Propulseur à propergol solide - Définition

Description

Schéma d'un propulseur à propergol solide

Un moteur à propergol solide simple est constitué d'une enveloppe, en général en acier, d'une tuyère, de poudre (propergol), et d'un allumeur. Le bloc de poudre est percé par un canal situé généralement dans l'axe, qui sert de chambre de combustion. L'allumeur met le feu à la poudre à une extrémité du canal et la combustion se propage immédiatement sur tout le pourtour du canal. Celui-ci s'élargit progressivement au fur et à mesure de la combustion. La poudre, qui se présente comme une masse solide, brûle avec une vitesse prévisible en produisant des gaz de combustion qui sont expulsés par la tuyère. La dimension de celle-ci est calculée de manière à maintenir la pression souhaitée dans la chambre de combustion tout en produisant la poussée attendue.

Le propergol contient à la fois le combustible et le comburant. D'autres composants sont ajoutés dans des proportions inférieures :

• le liant
• un agent de réticulation
• un catalyseur qui favorise la réaction chimique
• éventuellement un régulateur de combustion

Une fois allumé, un propulseur à poudre composite ne peut plus être arrêté, car la chambre de combustion contient tous les composants permettant d'entretenir le processus de combustion. Les propulseurs les plus sophistiqués permettent non seulement d'orienter la poussée mais peuvent également être éteints puis rallumés en modifiant la géométrie de la tuyère et en utilisant des évents. Il existe également des pulsoréacteurs qui brûlent par segments et qui peuvent être rallumés à la demande.

Les propulseurs modernes peuvent comporter une tuyère orientable pour le guidage, de l'avionique, un système de récupération (parachute), des mécanismes d'auto-destruction, un générateur auxiliaire d'énergie ainsi que des moteurs contrôlant l'orientation de la fusée.

Enveloppe

L'enveloppe du propulseur à propergol solide doit être conçue pour résister à la pression et aux sollicitations du moteur-fusée à de très hautes températures. Pour sa conception, l'enveloppe doit être vue comme un récipient sous pression. L'enveloppe peut être construite dans plusieurs types de matériaux. Pour résister à la pression les propulseurs les plus puissants sont construits en acier. Les enveloppes des propulseurs plus performants (rapport masse à vide/masse au décollage) sont construits en fibre de carbone. Sur les propulseurs les plus puissant, l'enveloppe est constituée de plusieurs segments pour permettre le chargement de la poudre segment par segment. La liaison entre segments est un point faible de l'enveloppe, qui doit être conçue pour résister à la fois à la pression et à de très fortes températures.

Pour protéger l'enveloppe des gaz chauds et corrosifs, une protection thermique ablative est souvent posée sur la paroi interne de l'enveloppe. Entre cette protection et le bloc de poudre, un lieur (liner) solidarise le bloc de poudre et l'enveloppe.

Géométrie du bloc de poudre

C'est la surface du bloc de poudre exposée dans la chambre de combustion qui est brûlée. En conséquence, la géométrie du canal qui traverse le bloc joue un rôle important dans la puissance du propulseur. Au fur et à mesure de la combustion, la forme du canal évolue, modifiant la superficie du bloc de poudre exposée à la combustion. Le volume de gaz généré (et donc la pression) dépend de la superficie instantanée A_s (m²), et de la vitesse de combustion b_r (m/sec) :

La forme de la section du canal et son centrage sont spécifiques à chaque propulseur. Pour un même propulseur la forme de la section peut également différer dans le sens longitudinal (ainsi, les propulseurs d'Ariane 5 ont un canal en étoile dans le segment haut et un canal de forme circulaire pour les deux autres segments). Les géométries les plus couramment utilisées dépendent de la courbe de poussée souhaitée :

Canal cylindrique

C-Slot

Moon Burner

Finocyl à 5 branches

• Canal circulaire : produit une courbe de poussée d'abord croissante puis décroissante.
• Combustion à l'extrémité du bloc : la poudre brûle à l'extrémité du cylindre, fournissant un temps de combustion très long mais avec des contraintes thermiques difficiles à gérer et un déplacement du centre de gravité.
• C-Slot : le canal comporte de grands coins coupés le long de son axe, ce qui permet de produire une longue poussée décroissante mais avec des contraintes thermiques et une asymétrie du centre de gravité.
• Moon Burner : le canal excentré produit une combustion longue d'abord croissante puis décroissante, qui présente une légère asymétrie du centre de gravité.
• Finocyl : le canal a la forme d'une étoile, généralement à cinq ou six branches, qui permet de produire une poussée pratiquement constante avec une vitesse de combustion un peu plus rapide que dans la cas d'un canal cylindrique du fait d'un accroissement plus rapide de la surface de combustion.