherchées.

- Octogène (HMX) : Ce produit n’est pas un oxydant, mais il est le seul du tableau à avoir une enthalpie de formation positive. Il est ainsi utilisé comme charge d’appoint dans les propergols déjà fortement oxygénés.

- Hexogène (RDX) : Ce n’est pas non plus un oxydant. Son enthalpie élevée lui confère comme l’octogène, mais à degré moindre à cause de sa plus faible densité et de son déficit en oxygène, une utilité de charge d’appoint. Il peut être utilisé notamment comme ralentisseur de la vitesse de combustion des propergols au perchlorate d’ammonium.

Il est essentiel de préciser que les générateurs de gaz sont des propergols devant produire

des gaz. Ces systèmes ont diverses applications mais ne sont pas utilisés pour la propulsion. Par exemple, les générateurs de gaz sont utilisés pour un fameux système de sécurité automobile : les « airbag ». Le gonflage des coussins est permis, lors d’un choc par les gaz émis par un propergol solide à basse température. e) les charges réductrices, leur combustion permet la propulsion

Le réducteur n’excède pas en général 25 % de la masse de propergol. Ils peuvent être classés à partir des énergies disponibles à la formation des fluors et des oxydes comme le montre le diagramme de la figure 7.

Figure 7 : énergie disponible à la formation des principaux produits de réaction



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Ce diagramme met en évidence : - le faible écart entre fluorures et oxydes, au-dessus des chlorures, - l’ordre suivant d’intérêt énergétique des réducteurs : Be > Li > Mg, Al > H et C.

Néanmoins : - le béryllium Be est difficilement utilisable à cause de la toxicité de ses produits de

combustion ; - le lithium Li est trop peu dense ; - avec le bore, l’oxyde B2O3 n’est pas obtenu. Ce sont des sous-oxydes qui se forment dans

les conditions thermodynamiques de la chambre. Il permet ainsi son intérêt d’énergie sauf dans les ambiances très riches en oxygène.

Le magnésium est un combustible intéressant, mais il est moins dense (1,7) que

l’aluminium (2,7) qui est le réducteur quasi universel. Les carbones et hydrogènes sont présents car ce sont les constituants essentiels du liant qui participe d’une manière essentielle à l’exothermicité de la combustion. Leur principal avantage par rapport à l’aluminium est de donner des produits de combustion gazeux, produisant moins de fumées visibles.

3) Caractéristiques des propergols solides Les propergols composites offrent des performances énergétiques meilleures que celles

des propergols à double base. Les double base présentent une meilleure discrétion même s’il existe des composites produisant peu de fumées visibles.

a) comparaison des performances des propergols industriels : les propergols

composites aluminisés de forte puissance Les performances énergétiques dont propergols correspondent à son impulsion spécifique

moyenne et à sa densité. Ainsi on considère comme indice énergétique le produit ρ.Is correspondant à l’impulsion spécifique volumique. On distingue sur le diagramme de la figure 8 des différences notables entre les propergols.


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Figure 8 : performances des différents propergols


Les propergols homogènes, c’est-à-dire les SD et les Epictète sur le diagramme, présentent des performances énergétiques faibles mais ils sont peu discrets, ce que l’on verra plus loin, dans le domaine visible. Il existe néanmoins des propergols composites ayant les mêmes qualités de discrétion mais possédant des performances énergétiques meilleures, ce sont les Nitramites (avec peu de perchlorate d’ammonium et sans aluminium).

La famille des propergols composites est plus grande et leurs domaines de performance et

de discrétion sont plus vastes que ceux des homogènes. Les plus performants sont ceux aluminisés, 15 % de plus en moyenne, mais ils ne sont pas discrets. Le choix d’un propergol est souvent un compromis : des Nitramites contenant du perchlorate d’ammonium pourront égaler les Isolanes en étant plus discrets. Un gain de 15 % de performances peut paraître faible mais la comparaison sur la portée montrerait une différence de 40 %.

Les propergols composites aluminisés ou les Nitralanes sont souhaitables chaque fois que

la performance propulsive est recherchée comme pour les engins balistiques à portée importante, les boosters de lanceurs spatiaux et les moteurs d’apogée (pour la mise en orbite de satellite). Pour les engins tactiques on réalise un compromis entre discrétion et performance pour des raisons mentionnées par la suite.

Il est important d’adapter un propergol aux durées de combustion requises pour un projet et ainsi il est souhaitable de disposer de la gamme la plus large possible de vitesses de combustion. Le diagramme de la figure 9 illustre les vitesses de combustion des différents propergols solides.


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Figure 9 : performances et vitesses de combustion des propergols


Les applications nécessitant des vitesses de combustion élevées utilisent des propergols

composites et de plus la gamme de durées de combustion est large, de quelques secondes à plusieurs dizaines de secondes. Pour des durées de combustion très réduites, de quelques dizaines de secondes, les propergols SD sont les mieux adaptés surtout si la discrétion est recherchée.

Pour des durées de combustion très longue, il existe des solutions dans toutes les familles,

toutefois ceci s’accompagne d’une chute des caractéristiques énergétiques. Le domaine des vitesses moyennes est couvert par tous les types de propergols. Concernant les propergols homogènes, les SD permettent des vitesses supérieures que les Epitècte à énergie égale.

Les propergols homogènes présentent tout de même l’avantage grâce à leur coefficient de

température réduit de compenser des valeurs d’impulsion spécifique volumique faibles à faibles températures. Pour une même vitesse de combustion à 20 °C, le propergol ayant le plus fort coefficient de température conduira à une pression maximum à chaud plus élevée du chargement et obligera à dimensionner le propulseur avec une structure plus épaisse et plus lourde. b) comparaison des caractéristiques physiques et mécaniques , une importance pour

le succés d’un tir. Ces caractéristiques conditionnent souvent la possibilité de réalisation d’une architecture

donnée, ce qui a des conséquences sur les performances et les coûts. Les causes principales qui provoquent des défaillances du fonctionnement du moteur à

propergol solide sont liées à la tenue mécanique. En effet, durant leur vie opérationnelle, les chargements sont soumis à des sollicitations qui, dans certains cas, provoquent des ruptures de propergol. Il est important de s’attacher aux qualités mécaniques des propergols et à leur comportement lors de tests de traction.

Le matériau se comporte de trois façons distinctes suivant le temps de sollicitation :

- une zone vitreuse aux temps courts traduit un comportement élastique linéaire et fragile,


23

- une zone de transition aux temps intermédiaires met en évidence le caractère viscoélastique du matériau,

- une zone caoutchoutique située aux temps longs est caractérisée par un comportement hyper-élastique, avec de grandes déformations, du propergol.

Toutes les familles de propergols possèdent ces trois zones. La zone de transition

correspond à la zone où les mécanismes visqueux du propergol sont activés. Le tableau de la figure 10 explicite la largeur de la zone des différentes familles de propergol.

Figure 10 : largeur de la zone vitreuse des propergols composites

Propergol SD Epictète Isolane Butalane PBCT

Butalane PBHT

Nitralane

t1 à t2 (mn) 10-4 à 105 10-6 à 100 10-12 à 100 10-8 à 100 10-9 à 102 10-14 à 10-2 Largeur (décade mn) 8 5 11 7 10 11

source : Technologie des propergols solides La zone de comportement vitreux des propergols composites (les 4 derniers du tableau),

contrairement aux homogènes, est atteinte pour des temps de sollicitation inférieurs à la durée de mise en pression à basse température. Ces propergols ne sont donc jamais sollicités à l’état vitreux.

Tous les propergols ont un comportement stable (grande déformation à la rupture,

cinétique de relaxation constante) pour des temps réduits supérieurs à 105 minutes correspondant au stockage de longue durée.

Les propriétés mécaniques d’un propergol peuvent s’étudier par sa tenue mécanique lors du stockage de longue durée, lors des cycles thermiques et lors des tirs.

Pour le stockage de longue durée et les cycles thermiques, les déformations du chargement, induites par la variation de volume, sont constantes au cours du temps pour une variation de température donnée. Cette sollicitation se rapproche d’un essai de relaxation, déformation constante, et le paramètre à étudier est la tenue en relaxation.

Pour le tir, les déformations du chargement sont induites par celles de la structure lors de

la mise sous pression d’allumage. Ce phénomène est comparable à un effet de traction à la température et à la vitesse du tir. Dans l’hypothèse d’un comportement élastique linéaire, le paramètre de tenue sera la déformation élastique notée ε .

Figure 11 : capacité mécanique des propergols au tir et aux sollicitations d’origine

thermique Propergol SD Epictète Isolane Butalane

PBCT Butalane

PBHT Nitralane

Tir à froid………… ε (%) 4,3 2,8 2,4 5,6 6 8,1 Tir à l’ambiante….. ε (%) 4,3 10,5 16,5 12,5 13 13,5 Cycle froid……….. ε (%) 18,5 42 40 35 38 80 Stockage long……. ε (%) 24 60 20 35 42 60

source : Technologie des propergols solides Le tableau de la figure 11 donne la déformation élastique pour quatre zones :

- tir d’un chargement tactique à froid : température θ =-30°C, durée de la montée en pression t=30ms ;


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- tir d’un chargement d’engin balistique ou spatial à l’ambiante : température θ =20°C, durée de la montée en pression t=200ms ;

- cycles thermiques d’un chargement tactique : température minimale θ =-30°C, durée de stockage t=200 heures ;

- stockage longue durée d’un chargement d’engin balistique ou spatial : température de stockage θ =20°C, durée de stockage t=10 ans .

Pour le tir à froid, les propergols les plus adaptés sont les Butalanes et la Nitralane. Les

propergols de type SD, Epictète ainsi que l’Isolane ont des capacités de déformation insuffisantes pour accepter les déformations de la structure.

Pour le tir à température ambiante, les propergols Butanales, Nitralane, Isolane et

Epictète ont tous des capacités supérieures à celle des SD. Ils auront une meilleure tenue mécanique lors de ce cas de charge.

Pour le cycle thermique froid, les propergols Epictète, Isolane, Butalanes et Nitralane

possèdent des déformations maximales supérieures à 35% et ainsi ont une tenue mécanique aux cycles thermiques.

Pour le stockage de longue durée, la meilleure tenue mécanique est obtenue avec les

propergols Butanales, Epictète et Nitralane.


25

c) la discrétion, un enjeu pour les engins militaires L’immense panache de fumée blanche formé lors du lancement de l’engin marque la

signature visible du propergol. Ces fumées sont caractéristiques des propergols métallisés et dans le cas des composites au perchlorate d’ammonium non aluminisés de la recondensation de l’acide chlorhydrique. La figure 12 présente les domaines de fumées et illustre leur intensité pour divers propergols.

Figure 12 : apparition des signatures visibles de missiles dans un climat européen

PA = perchlorate d’ammonium AL = aluminium source :Technologie des propergols solides

Ces fumées sont proscrites pour l’utilisation d’engins pour lesquels le suivi de la cible est

assuré optiquement dans le domaine visible car elles masqueront la cible. Ainsi les premières générations de missile sol-air utilisaient des propergols homogènes, très discrets. Ces fumées sont aussi un handicap pour les structures fixes ou de faible mobilité car elles deviennent aisément repérables par la traînée des fumées de missiles. Ces fumées facilitent aussi le repérage du missile par des systèmes optique repérant dans le domaine visible ce qui le rend plus vulnérable.

Pour la propulsion spatiale, l’intérêt de la discrétion du propergol serait plus par souci de

pollution et de sécurité du personnel pour les engins habités. Les fumées dégagées sont ainsi classées suivant leur qualité :

- les fumées primaires : elles ne comprennent pas de particules liquides ou solides ; - les fumées secondaires : elles ne comprennent pas de gaz halogénés comme le chlore ou le

fluor ; - les fumées indiscrètes : elles rejettent les deux composants énumérés.


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d) la géométrie des blocs détermine la cadence de combustion La géométrie du chargement de propergol influe sur les performances du propulseur. La

charge propulsive prend la forme de bloc longitudinal appelé aussi pain. Ce bloc occupe la plus grande partie d'une chambre de combustion dont l'extrémité libre communique directement avec la tuyère. Le bloc réactionnel peut brûler soit axialement, cas le plus fréquent, soit par l'extrémité proche de la tuyère.

C'est la configuration géométrique des pains utilisés, qui détermine directement la loi de

variation de la poussée en fonction du temps. La poussée étant proportionnelle à la vitesse d'éjection effective des gaz de combustion, sera d'autant plus élevée que la surface réactionnelle est plus importante, et la durée de combustion sera d'autant plus courte. Si par contre on voudra disposer pendant un temps relativement long d'une poussée de faible importance, les blocs utilisés devront offrir des surfaces de combustion plus limitées. La poussée est proportionnelle à la surface de combustion.

La configuration de la charge propulsive dépendra non seulement de la loi de poussée désirée, mais aussi de la nature du propergol utilisé, de l'aisance avec laquelle se fabriquent les pains et même des besoins de sécurité. Le choix correspond à un compromis entre ces diverses exigences. Les formes adoptées sont nombreuses et variées comme le montre le tableau ci dessous.

On distingue néanmoins trois groupes de configuration : - pains brûlant simultanément de l'extérieur et de l'intérieur, - pains à combustion externe, - pains à combustion interne.

Figure 13 : quelques formes des pains de propergols

Pains de combustion brûlant simultanément pain cruciforme à combustion externe

de l’extérieur et de l’intérieur source : Les propergols

L’utilisation désirée détermine le propergol à utiliser. Les propergols solides permettent des possibilités très variées en matière de propulsion. Ils peuvent être utilisés aussi bien pour les différents engins militaires ayant des caractéristiques différentes que pour les boosters de fusées spatiales. Leur cadence de production peut en plus être modulée par la forme du pain du propergol.

L’annexe 3 rappelle les principales caractéristiques des propergols solides. L’annexe 4

quant à elle montre les propergols utilisés suivant les différents propulseurs existant, principalement des missiles.


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III. Des inventions améliorant les performances et les utilisations des propergols composites

Même si les composants principaux des propergols solides sont souvent les mêmes, les

recherches sur ce domaine concernent les performances énergétiques et les caractéristiques de ces propergols. Les modifications sont souvent mineures par rapport aux propergols de référence, elles concernent la charge énergétique, le liant ou encore les additifs.

1) Le brevet FR2 750 421 : un compromis entre puissance et discrétion Le présent brevet en annexe n°5 améliore la discrétion des propergols composites tout en

essayant de les rendre puissant. L’idée est de remplacer une partie de la charge énergétique usuellement le perchlorate d’ammonium ou octogène (HMX) par des produits dérivés du furazane.

a) des propergols puissants mais pas discrets

Le but de l’invention est de proposer des propergols à la fois discrets et énergétiques, c’est-à-dire à forte impulsion spécifique et volumique. En réalité, les fumées indiscrètes évoquées au chapitre précédent sont produites par des constituants dont la décomposition donne des produits halogénés (correspondant à la dernière colonne de la classification périodique des éléments : le chlore, le fluor…) ou des produits liquides ou solides donnant une signature visible ou infrarouge importante. Le perchlorate d’ammonium et l’aluminium, très utilisés dans la composition des propergols composites, font partie de ces types de constituants. La combustion du perchlorate d’ammonium produit du gaz chlorhydrique et celle de l’aluminium de l’alumine sous forme liquide ou solide suivant la température de combustion.

Il existe déjà avant l’invention des propergols dits « propres » qui utilisent pour charge

oxydante ou énergétique essentielle du nitrate d’ammonium mais dans ce cas l’impulsion spécifique reste faible. De plus d’autres problèmes sont liés à l’utilisation du nitrate d’ammonium.

Un autre type de charge énergétique, des Nitramines telles que l’octogène (HMX) ou l’héxogène (RDX) donnent une impulsion spécifique plus élevée mais pour arriver à des impulsions importantes il faut tout de même ajouter de l’aluminium.

Ainsi des propergols à forte impulsion spécifique et discrets ne sont pas usuels.

b) des charges énergétiques à base du furazane améliorent discrétion et performances énergétiques L’invention du brevet propose de substituer une partie de la charge énergétique habituelle

des propergols composites par des produits choisis essentiellement dans le groupe des bifurazanes dinitrés. Ce groupe est constitué par : le 3,3-azoxybis [4 nitrofurazane] de formule C4N8O7, le 3,3-azobis [4 nitrofurazane] : C4N8O6 et le 3,3-bis [4 nitrofurazane] : C4N6O6. La combustion de ces produits ne produit ni dérivés halogénés, ni produits liquides ou solides.

Les propergols de l’invention comporte, comme tout propergol composite, un liant, au

moins une charge énergétique dont une à base du furazane et des additifs. La charge essentielle du propergol est choisie parmi le groupe du furazane. Elle peut

comporter pour diverses raisons d’autres charges telles que les Nitramines (HMX et RDX).


28

L’ensemble des propergols de l’invention n’appartient pas qu’à une seule famille de propergol composite. Comme on peut rajouter du HMX ou de l’aluminium, ils font partie des familles des Nitrmites ou Nitralanes.

Les liants du propergol peuvent être de deux types, soit de type énergétique, soit de type

inerte. Les liants énergétiques compatibles avec cette invention sont obtenus avec des polymères d’oxetanes ou d’oxiranes substitués, des polymères nitraminés ou nitratés, des polyéthers, des polyesters. Ces polymères peuvent être plastifiés par des plastifiants inertes ou eux-mêmes énergétiques tels que notamment les huiles nitrées. Pour ce type de liant la charge énergétique en bifurazane dinitré doit représenter au moins 55 % du poids du propergol. Dans une réalisation particulière, le liant de type énergétique est à base de polymère avec des chaînes pendantes à terminaisons azotures tel que le polyazoture de glycidile (PAG), le polybisazidométhyl oxetane (BAMO), le premier étant le plus répandu.

Les liants inertes de l’invention sont ceux obtenus à partir de polybutadiène carboxytéléchélique (PBCT) ou hydroxytéléchélique (PBHT). Pour ce type de liant la charge énergétique en bifurazane dinitré doit représenter 70 % du poids du propergol.

Pour accroître l’impulsion spécifique et supprimer d’éventuelles instabilités de

combustion, il est utile d’ajouter une charge métallique pulvérulente, telle que l’aluminium. Toutefois la présente invention limitera la charge métallique à 10 % du poids du propergol afin de ne pas trop dégrader la discrétion recherchée du propergol.

c) expérimentation de l’invention

Pour divers propergols de l’invention, les expérimentations suivantes donnent les performances : les impulsions spécifique et volumique. L’impulsion spécifique est déterminée dans les conditions standards : détente en équilibre et rapport de détente 70/1, elle est désignée par Is et exprimée en secondes. L’impulsion volumique correspond à un indice énergétique des propergols solides, est désignée par ρ.Is et exprimée en s.g.cm-3. Ainsi un propergol est d’autant plus puissant que son impulsion volumique est élevée.

Afin de simplifier les écritures, le terme [4 nitrofurazane] sera représenté par [A]. Expérience 1 : Le liant du propergol est de type énergétique :

- à base de PAG, 24% en poids du liant ; - réticulé par 6 % de trimère d’hexaméthylène diisocyanate ; - fortement plastifié, 66 % ; - divers additifs : antioxydants, …

La charge énergétique est du 3,3 azoxybis[A] et du HMX pour le propergol de référence.

Figure 14 : résultats de l’expérimentation 1 du propergol FR2 750 421 Liant

Charge énergétique Is

(s) ρρρρIs

(s.g.cm-3) 15 % PAG 45 % PAG 30 % PAG 15 % PAG 10 % PAG

85 % HMX 65 % HMX 70 % HMX 85 % HMX 90 % HMX

261

265 275 280 280

475

440 475 510 515

Source : brevet FR2 750 421


29

Les résultats de la figure 14 montrent que le taux de charge énergétique peut être inférieur de 15 % de celui du propergol de référence tout en ayant une impulsion spécifique et volumique au moins égale.

A taux de charge égale, on a un gain de 7 % sur les impulsions. Plus on augmente ce taux plus les impulsions, surtout volumique, ont tendance à croître.

Expérience 2 : Le liant est encore de type énergétique, appelé G dans le tableau :

- à base d’un polyester : le polyadipate de diéthylène glycol, 24 % en poids du liant ; - réticulé par 5 % de trimère d’hexaméthylène diisocyanate ; - plastifié à 71 % ;

Les charge énergétiques est les différents dérivés du furazane pour le propergol à tester et

du HMX pour celui de référence. Les 5 % d’additifs sont constitués par : 1 % aluminium (anti-instabilité), 3 % de citrate de

plomb, 1 % de noir d’actétylène (modificateurs de combustion)

Figure 15 : résultats de l’expérimentation 2 du propergol FR2 750 421

Liant Charge énergétique Additifs Is (s)

ρρρρIs (s.g.cm-3)

30 % G 30 % G 30 % G 30 % G 30 % G

65 % HMX 70 % 3,3 –azoxybis [A] 65 % 3,3 –azoxybis [A] 65 % 3,3 –azobis [A] 65 % 3,3 –bis [A]

5 %

0 % 5 % 5 % 5 %

249

275 268 264 268

441

475 476 441 476


Les résultats de la figure 15 montrent que les impulsions obtenues pour les propergols de l’invention sont largement supérieures à celles du propergol de référence, jusqu’à 8 % avec les plus performants. On constate toutefois des disparités de puissance au sein du groupe des nitrofurazane. Le 3,3 azobis [A] présente des impulsions beaucoup plus faibles que le 3,3 azoxy bis [A] ou le 3,3 bis [A]. Ceci s’explique par leur différence de densité.

Le propergol est d’autant plus performant que le taux de charge énergétique est important

au détriment des autres composants tels que les additifs. Expérience 3 : Le liant est dans ce cas de type inerte :

- à base de PBHT (de type R45M), 70 % du poids du liant ; - réticulé par 6,5 % de méthylène cyclohexyl diisocyanate ; - plastifié à 23 %.

Le propergol de référence comporte un taux de 85 % de charge d’HMX.


30

Figure 16 : résultats de l’expérimentation 3 du propergol FR2 750 421 Liant Charge énergétique Is

(s) ρρρρIs

(s.g.cm-3) 15 % PBHT 30 % PBHT 20 % PBHT 15 % PBHT 15 % PBHT 15 % PBHT 10 % PBHT

85 % HMX 70 % 3,3 -azoxybis [A] 80 % 3,3 -azoxybis [A] 85 % 3,3 -azoxybis [A] 85 % 3,3 -azobis [A] 85% 3,3 -bis [A] 90 % 3,3 -azoxybis [A]

230

234 250 260 254 259 274

380

340 390 430 387 426 470


Les résultats de la figure 16 montrent que pour un même taux de charge, 85 %, les différents dinitrés donnent des propergols dont les impulsions sont considérablement supérieures à celle du propergol de référence jusqu’à 13 %. On constate que le 3,3 azoxybis [4 nitrofurazane] est le plus puissant des dinitrés. Le taux de ce dernier peut être réduit jusqu’à environ 75 % tout en conservant des performances au moins comparable. En fait l’impulsion spécifique est plus élevée mais pas la volumique car le PBHT n’est pas très dense. Ainsi le choix de la charge dinitrée s’orientera vers la 3,3 azoxybis [A].

Expérience 4 : Dans ce cas on expérimente des propergols aluminisés. Le liant énergétique est le même

que celui de l’expérience 1 et la charge de référence est le HMX. On choisit comme charge dinitrée le 3,3 azoxybis [A].

Figure 17 : résultats de l’expérimentation 4 du propergol FR2 750 421 Liant

PAG % Charge énergétique Aluminium

(%) Is (s)

ρρρρ.Is s.g.cm-3

25 % PAG 25 % PAG 25 % PAG 15 % PAG 20 % PAG 15 % PAG

65 % HMX 65 % 3,3 –azoxybis[A] 70 % 3,3 –azoxybis[A] 80 % 3,3 –azoxybis[A] 70 % 3,3 –azoxybis[A] 75 % 3,3 –azoxybis[A]

10 %

10 % 5 % 5 %

10 % 10 %

270

281 280 282 282 282

485

505 500 515 512 525


D’après la figure 17, l’ajout d’aluminium améliore ou du moins maintient les performances en particulier l’impulsion volumique, compréhensible puisque la densité des métaux est assez importante. A taux de charge égale le propergol de l’invention est 4 % plus puissant mais en augmentant la charge énergétique au détriment du liant, on obtient des propergols 8 % plus puissant.

d) des propergols performants destinés aux engins tactiques ?

En remplaçant la charge énergétique habituelle des propergols composites par les dérivés du furazane, on obtient des propergols plus performants aussi bien pour les liants inertes qu’énergétiques.

Lors des expérimentations on a constaté l’effet des dérivés du furazane sur le propergol,

plus son taux est important au détriment des autres composants plus les impulsions spécifiques et volumiques sont élevées. Les propergols à liant énergétique sont


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considérablement plus puissants que ceux à liants inertes. Les additifs font souvent perdre une partie des performances sans qu’elle soit trop importante. Néanmoins ils sont quasiment indispensables afin de fabriquer le propergol (additifs de faisabilité) et maîtriser sa combustion (additifs anti-instabilité et modificateur de combustion).

L’aluminium augmente les performances des propergols, surtout l’impulsion volumique.

Cependant son utilisation sera limitée car il dégrade la discrétion recherchée du propergol mais il se révèle efficace pour éliminer les instabilités de combustion. Ainsi le choix de ce type de propergol sera un compromis entre performance élevée et discrétion.

Ce type de propergol sera principalement utilisé dans les missiles pour lesquelles on

recherche la discrétion. Ainsi ce propergol pourrait remplacer les propergols homogènes, discret mais peu puissants, très utilisés pour la propulsion des missiles comme le montre l’annexe 4. Grâce à ses performances élevées et à sa discrétion, l’invention pourra être utilisée pour propulsion les engins balistiques à longue portée en augmentant ainsi leur efficacité de frappe.

Cette invention pourrait être utilisée dans les lanceurs spatiaux. Néanmoins ses

performances énergétiques inférieures à celles des propergols liquides dont l’impulsion spécifique peut dépasser les 400 s ne lui permettront pas d’être utilisée dans le moteur principal. Elle pourra toutefois remplacer les propergols solides utilisés dans les boosters (annexe 6). Cependant pour la propulsion spatiale les propergols discrets ne sont pas réellement recherchés, seules les performances énergétiques comptent.

2) Le brevet FR2 746 389 : des propergols facilement modulables présentant une résistance mécanique

Ce brevet, en annexe 5, propose de fabriquer des propergols composites contenant des

composants permettant une importante résistance mécanique et rendant ces propergols facilement utilisables par les techniques simples de fabrication. De plus ces chargements propulsifs présentent des vitesses de combustion élevées. a) des propergols sujet aux déformations plastiques

Il existe des propergols solides contenant des ergols intimement mélangés à des liants adhésifs. Les propriétés du liant détermine dans une grande mesure le dispositif qui peut être utilisé pour mettre en forme les charges propulsives. De nombreux liants connus sont formés de liquides viscoélastiques dont la réponse à une contrainte correspond à une superposition d’éléments.

Ces liants liquides permettent la réalisation de propergols dans lesquels ils sont incorporés

et qui peuvent être facilement mis à la forme voulue par des techniques simples de mise en forme dynamique telles que l’extrusion, dans lesquelles une pression extérieure est appliquée au propergol est l’oblige à passer dans une filière.

Ces liants liquides donnent une résistance mécanique au propergol lui permettant de

garder sa forme une fois celle-ci obtenue. Néanmoins ces propergols ont tendance à présenter une déformation plastique au cours de longues périodes, surtout lorsque la masse formée est importante. Cette caractéristique est un inconvénient puisque la forme du propergol à un effet important sur ses caractéristiques après la mise à feu.


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b) des propergols à liants élastiques difficiles à fabriquer et à régler L’utilisation de liants élastiques dans le propergol peut accroître la résistance mécanique.

Une combinaison optimale d’élasticité et de résistance mécanique est importante dans les moteurs fusées dans lesquels, le propergol doit conserver une certaine élasticité pendant l’utilisation même à de faibles températures (-55°C) pour qu’il puisse supporter et compenser les forces élevées d’accélération sans présenter de déformation permanente ou de rupture. Un réglage précis au cours de la fabrication permet l’obtention de telles combinaisons optimisées de propriétés physiques. Des liants durcissables comprenant des combinaisons de prépolymères hydrocarbonés et d’agents de réticulation (assurant les liaisons entre les prépolymères) sont mélangés avec les ergols autres que le liant et peuvent polymériser, c’est-à-dire se lier, à température élevée en formant une matière solide élastique.

Ces prépolymères peuvent être le polybutadiène à terminaison hydroxy (PBHT), carboxy

(PBCT) et l’acrylonitrile-polybutadiène à terminaison carboxy (BNCT). Les principaux avantages de ces prépolymères liquides au cours de la fabrication sont :

- le liant de polybutadiène donne une excellente élasticité à basse température. Ceci empêche la rupture fragile de la charge sous l’action des forces gravitationnelles très élevées au lancement de la fusée ;

- ces prépolymères peuvent polymériser à des températures relativement basses, inférieures à 100 °C ;

- la viscosité est faible au température de traitement des propergols (60 °C) si bien que les ergols peuvent être intimement mélangés par mise en œuvre d’un appareillage relativement peu puissant.

Le composé PBHT est avantageux pour de nombreux propergols composites étant donné

qu’il est peu coûteux, disponible sous forme d’un liquide à température ambiante et facilement fabriqué à l’état pur. Les sous-produits indésirables peuvent avoir des effets nuisibles sur les caractéristiques mécaniques et balistiques du propergol.

Néanmoins ces propergols à liants durcissables présentent un inconvénient par rapport à

ceux qui contiennent des liquides viscoélastiques. Ils ne peuvent pas être mis à la forme voulue par mise en œuvre de simples techniques dynamiques telles que l’extrusion. Pendant la polymérisation du liant, la viscosité du propergol est soit trop faible au début de la polymérisation, soit trop élevée, avec une trop grande élasticité, après qu’une réticulation importante a provoqué un durcissement permettant une extrusion. Cet inconvénient limite la mise en forme par coulée, dans laquelle le propergol est versé dans un moule de forme voulue alors qu’il est à l’état polymérisé fluide. Ensuite l’ensemble est placé dans une étuve de polymérisation pendant une période afin que le liant polymérise complètement.

La coulée présente l’inconvénient d’imposer dans une grande mesure de gamme de

propriétés physiques des charges propulsives. Par exemple, la dimension particulaire et la configuration des ergols doivent être réglées avec précision afin que le propergol puisse couler dans le moule, mais sans que les particules se déposent dans le liant non-polymérisé. Cet effet peut avoir un effet nuisible sur les propriétés balistiques.

De plus, l’utilisation de liants polymérisables présente l’inconvénient de ne pouvoir tester

les propriétés balistiques du propergol qu’une fois le liant polymérisé sous forme d’une matière solide élastique. Néanmoins une fois que le liant polymérise, sa composition ne peut être modifiée si bien qu’un propergol dont on constate que les propriétés balistiques ne se trouvent pas dans une plage spécifiée d’acceptabilité, doit être rejeté. Cet inconvénient est


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important surtout si la vitesse de combustion doit être réglée avec précision, puisque l’opération peut conduire au rejet d’une proportion élevée des charges comme non conformes.

c) une résistance mécanique accrue grâce à des liants caoutchouteux

Les propergols de l’invention prennent un état plastique non fluide. Ainsi, ils ne présentent pas les inconvénients précités afin qu’un propergol contenant un liant polymérisable convienne mieux à la mise en forme par des techniques dynamiques telles que l’extrusion.

Le procédé permettant d’obtenir les propergols de l’invention est le suivant :

- la polymérisation d’un mélange de prépolymère et d’une première quantité d’un agent de réticulation afin de former un liant fluide viscoélastique ;

- l’addition d’une seconde quantité d’agent de réticulation permet d’obtenir un liant élastique non fluide

- la formation du propergol se fait par le mélange du liant obtenu et des ergols particulaires ;

- la mise en forme dynamique du propergol à base de matière plastique par extrusion, par formage à la presse ou moulage par injection.

Dans une variante le propergol à base de matière plastique peut être ensuite utilisé pour la

fabrication de charges propulsives partiellement caoutchoutées, par mise en forme dynamique de la composition à la configuration de la charge. Puis par application, à la surface de l’élément formé, d’une seconde quantité d’agent de réticulation. Cette quantité doit être suffisante pour que le liant viscoélastique pratiquement placé à la surface de la charge prenne un état élastique pratiquement non fluide après polymérisation. La composition de matière est ensuite désaérée sous vide et consolidée avant mise en forme dynamique de la charge.

Le propergol caoutchouteux réalisé à partir d’un propergol à base de matière plastique

contient en général les ingrédients suivants : - un oxydant de 40 à 80 %, - un agent réducteur métallique de 0 à 15 %, - et un liant de 12 à 15 %.

L’oxydant le plus généralement utilisé est le perchlorate d’ammonium ou le nitrate d’ammonium, l’agent réducteur métallique de l’aluminium et le liant du PBHT. D’autres ingrédients peuvent être ajoutés pour modifier les caractéristiques tels qu’un catalyseur de vitesse (l’oxyde de cuivre), un agent de refroidissement (picrate d’ammonium), un agent de liaison (l’imine) ou un régulateur de combustion (la silice).

Ce brevet permet d’obtenir des propergols présentant une résistance mécanique

importante surtout pour ceux contenant des liants caoutchouteux. De tels propergols peuvent faire face à des applications avec d’importantes sollicitations sans que la charge propulsive ne se fissure ou ne se déforme. Ces propergols sont ainsi intéressants pour les moteurs fusées ou pour les engins balistiques à longue portée pour lesquels les accélérations sont importantes. Ces propergols peuvent être facilement fabriqués par des techniques dynamiques simples telles que l’extrusion. Ces techniques présentent l’avantage de ne pas imposer les propriétés à la charge propulsive.

Ainsi grâce à ces propriétés mécaniques, les propergols de l’invention peuvent être

facilement stockés durant de longues périodes sans présenter de déformations majeures. De


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plus, ils ne nécessitent pas l’utilisation d’ingrédients solides pour améliorer les caractéristiques d’écoulement avant polymérisation du liant, c’est-à-dire d’additifs de faisabilité. Ces derniers, lorsqu’ils sont incorporés au propergol, ont tendance à diminuer ses performances.

3) Le brevet WO9 921 808 : des propergols puissants à effet plateau

Nous venons de voir que les recherches sur les propergols portaient principalement sur les

performances et la mise en œuvre. Cependant il serait inutile de fabriquer des charges très puissantes si l’on n’arrivait pas à maîtriser cette performance. Ainsi ce brevet américain propose de réaliser des propergols assez puissants mais ayant la propriété de l’effet plateau.

a) une poussée constante, une importance pour les fusées spatiales

La composition des propergols composites n’a pas radicalement changé depuis leur création. Ils comprennent tous un oxydant, un liant et divers additifs tels qu’un plastifiant, un agent de réticulation, des catalyseurs de combustion… Depuis plus de 40 ans le perchlorate d’ammonium est l’oxydant le plus utilisé. Ceci s’explique par ses bonnes caractéristiques énergétiques, son faible coût de fabrication et sa fiabilité. Le liant le plus répandu est le PBHT qui lui aussi présente de bonnes caractéristiques énergétiques, de liaison et est notamment économique.

Néanmoins il existe toujours des problèmes concernant la fabrication de propergols

solides surtout sur le contrôle de la poussée. Ceci est particulièrement vrai lorsque l’on désire utiliser un propergol dans différents modes de fonctionnement. Par exemple, lors de la propulsion d’une fusée, il est indispensable d’avoir un important niveau de poussée pour le décollage mis en œuvre par des boosters. Une fois sortie de l’atmosphère, on désire garder une poussée constante et plus faible par une opération de soutien. Ce soutien arrive après que la fusée a été placée en vol et durant son voyage jusqu’à sa destination. Pour pouvoir construire de tels moteurs à propergols solides, il faut disposer d’un propergol possédant différents niveaux d’effet plateau. C’est pour cette raison que les propergols liquides se sont considérablement développés pour la propulsion spatiale. Ils présentent à la fois de très bonnes performances énergétiques et la poussée est contrôlée par l’injection des liquides dans la chambre de combustion.

L’effet plateau, rappelons-le, présente un gain considérable en matière de régularité et de

sécurité. La variation de la vitesse de combustion, et ainsi la cadence de combustion est quasiment nulle suivant les variations de pression, ou de température, à l’intérieur de l’intervalle de l’effet plateau. Dans ces régions la vitesse de combustion est indépendante de la pression. Ainsi comme la cadence de combustion devient indépendante de la pression et de la température, la poussée de la fusée sera constante.

Malgré tout, la mise en œuvre d’effet plateau est difficile et ce dernier présente des

inconvénients notamment de surconsommation de propergol et ainsi de pertes de performances. De plus, ces propergols présentent l’inconvénient de se baser sur des liants inertes qui permettent de contrôler facilement la poussée mais empêche d’obtenir des charges propulsives puissantes et donc ces effets plateaux sont limités aux basses pressions.


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b) des charges propulsives performantes à effet plateau aux hautes pressions Le propergol de l’invention propose des effets plateau pour des pressions opérantes assez

élevées. Celui-ci est à base d’un liant énergétique de grande puissance, l’oxetane, et ainsi est très énergétique. L’effet plateau est obtenu par un oxyde réfractaire choisi parmi le TiO2, ZrO2, Al3O2, SnO2, SiO2 ou d’autres matériaux similaires. La fonction de ces matériaux est de modifier le taux de combustion et de fournir l’habilité d’adapter le taux de combustion à la pression de sortie désirée. L’oxyde réfractaire le plus répandu est le TiO2 car il est économique, largement disponible et efficace.

L’oxyde réfractaire doit être ajouté en faible proportion, il doit représenter de 0,2 à 4 % de

la masse du propergol suivant l’effet recherché. Les meilleurs résultats ont été obtenus pour des taux allant de 1 à 2 %. La granulométrie influence aussi considérablement les résultats. Pour une gamme de particules allant de 0,4 à 0,02 microns l’effet de plateau recherché était d’autant meilleur.

D’autres ingrédients peuvent être rajoutés afin d’obtenir des caractéristiques spécifiques.

Par exemple, la variation de facteurs indirects peut influencer les taux spécifiques de combustion et ainsi les domaines de pressions. De tels facteurs peuvent être la taille des particules de PA, ses proportions, le plastifiant utilisé ou encore le type d’agent de réticulation utilisé…

L’invention fournit des améliorations dans les compositions chimiques qui surpassent la limitation imposée par les propergols antérieurs à l’invention. L’invention permet la réalisation de propergols plus puissants tout en ayant l’effet de plateau désiré.

Ces propergols présentent ainsi l’avantage d’être plus sûrs, le comportement balistique aux hautes pressions est ainsi maîtrisé. En fait si la combustion s’emballe par accident, la cadence de combustion n’augmentera pas significativement grâce à l’effet plateau à hautes pressions. Par conséquent on dit que ces propergols ont une faible sensibilité à la variation de pression et donc aux variations de températures.

La composition chimique est la suivante :

- un liant énergétique à base d’oxetane de grande puissance ; - un ou plusieurs plastifiants de préférence énergétique ; - un oxydant inorganique le PA ayant deux tailles de particules différentes ; - un oxyde réfractaire, le TiO2 ; - des additifs additionnels tels que les stabilisants…

Dans cette configuration, les propergols obtenus ne génèrent qu’une quantité réduite de

fumée. Afin de rendre la charge propulsive encore plus énergétique une charge métallique telle que l’aluminium peut lui être ajoutée au détriment de la discrétion.

Afin de mettre en évidence l’effet de plateau plusieurs expérimentations ont été réalisées.

La première expérimentation montrera l’effet de différents agents de réticulation sur la

location du plateau. Dans un premier temps on réalise le propergol à la composition suivante : - 70 % de PA - 15 % de liant du NMMO - plastifié avec 10 % de TEGDN - 2 % de modificateur de combustion : TiO2


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- 1% de réducteur métallique : l’aluminium. Le NMMO est du poly 3,3 nitrométhyl 3 méthyloxetane.

On réalise trois mélanges contenant des agents de réticulation différents. Le premier contient du isophore diisocyanate abrégé par IPDI, le second du diméryl diisocyanate DDI et le dernier du polyisocyanate de Mobay appelé Desmodur.

Les tests consistent à estimer la cadence de combustion (notée Rb pour rate combustion en

anglais), c’est-à-dire en fait la vitesse de combustion en fonction de la pression (pressure).

Figure 18 : évolution de la cadence de combustion en fonction de la pression pour des propergols contenant différents réticulants

Source :brevet WO9 921 808

Sur la figure 18, on constate que suivant le réticulant utilisé le comportement de la

combustion diffère. Cependant chacun des réticulants présente au plus deux plateaux plus ou moins bien définis, représentés sur la courbe par une droite quasi-horizontale. L’un aux basses pressions aux environs de 2,76.105 Pa (400 psi) et l’autre aux hautes pressions aux environs de 8,27.105 Pa (1200 psi).

La séparation entre le haut plateau de pression et le bas plateau de pression est beaucoup

plus prononcée avec le DDI. En réalité les effets des agents de réticulation sont imprévisibles avec des liants énergétiques tels que le NMMO ou le PBHT. Par exemple un IPDI augmente le taux de combustion aux basses pressions et améliore étonnamment la définition du plateau à la cadence de combustion des hautes pressions comparé au DDI ou au Desmodur. Cependant le DDI ne comporte plus de bas plateau et le haut plateau est extrêmement instable. C’est totalement l’inverse lorsque l’on utilise du PBHT à la place du NMMO, alors que tous les deux sont des liants énergétiques, c’est l’IPDI qui est instable et le DDI qui présente deux plateaux. Le Desmodur permet d’avoir des variations de pressions avec des variations de cadence de combustion faibles.


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Figure 19 : effet du taux de l’additif réfractaire, le TiO2 sur le comportement de combustion

Source : brevet WO9 921 808

Sur cet exemple de la figure 19, l’effet plateau, c’est-à-dire des cadences de combustion

constantes à certaines pressions est mieux défini pour un taux d’additif réfractaire de 1 % que de 2 %. Pour un taux de 2 %, la cadence de production diminue sur l’intervalle de pression de de 10,3.105 à 17,2.105 Pa (1500 à 2500 psi). En fait sur cette portion on a à faire à un effet mésa. Les propriétés balistiques du propergol sont donc bien modifiées par l’additif réfractaire qui permet de créer l’effet souhaité.

Evidemment d’autres facteurs influencent la cadence de combustion mais les deux précités montrent leur influence importante sur les propriétés balistiques. Pour fabriquer le propergol ayant les caractéristiques désirées, il faut savoir faire un savant mélange entre les charges énergétiques mais aussi en comptant sur les additifs permettant d’obtenir des effets très différents.

L’additif réfractaire ce propergol mélangé à un liant énergétique à base d’oxetane permet d’obtenir des propergols possédant des effets plateaux même aux hautes pressions ce qui n’était pas le cas pour les liants inertes. Ainsi comme il est possible de se placer aux hautes pressions tout en ayant des cadences de combustion stables, ce propergol produit une poussée régulière et importante. Il ainsi présente moins de risque d’explosion.

Un tel propergol peut être très avantageux pour la propulsion spatiale par rapport aux

propergols solides déjà utilisés. Par exemple utilisé dans les boosters de la fusée il peut au décollage lui fournir une poussée constante et puissante grâce au haut plateau. Ensuite une fois que la fusée s’est arrachée de la Terre, la poussée peut être ralentie tout en étant constante par le bas plateau.


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IV. L’avenir de la propulsion à propergols solides réside sur les

propulseurs plus que sur les propergols.

Les recherches concernant les améliorations de la propulsion par propergols solides, concernant principalement les performances énergétiques, ont essayé de se baser sur l’amélioration des caractéristiques des matières des charges propulsives. Néanmoins il semble que la découverte de nouvelle molécule plus énergétique soit dépassée. Des développements considérables de cette propulsion ne seront possibles que par l’évolution de l’architecture des propulseurs.

1) L’accroissement des caractéristiques énergétiques des propergols , une avancée laborieuse

Les progrès des performances thermodynamiques des propergols solides ont été très

importants au cours des années cinquante et soixante. Cette évolution rapide s’est faite grâce souvent à l’utilisation de nouvelles molécules dans les composants de fabrication. Néanmoins les progrès actuels en matière de propergol se montrent assez limités comparés à l’époque où la propulsion par réaction faisait partie des technologies nouvelles. a) vers l’uniformité des propergols.

Les progrès initiaux ont résulté d’une excellente synergie entre les besoins liés aux applications et l’apparition sur le marché de composés chimiques, fournis par la grande industrie, bien adaptés à la formulation des liants de propergols solides : PVC, polyuréthanes, puis de façon plus spécifique polybutadiènes liquides fonctionnels de diverses espèces. Ainsi est apparu le propergol composite type d’aujourd’hui associant à un liant polybutadiène présentant d’excellentes caractéristiques mécaniques, un taux élevé de charges oxydantes et réductrices, perchlorate d’ammonium et aluminium.

Ce système particulièrement stable et de mise en œuvre relativement simple se voit progressivement généralisé à de nombreuses applications telles que les missiles, les roquettes, les boosters de fusée, les générateurs de gaz... Ces applications demandent des propergols dont la disponibilité doit être immédiate, la durée de vie longue ou un niveau de performances élevé. Ainsi le développement des applications de ce type de composant composite s’est fait au détriment des autres propergols dont principalement les propergols à double base. Ces derniers sont de moins en moins utilisés. b) de nouvelles molécules plus énergétiques mais difficiles à mettre en œuvre

Les travaux des années soixante ont assez rapidement buté sur de grandes difficultés dans la synthèse et la mise en œuvre de nouvelles molécules destinées à augmenter l’énergie des propergols composites par rapport à celle des systèmes liant hydrocarboné – perchlorate d’ammonium – aluminium.

De nombreux oxydants plus puissants et plus denses que le perchlorate d’ammonium ont

été synthétisés, testés, puis abandonnés en raison de leur trop forte réactivité ou absence de stabilité les rendant incompatibles avec les liants disponibles ou de leur trop grande sensibilité au choc pour une mise en œuvre industrielle sûre.


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Du côté des réducteurs métalliques, de nombreux échecs ont également été enregistrés. Les hydrures métalliques présentent, soit des densités trop faibles pour être intéressants lorsqu’ils sont stables, soit ne sont pas stables. D’importantes recherches ont été effectuées dans les années soixante, tant qu’aux Etats Unis qu’en France, sur des propergols au béryllium. L’adjonction de ce métal augmente de façon significative l’impulsion spécifique sans poser trop de problèmes de compatibilité avec les liants hydrocarbonés ou le perchlorate d’ammonium. Ces recherches ont été ensuite abandonnées en raison de la toxicité élevée de ce produit mais surtout de son oxyde issu de la combustion. Cette voie semble périodiquement abandonnée, bien que particulièrement pour des applications spatiales, il soit périodiquement question de reprendre les travaux. Néanmoins pour des applications spéciales, dans des engins tactiques à volume limité, le métal zirconium pourrait être promis à un certain avenir. Sa densité très élevée (6,49) par rapport à l’aluminium (2,7) conduit à des propergols dont l’impulsion volumique dépasse celle des plus puissants propergols composites.

L’octogène présente malgré son caractère explosif puissant une densité, une énergie et une

stabilité importantes. Ainsi il est utilisé pour les Nitralanes dont le liant, plus oxygéné, permet d’atteindre un optimum d’impulsion spécifique plus élevée. Cette constitution a reçu des applications, soit dans des moteurs d’apogée pour lanceurs spatiaux, comme le PAM D2 américain, soit dans des engins militaires de technologie évoluée : Trident 1 C4, Trident 2 D5, MX, Midgetman aux Etats Unis. Des travaux se poursuivent sur des charges, des liants ou plastifiants plus énergétiques que l’octogène.

c) un espoir grâce à aux entités azide ou N3 d’améliorer les caractéristiques

énergétiques Un « outsider » est cependant apparu qui permet de penser que l’on va pouvoir améliorer

les niveaux d’énergie des propergols au-delà de celui des Nitralanes actuelles, dans des délais plus brefs en raison de la découverte aux Etats Unis du fait que les molécules organiques aliphatiques comportant l’entité azide ou N3 étaient stables et peu sensibles au choc.

Ce nouveau type de liant s’il conduit à des propergols de propriétés mécaniques

satisfaisantes pourrait constituer une étape intermédiaire entre les meilleures compositions à base d’ingrédients nitrés et les propergols solides plus futuristes basés sur la chimie du NF2. Un polymère est actuellement étudié, il s’agit du polyglycidyle azide.

Il semble donc, en définitive, acquis qu’après une période pendant laquelle les budgets de

recherche consacrés à l’amélioration des caractéristiques thermodynamiques ont été fortement réduits à la suite des désillusions rencontrées dans la chimie des composés à haute énergie, au profit d’ailleurs d’une grande diversification des compositions plus classiques au niveau des applications, la tendance soit à nouveau à la recherche d’énergies plus élevées. Ceci peut d’ailleurs être illustré par le brevet du propergol à dérivés du furazane augmentant les propriétés énergétiques des propergols.

2) De nouveaux propulseurs pour missiles stratégiques Les tendances futures pour ces applications semblent être les suivantes. Pour des engins

basés au sol et un grand nombre d’ogives à mettre à poste, on assiste à un retour des propergols liquides dans la propulsion des parties hautes. Ils permettent une grande souplesse d’ajustement de la poussée car les liquides sont injectés dans une chambre de combustion. En matière de sécurité, ils présentent les avantages de pouvoir maîtriser facilement des


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extinctions du moteur. Mais leur principal avantage est de présenter des impulsions spécifiques très élevées.

Pour les engins embarqués à bord de sous-marins, les ergols liquides sont moins

acceptables du fait des risques de fuites des réservoirs, de corrosion, de la limitation de volume et de la faible densité des ergols. Deux types de systèmes sont en concurrence pour des applications futures.

a) la maîtrise de la propulsion par le réglage à la sortie des gaz de combustion

Le système dit EVA, d’espacement par vannage, utilise des gaz de propergols issus d’un générateur modulés par vannage. Ceci suppose, au plan technologique, de disposer de propergols à faible vitesse de combustion, les durées de fonctionnement devant être de plusieurs minutes, et à impulsion spécifique aussi élevée que possible sans dépasser les températures acceptables par les vannes du système. Les Américains utilisent comme matériaux des alliages de Niobium qui limitent les températures de chambre du propergol à 1600 °C environ. En France, des travaux importants sont menés utilisant les matériaux composites à base de carbone qui permettent d’atteindre 2200 °C et ainsi des impulsions spécifiques plus élevées. Les propergols répondant à ce type de besoin sont des Butamites ou Nitramites, à liant nitré froid, à taux d’octogène élevé.

Une autre caractéristique de ces systèmes est de requérir des gaz de combustion propres

pour éviter l’encrassement des vannes. Les composés minéraux sont donc relativement proscrits tant dans la composition du propergol que dans celle des protections thermiques de chambre pour lesquels des formulations gazéifiables utilisées par ailleurs dans les engins tactiques discrets sont préférables.

b) la maîtrise de la propulsion par générateurs de gaz

Le système est réallumable à ergols solides séparés. Dans ce concept, le moteur principal ne fonctionne que lorsqu’un générateur de gaz, à faible vitesse de combustion, débite à l’intérieur de la chambre de combustion. Si l’on stoppe l’injection de gaz, le chargement principal s’éteint.

Un système étudié par la Société AEROJET s’apparente un peu à ce système. Il comporte

deux générateurs à propergols solides. L’un de gaz oxydants, l’autre de gaz réducteurs, dont on peut faire varier le débit séparément. Les gaz sont ainsi injectés dans une chambre de combustion unique. Il faut ainsi disposer de deux propergols différents, l’un très oxydant et l’autre très réducteur.

Ces deux systèmes permettraient de générer les poussées désirées que les moteurs à

propergols solides ne peuvent pas faire. De cette manière, les moteurs à propergols solides deviendrait presque autant avantageux que ceux aux liquides qui présentent déjà cette caractéristique. La propulsion ainsi modulée permet un gain considérable en matière de stabilité et de sécurité.


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3) Les propergols pour missions tactiques

Les évolutions dans ce domaine se basent sur deux points : la discrétion et la portée.

Effectivement le but des missiliers est de créer des missiles toujours plus efficaces, c’est-à-dire dont la vulnérabilité doit être réduite et le rayon d’action augmenté.

a) améliorer la discrétion pour avoir des missiles indétectables

La diminution des signatures électromagnétique, infrarouge et optique des missiles est destinée avant tout à retarder la mise en œuvre des contre-mesures. En effet, la discrétion constitue l’un des moyens de continuer à assurer la supériorité de l’attaque sur la défense et de conserver aux missiles futurs leur capacité de pénétration en territoire aérien ennemi.

Des efforts très importants sont donc consacrés à la réduction des signatures visible,

infrarouge et électromagnétique, caractérisée par la surface équivalente radar, passe par des évolutions d’architecture ou de matériaux. Par exemple, on aménage des « points brillants » ou leurres, met des revêtements absorbant ou diffusant les ondes radars, modélise des formes adaptées, ce qui pourrait conduire à des missiles de sections elliptiques ou triangulaires induisant des problèmes tout à fait nouveaux pour le chargement propulsif.

Afin de déjouer les systèmes de défense, la propulsion doit respecter plusieurs impératifs.

D’une part, la modulation de la poussée peut conduire, pour un même missile, à trois ou quatre régimes de poussées successifs. Bien entendu, ceci devient problématique avec un chargement unique car le nombre effets plateau est souvent limité à deux. D’autre part, le chargement doit être capable de supporter des facteurs de charge important.

b) augmenter la portée pour avoir un rayon d’action important

Pour les engins air-surface et mer-mer et même sol-air, les portées sont limitées par les problèmes de masse des missiles et aussi par la durée de combustion accessible pour les chargements de croisière, plus de 150 secondes.

Une solution simple, dans son principe, est constituée par la propulsion aérobie, qui

utilisent l’air atmosphérique pour fonctionner. Plusieurs possibilités d’évolution sont alors en concurrence ; turboréacteur, statoréacteur, statofusée et à long terme, turbofusée dont les descriptions figurent en annexe 8.

L’adaptation des turboréacteurs d’avion par simplification du compresseur, des systèmes

de lubrification et d’injection, l’emploi de matériaux bon marché, pour une application où la durée de fonctionnement est limitée à quelques heures, rend ce système compétitif avec le moteur fusée. Ils sont cependant limités, pour l’instant à des vols subsoniques.

La technologie des statoréacteurs et des statofusées est à présent mûre pour de nombreuses

applications aux missiles. Les systèmes mis en service permettent actuellement d’atteindre des portées de plusieurs centaines de kilomètres et il est possible d’envisager des portées de plusieurs milliers de kilomètres. Le développement de ce type de propulsion va s’effectuer selon plusieurs axes. Les accélérateurs intégrés, dans la chambre de combustion du statoréacteur, sans tuyère éjectable (cas de lancements à partir d’aéronefs) se généraliseront avec des problèmes. Ceux ci sont la conception de chargements sans tuyères, le calcul des performances, la précision dans la direction du vecteur poussée. Les matériaux de liaison et de


42

protection thermique devront être adaptés aux deux fonctions suivantes. Au fonctionnement accélérateur et fonctionnement statoréacteur de très longue durée pour lesquelles les températures et compositions des mélanges gazeux sont différentes.

La recherche de la simplicité de réalisation a conduit au modèle probatoire connu sous le

nom de « statofusée rustique » où une chambre unique contient à la fois les chargements d’accélération et de croisière.

La turbofusée est un concept plus récent étudié pour opérer comme un turboréacteur aux

vitesses subsoniques et comme un statoréacteur aux vitesses supersoniques ou hypersoniques. Elle comprend une entrée d’air, un compresseur, une turbine, un générateur de gaz réducteurs, une chambre de combustion et une tuyère.

L’air entrant dans le moteur est comprimé par le compresseur basse pression qui

fonctionne grâce à une turbine haute pression alimentée par les gaz réducteurs du générateur. Le système est capable d’accélérer, jusqu’à la vitesse de croisière sans accélérateur d’appoint.

Les avantages de ce concept sont :

- une poussée et une impulsion spécifique meilleures, - une combustion plus stable que pour un statoréacteur seul, - une turbine de complexité moindre que celle des turbines conventionnelles, - un meilleur rapport poussée/masse qu’avec les turboréacteurs.

4) Lanceurs spatiaux : les chargements solides utilisés pour les boosters L’utilisation des propergols solides tendait à diminuer pour les lanceurs spatiaux.

Néanmoins la forte poussée qu’ils peuvent produire pendant un cours laps de temps leur a permis d’être utilisés dans les boosters. a) les propergols liquides mieux placés pour être utilisés dans ces lanceurs

Les propergols solides sont a priori moins bien placés face aux liquides. Les avantages que procurent les niveaux plus élevés d’impulsion spécifique et la possibilité de moduler la poussée, la possibilité d’alimenter les réservoirs au dernier moment et la moindre limitation en volume des systèmes spatiaux ont conduit à une très large utilisation des moteurs fusée à liquide sur les lanceurs lourds.

Des engins à moteurs à propergols solides ont été utilisés au début de l’ère spatiale parce

qu’ils étaient directement dérivés de la technologie militaire des engins balistiques ou parce que les charges utiles restaient faibles. Ils ont cependant fait preuve d’une large fiabilité.

b) l’utilisation des propergols solides est importante pour le décollage ou les moteurs

à faible volume Les chargements à propergols solides ont toutefois continué à être utilisés dans deux types

de moteurs liés au développement des applications spatiales. Dans les accélérateurs ou boosters d’appoint au décollage, ils permettent d’augmenter la charge utile d’un lanceur à propergols liquides comme Ariane 3, 4 et 5. Ils sont utilisés dans les moteurs de périgée ou d’apogée destinés à placer des satellites en orbite de transfert géostationnaire à partir d’orbites d’attente.


43

Un très grand arsenal de tels moteurs a été développé en Europe, les moteurs de la famille MAGE, ou aux Etats Unis, famille STAR, pouvant atteindre des masses importantes, de l’ordre de trois tonnes sur l’Inertial Upper Stage SRM-2.

Avec la navette américaine « Space Shuttle », dont le descriptif est en annexe 9, est

apparue une nouvelle architecture d’engin dans laquelle l’ensemble est conçu de telle façon que le moteur central à ergols liquides ne puisse à lui seul faire décoller le système. Quatre-vingt pour cent de la poussée sont générés par les boosters de la navette spatiale.

Ce type d’architecture de lanceur fait intervenir des chargements de propergols solides

gigantesques par rapport à ce qui est utilisé sur le plus gros étage d’engins balistiques militaires. Il pourrait être appelé à un grand développement puisqu’une architecture du même type est envisagé pour les futurs lanceurs européens et pour le lourd lanceur japonais.


44

CONCLUSION :

Le choix du propergol est déterminant pour le type de mission. Les propergols composites grâce à leur diversité permettent un large éventail d’utilisation : missiles, boosters de fusées, générateurs de gaz… Les propergols composites connaissent un gain d’intérêt considérable car ils présentent des performances énergétiques plus importantes et peuvent remplir la plupart des fonctions. Malgré tout les propergols à double base sont toujours d’actualité, ils sont plus économiques à produire et très discrets. Néanmoins leurs performances énergétiques, plus modestes, les limites aux engins balistiques militaires stratégiques de faible portée.

En conséquence, c’est sur les propergols composites que des améliorations ont lieu.

Celles-ci consistent à améliorer les performances énergétiques tout en diminuant les fumées produites grâce à l’utilisation de nouvelles charges énergétiques oxydantes à l’instar des dérivés du furazane. Les inventions améliorent la facilité d’utilisation et de production par l’utilisation de réticulants caoutchouteux et l’application de nouveaux procédés de fabrication. Des gains en matière de fiabilité ont été possibles grâce à l’utilisation d’additifs réfractaires.

L’évolution des propergols concerne soit l’utilisation de nouvelles molécules, soit les

proportions du mélange. Néanmoins par la manière qui consiste à améliorer les charges propulsives solides pour améliorer la propulsion ne permet pas une réelle révolution. Le seul espoir permettant d’augmenter l’énergie réside sur les polymères azidés.

L’avenir de la propulsion par propergol solide dépendra ainsi de l’évolution des lanceurs.

D’ailleurs, sur ce point, de nouveaux concepts sont actuellement étudiés. Totalement différents, des moteurs actuels comportant principalement une chambre de combustion et une tuyère ; leur structure est plus complexe et se rapproche des moteurs liquides. Ils pourront être beaucoup plus souples d’utilisation en permettant la modulation de la poussée et seront utilisés dans les missiles les plus pointus. Néanmoins ils ne remplaceront sûrement pas les propergols liquides utilisés en aérospatiale à cause de leurs performances toujours moindres.


45

Table des illustrations : Figure 1 : principales caractéristiques des nitrocelluloses...................................................... 13 Figure 2 : diagramme vitesse - pression d’une composition double base ............................... 14 Figure 3 : propriétés des prépolymères utilisés dans les propergols composites .................... 16 Figure 4 : évolution de la résistance à la traction à 20°C et des allongements en fonction de la

stœchiométrie pour une Butalane..................................................................................... 17 Figure 5 : quelques caractéristiques des principaux refroidissants......................................... 18 Figure 6 : caractéristiques des principaux oxydants................................................................ 18 Figure 7 : énergie disponible à la formation des principaux produits de réaction.................. 19 Figure 8 : performances des différents propergols .................................................................. 21 Figure 9 : performances et vitesses de combustion des propergols ......................................... 22 Figure 10 : largeur de la zone vitreuse des propergols composites......................................... 23 Figure 11 : capacité mécanique des propergols au tir et aux sollicitations d’origine thermique

.......................................................................................................................................... 23 Figure 12 : apparition des signatures visibles de missiles dans un climat européen............... 25 Figure 13 : quelques formes des pains de propergols .............................................................. 26 Figure 14 : résultats de l’expérimentation 1 du propergol FR2 750 421 ................................ 28 Figure 15 : résultats de l’expérimentation 2 du propergol FR2 750 421 ................................ 29 Figure 16 : résultats de l’expérimentation 3 du propergol FR2 750 421 ................................ 30 Figure 17 : résultats de l’expérimentation 4 du propergol FR2 750 421 ................................ 30 Figure 18 : évolution de la cadence de combustion en fonction de la pression pour des

propergols contenant différents réticulants ..................................................................... 36 Figure 19 : effet du taux de l’additif réfractaire, le TiO2 sur le comportement de combustion37


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BIBLIOGRAPHIE : BREVETS : - Alain CHASSAING et Finck BERNARD, Propergols à forte impulsion spécifique

comportant des dérivés du furazane, France, brevet FR2 750 421, 1996. - James Brown ROBERT, Propergol composite, charge propulsive et leurs procédés de

fabrication, Royaume Uni, brevet FR2 746 389, 1983. - Carol CAMPBELL, Propergols à base d’oxetane de grande puissance, Etats Unis, Brevet

WO9 921 808, 1998. OUVRAGES : - Paul HAGENMULLER, Les propergols, Paris, collection Gauthier Villars, 1966. - Jean PALLANDINI, Fusées et missiles d’aujourd’hui, Paris, Imprimerie Presses

Universitaires de France, collection « Que sais-je ? », 1967. - Alain DAVENAS et collaborateurs, Technologie des propergols solides, Paris Milan

Barcelone, Masson, 1988. - René AMIABLE, Les matériaux énergétiques, Paris, Imprimerie Presses Universitaires de

France, collection « Que sais-je ? », 1998. RAPPORT DE RECHERCHE DOCUMENTAIRE : Antoine GODDE, « Pourquoi les fusées décollent-elles ? », Etude de brevet : Un nouveau moteur fusée qui améliore les performances d’utilisation du propergol solide, 1999. p 36. ENCYCLOPEDIES SCIENTIFIQUES : Paul HAGENMULLER, « Propergols », Encyclopedia Universalis, 1993. p 55-59. SITES INTERNET : - http://www.celerg.fr - http://www.ensta.fr/formation/cycle_ingenieur/propulsion.systemes-chimiques.e-

ap.mo.html - http://hathor.onera.fr/cahierdelabo/french/miss_ind01.htm - http://www.arianespace.com - http://perso.wanadoo.fr/merlay


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SOMMAIRE DES ANNEXES : ANNEXE 1 : La loi de l’action et de la réaction à la base de la propulsion. ANNEXE 2 : Analyse de la propulsion et de la combustion des propergols. ANNEXE 3 : Récapitulatif des principales propriétés des différentes familles de propergol solide.

ANNEXE 4 : L’utilisation de différentes familles de propergols solides dans des engins militaires et un lanceur spatial.

ANNEXE 5 : Le brevet FR2 750 421. Propergols à forte impulsion spécifique comportant des dérivés du furazane. ANNEXE 6 : Le brevet FR2 746 389. Propergol composite, charge propulsive et leurs procédés de fabrication. ANNEXE 7 : Le brevet WO9 921 808. Propergols à base d’oxetane de grande puissance. ANNEXE 8 : Descriptif des turboréacteur, statoréacteur et statofusée. ANNEXE 9 : La navette spatiale américaine : « Space Shuttle ».


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ANNEXE 1 : La loi de l’action et de la réaction

à la base de la propulsion Le principe de la propulsion peut s’expliquer par la troisième loi de Newton : le principe

de l’action et de la réaction.

Prenons deux billes A et B, fixons un ressort entre les deux, et serrons l’ensemble. Selon la troisième loi de Newton, en l’absence de force extérieure, des forces égales d’intensité et de directions opposées s’exercent sur A et B : le ressort s’appuie sur l’objet A pour pousser l’objet B, et réciproquement, il s’appuie sur B pour pousser A (schéma a). Lorsque l’on lâche l’ensemble, le centre d’inertie est immobile et les deux masses A et B s’éloignent l’une de l’autre.

Si l’objet A est un véhicule, la réaction due à la poussée du ressort sur B sert à le propulser (schéma b). On obtient le même effet lorsque l’on remplace le ressort par un gaz comprimé (schéma c). A la place d’une unique masse B, on utilise plusieurs petites masses, soit des molécules de gaz (schéma d).

La propulsion met en œuvre ce principe, en éjectant à haute vitesse, dans une direction donnée, un débit continu de gaz (schéma e). Le moteur propulse ainsi par la tuyère des masses pesantes de gaz à très hautes vitesses. En régime permanent, il se crée sur les parois internes de la tuyère une pression dont la résultante est la force propulsive. Au sol, la pression atmosphérique qui exerce sur la paroi externe s’oppose à la force propulsive, mais disparaît dans l’espace.

Il est important de comprendre ce principe de la propulsion et de ne pas interpréter que le jet gazeux du propulseur « s’appuie » sur l’air extérieur. Par conséquent, seul le phénomène d’éjection des masses pesantes est responsable de l’avancement de la fusée. C’est grâce à cette propriété primordiale que certaines techniques de propulsion par réaction sont utilisables dans le vide interplanétaire.


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ANNEXE 2 : Analyse de la propulsion et

de la combustion des propergols. Lorsque l’altitude est suffisamment élevée, les forces de gravitation et la résistance

opposée par l’air ambiant à la progression d’une fusée deviennent négligeables. A un instant donné le théorème de la dynamique donne que la poussée est égale au

produit de masse totale M de l’engin et de son accélération :dtdv

F = ,relation dans laquelle v

est la vitesse de la fusée.

Comme : dt

dMq −= et cqF .= : c

MdM

dv −=

Lorsque la combustion du propergol est terminée, la vitesse de la fusée prend donc à

altitude suffisamment élevée la valeur :

��

��

�+=��

�

��

�=

FFF M

mc

MMo

cv 1ln.ln.

Mo et MF représentent la masse de la fusée avant et après la combustion.

Pour avoir d’importantes vitesses, on cherche des propergols et des propulseurs tels que le

rapport masse du propergol / masse du propulseur FM

m soit le plus important possible.

L’oxydation s’effectue à pression constante po dans une chambre de combustion. La réaction est généralement déclenchée par un dispositif d’allumage, la combustion se poursuivant alors d’elle même. C’est dans la tuyère liée à la chambre de combustion que l’énergie interne des produits de combustion se transforme en énergie cinétique.

source : Les propergols

En régime permanent, lorsque la pression pO de la chambre dépasse une certaine valeur

critique pO*, la pression pC au col de la tuyère devient proportionnelle à pO, la température TC

et la vitesse vC des gaz injectés dans la tuyère sont alors constantes.


50

Si nous admettons que la transformation d’énergie interne en énergie cinétique s’effectue sans frottement ni pertes de chaleur, que les produits de combustion sont exclusivement gazeux et se comportent comme des gaz parfaits, les vitesses, les températures et les pressions à l’entrée et à la sortie de la tuyère sont liées par la relation suivante :

( )22

21

)( SOOSP vvgJ

TTC −=−

γγ 1−

��

��

�=

O

S

O

S

pp

TT

Les indices o et s caractérisant respectivement la chambre de combustion et la sortie de la tuyère, γ étant le rapport des chaleurs spécifiques CP et CV à pression et volume constant des gaz de combustion.

En remarquant que : JR

CC VP =− ,

la vitesse d’éjection des gaz prend la valeur :

2

1

1.1

2O

O

SOS v

pp

TRg

V +�

��

−

−=

−γ

γ

γγ

Dans le cas le plus courant où vO est très faible, cette relation prend le nom de Saint-

Venant : γ

γ

γγ

1

1.1

2−

�

��

−

−=

O

SOS p

pTR

gV

La vitesse d’éjection des gaz est donc d’autant plus importante que la température de

combustion est élevée. Celle-ci dépend essentiellement de la quantité de chaleur dégagée par le propergol.

La vitesse d’éjection croît également avec R, c’est-à-dire le rapport de la constante des

gaz parfaits à la masse moléculaire moyenne des gaz de combustion ; VS sera d’autant plus élevée que ceux-ci seront légers.

Cette propriété s’interprète aisément : à même température deux gaz ont même énergie

cinétique ; la vitesse des molécules gazeuses sera d’autant plus élevée que leur masse est plus faible. De façon générale, on aura tendance à recourir aux éléments les plus légers (hydrogène, lithium, béryllium, bore, carbone) ; leur intérêt est d’autant plus grand qu’en raison de leur faible rayon ionique ils ont généralement des chaleurs d’oxydation élevées.

La vitesse d’éjection des gaz diminue légèrement lorsque le rapport de leurs chaleurs

spécifiques augmente. Ces remarques sont également valables pour l’impulsion spécifique. Dans les conditions

d’expansion optima (ps=pa), Is est donnée par la relation :

γγ

γγ

1

1.1

21−

��

��

�−

−=

O

SOS p

pTR

gg

I .


51

La détermination de la poussée en fonction des conditions de combustion exigerait une

étude détaillée du processus de transformation de l’énergie calorifique en énergie cinétique. Conformément au principe de la conservation de la matière, les quantités de produits au

même instant les diverses sections de la tuyère sont identiques. En s’appuyant sur ce principe, on peut montrer que le débit massique à travers un section de surface A caractérisée par une pression p possède la valeur :

��

��

�

��

��

�−��

�

��

�=

+γ

γγ

12

..2.

.

OOO

PO

pp

pp

TCJg

gRpA

q

En substituant dans la relation : ( )aSSS ppAvqF −+= . les valeurs obtenues pour vS et q,

F s’écrit : ( ) SaSO

SOC App

pp

pAF −+�

��

−��

�

��

�

+−=

−−+

γγ

γγ

γγγ

111

2

11

21

2.


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ANNEXE 3 : Récapitulatif des principales propriétés des

différentes familles de propergol solide.

Propergol Double base extrudé SD

Double base moulé Epictète

Nitramite E Butalane Butalite Nitramite G Nitralane

Impulsion spécifique maximale

225 s

215 s

230 s

245 s

240 s

245 s avec PA

235 s sans PA

254 s

Masse volumique maximale

1,65 kg/dm3

1,60 kg/dm3

1,70 kg/dm3

1,86 kg/dm3

1,73 kg/dm3

1,79 kg/dm3

1,75 kg/dm3

1,86 kg/dm3

Gamme de vitesse de combustion à 7 Mpa (ou au plateau)

De 5 à 40 mm/s au plateau

De 4 à 22 mm/s

au plateau

De 3 à 28 mm/s au plateau

Large

de 5,5 à 80 mm/s

Large

de 4 à 60 mm/s

Large de 10 5 à 25 mm/s

Réduite de 5 à

10 mm/s

Large de 9 à

25 mm/s

Exposant de pression

Très faible 0

Très faible 0

Faible 0 à 0,2

Modéré 0,2 à 0,4

Modéré 0,3 à 0,5

0,45 à 0,6 0,5 à 0,7

Coefficient de température

Très faible Très faible Faible Faible à modéré

Faible à modéré

Modéré Modéré

Type d’architecture

Libre Libre Libre (possibilité de moulé-coulée)

Libre ou moulé-coulée

Libre ou moulé-coulée

Moulé-coulée Moulé-coulée

Discrétion Primaire et

Secondaire

Primaire et

Secondaire

Primaire et

Secondaire

Indiscrète

Primaire

Primaire et secondaire (sans PA)

Indiscrète

Coût des matières premières

Faible

Faible

Modéré

(hexogène)

Faible

Faible

Modéré (hexogène) ou

assez élevé (octogène)

Assez élevé (octogène)

Coût des procédés mis en œuvre

Faible

Elevé

Elevé

Modéré

Modéré

Modéré

Modéré

Source : Technologie des propergols solides

Les propergols composites, beaucoup plus variés que les homogènes, proposent par leur

diversité des gammes de caractéristiques très large. Ainsi ils ont eu tendance à remplacer leur homologues. Néanmoins les propergols à double base SD se révèle les plus économiques à fabriquer ce qui explique par la suite qu’ils sont toujours utilisés pour des missiles de faible portée où la discrétion est recherchée.


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ANNEXE 4 : L’utilisation de différentes familles de propergols

solides dans des engins militaires et un lanceur spatial.


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ANNEXE 5 : Le brevet FR2 750 421.

Propergols à forte impulsion spécifique comportant des dérivés du furazane.


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ANNEXE 6 : Le brevet FR2 746 389.

Propergol composite, charge propulsive et leurs procédés de fabrication.


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ANNEXE 7 : Le brevet WO9 921 808.

Propergols à base d’oxetane de grande puissance.


61


62


63

ANNEXE 8 : Descriptif des turboréacteur,

statoréacteur et statofusée. Les propulseurs à réactions aérobies utilisent l’air atmosphérique pour fonctionner. La

réaction utilise en fait l’oxygène de l’air nécessaire à la combustion. En supprimant ainsi la charge oxydante du propergol, il est alors possible d’utiliser des masses de charges inférieures.

1) Le turboréacteur est utilisé pour la propulsion d’engins cibles ou d’engins sol-sol à

moyenne ou grande autonomie. Il ne peut atteindre que des vitesses subsoniques, inférieures à la vitesse de propagation du son (de l’ordre de 340 m/s). Ceci le rend facile pour les fusées antiaériennes. A cause de ce principal défaut, il n’est quasiment utilisé que pour des engins de petites tailles, comme ceux appliqués pour la reconnaissance photographique ou télévisée dans le domaine militaire.

2) Le statoréacteur ( Stato pour statique ) est un réacteur très particulier puisqu'il ne

comporte aucune pièce mobile. C'est le plus simple des moteurs que l'on puisse imaginer. Il s'agit simplement d'un cylindre dans lequel on fait brûler un carburant. Il a été développé pour l’aéronautique et la fuséonautique.

Adapté aux hautes vitesses (entre Mach 1 et Mach 5 ), il est utilisé principalement de nos jours à des tâches très spécifiques comme la propulsion de missiles. Il conserve à haute altitude ses caractéristiques.

Le statoréacteur est prévu pour fonctionner à grande vitesse. L'air s'engouffre alors avec une forte pression dans l'entrée d'air, rencontre du carburant pulvérisé par des injecteurs. La combustion qui s'ensuit produit une grande quantité de gaz chauds éjectés avec force à l'arrière du statoréacteur. Une grille est disposée dans la tuyère d'éjection de manière à régulariser la combustion.

Ce moteur est capable de fournir d’importantes poussées à basse vitesse, par l’emploi

d’une fusée éjectant ses gaz dans la tuyère du statoréacteur. En théorie, le statoréacteur n'a pas de vitesse limite, il peut accélérer indéfiniment aussi longtemps qu'il reste de l'oxygène dans l'air. Cependant, il est en pratique limité aux basses vitesses hypersoniques (de l'ordre de Mach 5). Au-delà de cette limite, des hausses de température de l'air absorbé dégradent ses performances.

3) La Statofusée est un moteur alimenté par l'air capté par des prises d'air, et par les gaz

issus de la combustion d'un combustible solide logé dans un générateur de gaz. L'utilisation de statoréacteurs ou de statofusées permet d'aller plus vite et plus loin sans

trop augmenter les masses et les dimensions des missiles. Spécialiste en France et dans le monde de ce type d'engins opérationnels, l'ONERA réalise des études sur la propulsion et l'aérodynamique, ainsi que sur les performances des nouveaux concepts qu'il propose. Les systèmes de propulsion sont testés sur banc d'essai au sol, et l'intégration de tous les concepts est validée lors de tirs en vol.

Ces missiles dépassent en vol de croisière la vitesse de Mach 2, vitesse qu'ils atteignent grâce à un accélérateur intégré à combustible solide (propergol) logé dans la chambre de combustion du système stato.


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Le superstatoréacteur, un statoréacteur puissance 10.

La combustion dans les superstatoréacteurs : Schéma de principe d'un superstatoréacteur

source :site internet

Le superstatoréacteur est un moteur qui fonctionne de Mach 6 à Mach 12 et donc dans le

domaine des vitesses hypersoniques. Comme dans un statoréacteur, la compression s'effectue par simple ralentissement dans l'entrée d'air, mais jusqu'à une vitesse qui reste supersonique à l'entrée du foyer et dans tout le moteur ; d'où le nom de superstatoréacteur ou statoréacteur à combustion supersonique. Les recherches concernent principalement le système d'injection du combustible (de l'hydrogène en général) et le foyer. Elles visent en priorité à optimiser le mélange et la combustion qui doivent être réalisés dans un temps très court, de l'ordre de la milliseconde.

4 )Lexique : Mach, nombre de Mach : Nombre défini par le rapport entre la vitesse d'un objet et celle

du son à une altitude donnée. Mach2, c'est deux fois la vitesse du son, soit 1450 km/h à 10 000 m d'altitude. Mach 12 à 30 km d'altitude correspond environ à une vitesse de 13 000 km/h.

Hypersonique : Se dit d'un véhicule ou d'un écoulement dont la vitesse est supérieure à

Mach 5, soit environ 5500 km/h. Des phénomènes spécifiques caractérisent ce régime (dissociation, ionisation, déséquilibre chimique ou thermique de l'écoulement) et modifient notablement les conditions de vol des véhicules.

Subsonique : Se dit d’un véhicule dont la vitesse est inférieure à la vitesse du son, soit

environ 340 m/s. Supersonique : Se dit d’un véhicule dont la vitesse est supérieure à la vitesse du son. Le

franchissement de cette vitesse produit un son violant, on dit que le véhicule à franchit « le mur du son ».


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ANNEXE 9 : La navette spatiale américaine :

« Space Shuttle ».

source : site internet

1) Des propulseurs à propergol solides externes à la navette, un gain de puissance

considérable La navette était à la base conçue pour être totalement réutilisable. Mais les contraintes

techniques, technologiques et surtout budgétaires ont poussé la NASA a développé une navette à « deux étages » avec des boosters en guise de premier étage et la navette elle-même comme étage principal qui va dans l'espace. Mais, pour gagner en poids, on a mis le réservoir principal a l'extérieur, et c'est le fameux réservoir rouge externe.

Les boosters sont donc des propulseurs d'accélération pour lancer la navette au décollage.

Ils fournissent la majorité de la poussée au décollage. La navette pèse toute seule un peu plus de 100 tonnes, mais avec son réservoir et ses boosters, la navette pèse au décollage plus de 2000 tonnes ! Il faut donc une puissance colossale pour lancer cette masse. A titre de comparaison, Ariane 5 pèse environ 800 tonnes et est une des plus lourdes fusées.

Les boosters de la navette sont les plus grands et les plus puissants construits par

l'industrie spatiale. Après 2 minutes de vol, les boosters sont vides et sont alors largués, puis ralentissent leur descente avec des parachutes pour être récupérés au sol afin d'être expertisés et réutilisés pour des missions suivantes.

2) Le fonctionnement des boosters : une puissance à dompter Les boosters sont d'énormes pétards. C'est une sorte de grand tube remplit d'une poudre

hautement explosive. C'est comme celle des pétards ou des petites fusées de feu d'artifice. L'espèce de tube est remplit de poudre coagulée avec au milieu du booster, un trou pour

que les gaz s'échappent. On allume le booster avec des étincelles par le haut. A ce moment,


66

toute la poudre qui est surface (dans le creux intérieur) s'enflamme et libère des gaz très chauds (plus de 3200°C) éjectés par la base du booster dans une tuyère (sorte de cône) qui guide les gaz afin de pouvoir contrôler la trajectoire de la navette.

L'avantage des boosters est leur simplicité de fonctionnement. Dès qu'il est allumé, il

s'entretient automatiquement jusqu'à extinction à épuisement. Les inconvénients sont aussi très importants : d'une part, il faut que la coque du booster

soit bien étanche, sinon, les gaz sortent à travers le tube et peut provoquer une rupture du booster. Dans le cas de Challenger, la navette qui a explosé le 28 janvier 1986, après 1 min. 13 s. de vol, c'est un joint entre deux segments de booster qui était de mauvaise qualité. Des flammes sont alors sorties et ont commencé à brûler le réservoir central, contenant plusieurs centaines de tonnes d'hydrogène liquide, très hautement inflammable et explosif. La navette explose donc dans un nuage, emportant ses 7 passagers.

Dès le démarrage des boosters, une fumée noire est sortie du booster droit, annonçant

déjà la catastrophe pour les 7 astronautes qui courrait à une mort certaine. Durant 73 secondes, l'équipage courait à la catastrophe qui eût lieu. La commission d'enquête qui étudia la cause de la défaillance mis à jour une grave négligence de la NASA et du concepteur du booster qui considérait que « Jusque là, tout va bien, pas de problèmes… » jusqu'au jour où…

Les deux boosters de la navette vont fournir la majorité de la poussée au décollage (70%).

L'intérêt des boosters pour toute fusée que ce soit est de donner le premier élan en quelques minutes à la fusée. Ensuite, les moteurs principaux suffisent.

Les boosters vont donc développer plus de 1500 tonnes de poussée chacun permettant à

la structure de 2600 tonnes formée par la navette, le réservoir et les boosters de quitter le sol. Important : la composition du combustible du booster et son format étant de la poudre,

rend l'allumage irréversible et le booster ne s'éteint donc qu'après avoir consommer toute sa poudre.

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Comment augmenter les performances d’un propergol