Principe de Propergol

I°) Généralités

Un propergol est un produit de propulsion, constitué d'un mélange de comburant et de combustible, les ergols. La réaction chimique, entre cet oxydant et ce réducteur, fournira l'énergie au moteur-fusée. Les constituants peuvent se présenter à l'état de gaz, de liquide, de solide ou de plasma.

II°) Typologie

- Monergol et Catergol : Un monergol est un ergol de formation souvent endothermique, qui a la propriété de se suffire à lui-même pour assurer la réaction chimique, comme l'hydrazine. Lorsque la présence d'un catalyseur est nécessaire, il porte alors le nom de catergol.

- Diergol ou Biergol: Un propergol est dit diergol, ou biergol, lorsqu'il est constitué de deux ergols stockés séparément. C'est le cas de la plupart des propergols liquides.

III°) Etat
III-1°) Propergol Solide

Un propergol solide, ou poudre, est un produit métastable : il est à l'état solide stable à température ordinaire, et instable à température élevée. Il peut être soit homogène comme la nitrocellulose, soit hétérogène avec un combustible finement disséminé dans la masse du comburant.

Un propergol solide homogène a une combustion à impulsion spécifique faible.

Pour améliorer les performances des propergols solides, une technique consiste à incorporer une faible quantité de produit explosif.

Les propergols solides offrent l'avantage d'être stables et facilement entreposables, mais possèdent l'inconvénient majeur de ne pas pouvoir en arrêter la combustion, une fois celle-ci commencée.

Pour pallier cet inconvénient, l'explosif solide destiné à la propulsion est extrudé encore pâteux en cordons, puis tronçonné en fines plaquettes ou fins granules avant leur solidification par évaporation des solvants. L'autre forme est celle d'une poudre compactée, dont les granules peuvent se détacher sur une surface de combustion relativement régulière.

Pour les formes avancées comme les propergols solides des gros lanceurs d'appoints des fusées, ils sont coulés encore liquide dans le bloc propulseur où ils sont solidifiés en fines couches successives régulières, ou bien ils sont produits de façon plus traditionnelle sous forme de blocs de poudre compactée. En fin de combustion du bloc propulseur, la combustion n'est plus aussi régulière (surtout sous la forme de poudre compactée) et le bloc propulseur qui produit des vibrations importantes doit être éjecté avant que le bloc restant de propergol solide ne se fragmente en morceaux importants qui explosent brutalement au sein même de la chambre de combustion, ce qui pourrait être dangereux pour le reste de la charge transportée si l'enveloppe du propulseur ne reste pas étanche.

Cependant, s'ils sont utilisés en explosifs (pour le génie civil, la démolition ou l'extraction minière) et destinés alors à être entièrement consumés en une seule fois, les propergols solides sont conditionnés soit en petits blocs sous forme pâteuse ductile (forme dangereuse à manipuler, et non destinée aux charges explosives importantes), soit sous la forme de bâtons pré-calibrés prêts à l'emploi, dans un emballage protecteur, non conducteur et étanche à la fois aux solvants contenus ainsi qu'à l'air et l'environnement pour lesquels ils sont destinés.

III-2°) Propergol liquide

En astronautique, on appelle propergol liquide tout système chimique composé d'un ou plusieurs ergols stockés à l'état liquide pour produire, par décomposition ou par combustion, un mélange gazeux dont la détente à travers une tuyère fournit une force de poussée. De tels propergols ne permettent pas d'atteindre des vitesses très élevées mais offrent une poussée suffisante pendant le temps nécessaire pour s'affranchir de la pesanteur et placer des charges utiles en orbite. Ils sont donc couramment utilisés pour fournir l'impulsion nécessaire au décollage des lanceurs et pour les manœuvrer dans l'espace.

- L'Impulsion Spécifique
Notée Isp et mesurée en secondes, l'impulsion spécifique indique la durée pendant laquelle une masse d'un kilogramme de propergol peut fournir une force de poussée d'un kilogramme-force, soit 9,806 65 N :

Fprop=g0.m.Isp d'ou Isp=Fprop/go.m
avec:
Isp= Impulsion Spécifique exprimée en secondes (s)
Fprop= la force de poussée du propergol mesurée en Newtons
g0= l'accélération de la gravité moyenne au niveau du sol (pesanteur normale) soit 9,806 65 m/s
m= débit massique d'éjection des gaz d'échappement mesurée en kilogrammes par secondes (kg/s)

Cette équation souligne que, à poussée égale, l'impulsion spécifique sera d'autant plus élevée que le débit massique sera faible, ce qui signifie qu'on privilégiera des ergols dont les produits de combustion ont une masse molaire faible.

L'impulsion spécifique n'est pas une grandeur absolue d'un propergol, mais dépend des performances du moteur-fusée, et tout particulièrement de la pression atteinte dans la chambre de combustion, qui peut affecter les performances du système de 10 à 15 %. Elle dépend également de la détente des gaz d'échappement dans la tuyère, dont la géométrie doit être optimale pour maximiser la poussée, et elle dépend donc aussi de la pression à l'extérieur de la fusée : l'impulsion spécifique est maximale dans le vide, mais est inférieure de près de 15 % au décollage au niveau de la mer.

Dans la littérature, les valeurs d'impulsion spécifique sont données dans le vide et dans les conditions thermodynamiques idéales, de sorte qu'elles constituent des bornes supérieures auxquelles les valeurs pratiques sont généralement inférieures de 5 à 10 %.

- Vitesse d'éjection des gaz d'échappement

Dans la mesure où le rapport de la force de poussée au débit massique est égal à la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, on peut également exprimer l'impulsion spécifique d'un propergol au moyen de la vitesse d'échappement, exprimée en mètres par seconde, selon l'égalité :

ve=Fprop/m=go.Isp
avec
Ve= Vitesse d'éjection des gaz d'échappement exprimée en m/s
g0= la pesanteur normale soit 9.806.65 m/s²
Isp=Impulsion spécifique mesurée en secondes

- Fraction massique du propergol, delta V densité d'impulsion

On appelle fraction massique du propergol le rapport entre la masse finale du lanceur (après combustion du propergol) et sa masse initiale (avec le propergol avant sa combustion) :

fmass= 1-(Mprop/M0)
avec
fmass: la fraction massique du propergol consommé exprimée en Kg
mpop: la masse de propergol consommé mesurée en Kg
M0:  la masse initiale de l'engin spatial (avec le propergol consommé)mesuré en Kg
C'est une grandeur qui dépend à la fois de la conception du lanceur et de la masse volumique du propergol employé.

- Delta V

Par ailleurs, on désigne couramment par « delta V » le surcroît de vitesse imprimé à un engin spatial par la combustion d'une quantité donnée de propergol. En l'absence de champ de gravité et de frottements, l'équation de Tsiolkowski permet d'exprimer simplement le delta V à partir de la fraction massique du propergol :

avec
Deltav: la variation de vitesse de l'engin spatial exprimée en m/s
Ve: La vitesse d'éjection des gaz d'échappement mesurée en m/s
Mplein: la masse de l'engin spatial au décollage mesurée en kg
Mvide: la masse hors propergol de l'engin spatial mesurée en kg
On voit clairement avec cette expression que, pour maximiser le delta V, il faut :

- utiliser un propergol qui permette d'éjection des gaz d'échappement à une vitesse ve aussi élevée que possible
- maximiser le rapport Mplein / Mvide, ce qui signifie :
         

- construire un astronef aussi léger que possible
            - utiliser un propergol aussi dense que possible

Le delta V dépend donc à la fois de la masse du véhicule spatial et des qualités intrinsèques (masse volumique et vitesse d'éjection) du propergol utilisé.

- Densité d'impulsion

La masse volumique apparente du propergol étant une donnée aussi déterminante que son impulsion spécifique, on définit l'impulsion-densité (ou densité d'impulsion) comme le produit de ces deux grandeurs :

Id=Dprop.Isp
avec
Id: Impulsion densité exprimée en s kg m^-3
dprop: la masse volumique apparente du propergol mesurée en kg/m³
Isp: impulsion spécifique mesurée en secondes

- Qualités d'un propergol liquide
Hypergolique / non-hypergolique
On qualifie d'hypergolique un couple d'ergols qui, lorsqu'ils sont mis en contact l'un avec l'autre, autocatalysent leur propre oxydoréduction : la combustion s'initie spontanément, sans qu'il y ait besoin d'un système d'allumage, ce qui simplifie la réalisation du moteur-fusée. La fiabilité de la propulsion s'en trouve améliorée, car il devient possible de contrôler la poussée à l'aide de deux valves (une par ergol) sans devoir recourir à des systèmes de contrôle d'allumage complexes et fragiles. De plus, la nature même des ergols empêche qu'ils ne s'accumulent sous forme d'un mélange explosif à l'origine de surpressions dommageables au moment de l'allumage (hard start). En contrepartie, de tels hypergols sont généralement dangereux à manipuler en raison de leur grande réactivité chimique.

Cryogénique / stockable
On qualifie de cryogénique un propergol dont l'un au moins des ergols doit être maintenu à une température inférieure à −150 °C, température à partir de laquelle certains gaz de l'air se condensent à pression ambiante. De tels propergols sont généralement très performants mais ne peuvent être utilisés qu'au décollage depuis la Terre, car ils ne peuvent être maintenus longtemps à la température requise une fois chargés dans le lanceur. C'est tout particulièrement le cas de l'hydrogène liquide, qui commence à s'évaporer dès qu'il est en réservoir.

À l'opposé, les propergols stockables peuvent être maintenus liquides sur de longues périodes de temps sans nécessiter d'installations particulières pour les conserver.

3°) type de propergols
- A-stoff: Oxygène O² liquide
- B-stoff Hydrate d'hydrazine N2H4H2O ou (75% d'éthanol H3C-CH2O+25% eau H2O)
- C-stoff 57 % méthanol CH3OH+43% hydrate d'hydrazine N2H4H2O
- M-stoff  Méthanol CH3OH
- N-stoff Trifluorure de chlore ClF3
- R-stoff 57% xylidine H2N-C6H3(CH3)2+ 43%triehylamine N(CH2CH3)3
- S-stoff (90-97% acide nitrique HNO3 + 3-10% acide sulfurique H2SO4) ou perchlorate de fer (FeCl3)
- Sv-stoff 85-90% acide nitrique HNO3+ 10-15% acide sulfurique H2SO4) ou (95% acide nitrique HNO3 + 5% peroxyde d'azote N2O4)
- T-Stoff 72-75% peroxyde d'hydrogène H2O2 + 18-19% eau H2O+ 5-10% (8-hydroxyquinoléine +phosphate de sodium Na3Po4+Acide phosphorique H3PO4) hypergolique avec C-stoff