Rapport d'ergols liquides

[Stratespace]

Bonjour à tous,

j'en fais appel aux amateurs éclairés en propulsion. Il semblerait que régulièrement, pour augmenter l'Isp de certains moteurs, les proportions stœchiométriques des ergols liquides ne soient pas respectées dans les chambres à combustion. D'un côté, je comprends le besoin d'alourdir la masse des particules éjectées en surdosant le carburant, mais:
1) La conservation de la quantité de mouvement (à la base de l'accélération de la fusée) ne serait pas plus efficace en accélérant ces particules avec leur pendant en comburant ?

D'un autre côté, il semblerait que certains moteurs aient besoin d'une fine pellicule d'ergol (carburant ou comburant) entre les flammes et les tuyères pour refroidir ces dernières. Mais:
2) Le réchauffage du carburant (et plus rarement du comburant) dans la paroi des tuyère n'est-il pas suffisant pour les refroidir ?
3) Cet ergol en sur-quantité qui sert de pellicule (en général le comburant) est-il brulé en post-combustion dans la tuyère ou ces moteurs impliquent forcément que l'ergol en surnombre soit celui de cette pellicule ?

Merci d'avance pour vos lumière, parce que je n'ai pas encore réussi à bien comprendre les choix des rapports non-stœchiométriques entre ergols.

[cosmiste]

Un élément de réponse : subtile alchimie de 3 paramètres principaux :

rapport stoechiometrique LOX-kerosene >3,4, en pratique on utilise toujours un rapport de 2,3 à 3
rapport stoechiometriquie LOX -LH2 = 8, en pratique on est sur 4 à 6

Autre paramètre le refroidissement et la métallurgie qui limite la température.

[David L.]

Un élément de réponse : subtile alchimie de 3 paramètres principaux :

rapport stoechiometrique LOX-kerosene >3,4, en pratique on utilise toujours un rapport de 2,3 à 3
rapport stoechiometriquie LOX -LH2 = 8, en pratique on est sur 4 à 6

Autre paramètre le refroidissement et la métallurgie qui limite la température.

Intéressant. De quel livre est-ce extrait ?

[Stratespace]

J'ai la même question ?
Sinon, le mixture ratio n'a rien à voir avec le rapport stoechiometrique. C'est uniquement le rapport de masse entre comburant et carburant. Par exemple, le mixture ratio du RP-1 qui correspond à un rapport stoechiométrique de 1 vaut 2.35, ce qui est à peine différent de la vitesse max de ton graph de gauche (pourquoi c'est pas pile 2.35 sur ton graph ?).
De plus, le fait que ça soit le LOX et pas le fuel qui soit en surplus semble en contradiction avec ça: https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_propellant#Mixture_ratio
Bref, je ne comprends pas pourquoi le "mixture ratio" optimal n'est pas constant, mais varie en fonction de la pression de la chambre: http://www.braeunig.us/space/comb-OH.htm

[Henri]

...Sinon, le mixture ratio n'a rien à voir avec le rapport stoechiometrique. C'est uniquement le rapport de masse entre comburant et carburant. Par exemple, le mixture ratio du RP-1 qui correspond à un rapport stoechiométrique de 1 vaut 2.35, ce qui est à peine différent de la vitesse max de ton graph de gauche (pourquoi c'est pas pile 2.35 sur ton graph ?).
De plus, le fait que ça soit le LOX et pas le fuel qui soit en surplus semble en contradiction avec ça: https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_propellant#Mixture_ratio
Bref, je ne comprends pas pourquoi le "mixture ratio" optimal n'est pas constant, mais varie en fonction de la pression de la chambre: http://www.braeunig.us/space/comb-OH.htm

Bon clarifions : le rapport O/F stœchiométrique pour la combustion d'une chaîne genre alcane en [-CH₂-]_n est facile à calculer, 2 O par C et 1 O pour 2 H (je néglige les 2 H en bouts de chaine). D'où 48 g d'oxygène pour 14 g d'alcane. Ça nous donne un rapport O/F stœchiométrique de 48/14 ~ 3,4 (pas de confusion possible avec le nombre stœchiométrique de chaque espèce chimique engagé dans une réaction qui est un entier naturel ou une fraction sans dimensions, par exemple dans la réaction 2H₂+O₂->2H₂O les nombres stœchiométriques sont respectivement 2, 1 et 2).
Pour le LOX et le LH2 c'est encore plus simple : 16 g d'O pour 2 g d'H cad 8
Dans les graphiques donnés par Cosmiste, les maximums de vitesse d'éjection (~Isp) correspondent à des rapports O/F plus faibles que les rapports O/F stœchiométrique, cad avec moins d'oxygène que ce qui serait nécessaire pour intégralement brûler le carburant et non pas en excès de comburant ! Tu interprètes mal les graphiques, la proportion d'oxygène augmente de la gauche vers la droite et les rapports O/F stœchiométrique sont à droite des max d'Isp...
Enfin le lien que tu donnes concerne les raisons structurelles ou aérodynamiques qui poussent à ne pas chercher le rapport O/F qui correspond au maximum d'Isp et ne réponds pas à ta question sur l'influence de la pression sur le rapport optimal.
Là la réponse est un peu plus subtile :
Pour simplifier, une réaction chimique du style A + B -> C est en fait un équilibre entre les deux membres de l'équation dont la position dépend de la température et de la pression (la température pour des raisons de dissociation de la vapeur d'eau par exemple). Pour l'influence de la pression : "si la pression s'élève, un équilibre chimique qui présente des gaz dans ses produits ou réactifs verra la réaction qui consomme le plus de gaz (et donc en produit le moins) favorisée. L'équilibre va évoluer dans le sens de la diminution des phases gazeuses (si elles existent)"
Jette un coup d’œil sur cette page de Wikipedia : https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9placement_d'%C3%A9quilibre_r%C3%A9actionnel
dont j'ai extrait cette citation.
En pratique c'est très compliqué car ces réactions génèrent de manière transitoires des foules de radicaux libres ou d'espèces chimiques (CO, HO, etc...)

[cosmiste]

Intéressant. De quel livre est-ce extrait ?

c'est "Rocket and spacecraft propulsion"Martin JL Turner

page 101 dans la 3éme édition

[BBspace]

D'où des grosses différences de couleur de flamme entre des lanceurs utilisant pourtant les mêmes ergols à la base (oxygène/hydrogène) comme par exemple les moteurs du Shuttle et ceux de Delta IV ?

[Henri]

D'où des grosses différences de couleur de flamme entre des lanceurs utilisant pourtant les mêmes ergols à la base (oxygène/hydrogène) comme par exemple les moteurs du Shuttle et ceux de Delta IV ?

Les RS-68 de la Delta IV sont optimisés pour travailler dans l'atmosphère (divergents courts), tandis que les SSME étaient un compromis entre le fonctionnement dans l'atmosphère et dans le vide...

[cosmiste]

D'où des grosses différences de couleur de flamme entre des lanceurs utilisant pourtant les mêmes ergols à la base (oxygène/hydrogène) comme par exemple les moteurs du Shuttle et ceux de Delta IV ?

Les RS-68 de la Delta IV sont optimisés pour travailler dans l'atmosphère (divergents courts), tandis que les SSME étaient un compromis entre le fonctionnement dans l'atmosphère et dans le vide...

Les RS 68 sont en plus particuliers car avec des tuyéres à refroidissement ablatif et non a circulation comme les autres moteurs cryo type SSME, vulcain,.... Donc le carbone et la résine phénolique qui brûle participent à la couleur orangée du flux.

[Giwa]

Les RS-68 de la Delta IV sont optimisés pour travailler dans l'atmosphère (divergents courts), tandis que les SSME étaient un compromis entre le fonctionnement dans l'atmosphère et dans le vide...

Les RS 68 sont en plus particuliers car avec des tuyéres à refroidissement ablatif et non a circulation comme les autres moteurs cryo type SSME, vulcain,.... Donc le carbone et la résine phénolique qui brûle participent à la couleur orangée du flux.

Merci ! J'ai la réponse à ma remarque que j'ai fait sur la traînée orangée qui suit la Soyouz sur un autre sujet:

 Lancement Soyouz-U / Progress MS-05 - 22 février 2017 

Lancement impeccable! Bravo à Roscosmos  
Tiens,  je n'avais pas remarqué que les flammes des gaz d'éjection étaient bicolores : des flammes courtes blanches très brillantes suivies d'une traînée rosée...??

[Space Opera]

Merci ! J'ai la réponse à ma remarque que j'ai fait sur la traînée orangée qui suit la Soyouz sur un autre sujet

Ah bon, le RD-107 a un refroidissement par ablation de carbone ?

[Giwa]

Merci ! J'ai la réponse à ma remarque que j'ai fait sur la traînée orangée qui suit la Soyouz sur un autre sujet

Ah bon, le RD-107 a un refroidissement par ablation de carbone ?

D'accord , j'ai fait une confusion.  :pale:

 Bien, il va falloir rechercher une autre explication à la couleur rose-orangée de la traînée des gaz de combustion. :scratch:

[Giwa]

Une hypothèse : les gaz de combustion - correspondant à une combustion incomplète vu le ratio O/F inférieur aux conditions stœchiométriques - contienne à la sortie des tuyères du monoxyde de carbone CO  qui pourrait s'enflammer au contact du dioxygène de l'atmosphère .
C'est d'ailleurs la présence de ce monoxyde de carbone de masse moléculaire 28 g/mol inférieure à celui du CO₂ de 44 g/mol qui permet une vitesse d'éjection plus grande malgré une réaction de combustion moins énergétique à condition de ne pas trop réduire ce rapport O/F (mixture ratio) et de  passer sous l'optimum vers O/F#2,4

 Mais , bon il y a d'autres explications possibles!

[Space Opera]

Les interactions chimiques avec l'atmosphère ne changent pas grand chose, puisque lorsque la réaction a lieu il est déjà trop tard pour se servir de la surface de la tuyère pour transformer cette réaction en énergie cinétique.

[Giwa]

Les interactions chimiques avec l'atmosphère ne changent pas grand chose, puisque lorsque la réaction a lieu il est déjà trop tard pour se servir de la surface de la tuyère pour transformer cette réaction en énergie cinétique.

Bien sûr que cette post-combustion ne peut servir à augmenter la vitesse d'éjection des gaz puisqu'il n'y a plus contact avec la paroi de la tuyère , mais c'est un indice de la présence de monoxyde de carbone à la sortie de celle-ci  qui réagira en suite avec le dioxygène de l'air pour se transformer en dioxyde de carbone par une réaction exothermique.

Ce qu'en quoi la  formation de monoxyde au lieu de dioxyde de carbone permet une vitesse d'éjection plus grande , c'est par l’abaissement de la masse molaire moyenne des gaz de combustion . On utilise ceci aussi bien pour la combustion du kérosène avec le LOX que pour celui de LH2   avec ce même LOX en travaillant avec un excès de kéro ou de LH2  . Toutefois on ne peut augmenter indéfiniment ces excès de réducteurs par rapport à l'oxydant car la réaction de combustion produit de moins en moins d'énergie et la température des gaz diminue . il y a donc un optimum à rechercher pour le "mixture ratio ".

Un bon propergol liquide sera caractérisé par une impulsion spécifique élevée, et la vitesse d’éjection des gaz sera le facteur déterminant pour en déterminer l’efficacité. Ainsi, puisque la vitesse d’éjection dépend de la température de combustion T₀ et de la masse molaire M des gaz produits, l’efficacité d’un propergol sera d’autant plus grande que T₀ sera élevée et M faible.

http://argoth.free.fr/ariane_propulsion3.htm

[Giwa]

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_propellant#Mixture_ratio
En pratique c'est très compliqué car ces réactions génèrent de manière transitoires des foules de radicaux libres ou d'espèces chimiques (CO, HO, etc...)

Effectivement pour une explication plus approfondie , on trouve ce qu'il faut sur ce site pour rendre compte pourquoi on obtient une vitesse d'éjection plus élevée avec un rapport de mélange  réducteur /oxydant (mixture ratio F/O) plus grand que le mélange stœchiométrique aussi bien dans le cas H₂ /O₂ que kérosène/O_{2 .} Dans le premier cas , on retrouve dans les gaz de combustion en plus de H₂O un excès de H₂ et dans le le second en plus du dioxyde de carbone CO₂ du monoxyde de carbone CO .   Ces molécules  H₂ ou CO contiennent moins d'atomes que les autres molécules des gaz de combustion  H₂O ou CO₂   et emmagasinent moins d'énergie thermique de leurs molécules sous forme rotationnelle et vibratoire   qui sont reconverties  plus rapidement - de l'ordre de la microseconde- dans la tuyère en énergie cinétique de translation, d'où une vitesse d'éjection plus grande. 
En effet c'est ce phénomène qui explique que  le mélange stœchiométrique n'est pas celui qui permet la plus grande vitesse d'éjection Ve car en première approximation cette vitesse d'éjection est égale au rapport de la racine carrée de la température de combustion Tc par la masse molaire moyenne M soit Ve =Tc^1/2 / M et il se trouve que Tc^1/2 décroit tout de même plus vite que M quand on s'éloigne du rapport stœchiométrique pour un excès de réducteur.
Finalement l'explication n'est pas simple , mais soyons pragmatiques , le résultat est là : la vitesse d'éjection la plus grande n'est pas celle du mélange stœchiométrique , mais a lieu pour un certain excès en réducteur à déterminer expérimentalement .

[Space Opera]

Quelles sont les différentes formes de stockage d'énergie thermique pour une molécule qui garde son intégrité ?
Vibratoire, rotationnelle (les liaisons chimiques tournent ou c'est la molécule qui tourne ?), vitesse propre, ... il y en a d'autres ?

[Giwa]

Quelles sont les différentes formes de stockage d'énergie thermique pour une molécule qui garde son intégrité ?
Vibratoire, rotationnelle (les liaisons chimiques tournent ou c'est la molécule qui tourne ?), vitesse propre, ... il y en a d'autres ?

Les réponses à tes questions se trouvent dans ces sites :

http://unt-ori2.crihan.fr/unspf/2009_Limoges_Trouillas_Chap2StructureMolecules/co/02%20biophy-2009%20v1.html
Spectroscopie rotationnelle

Les liaisons chimiques ont très peu d'inertie puisque constituées d'électrons ; donc l'énergie cinétique est emmagasinée dans les déplacements de l'ensemble des noyaux atomiques de la molécule ou des mouvements relatifs des noyaux atomiques de cette molécule les uns par rapport aux autres .

Pour des molécules dipolaires comme CO ou H₂ ,les modes vibratoires sont simples et correspondent à une oscillation le long des liaisons centrales . 
monoxyde de carbone

,l'isomère de résonance ^–C≡O⁺ est la forme prédominante

Les modes rotationnels se font sur trois axes orthogonaux dont un selon l'axe des liaisons centrales sigma entourées par les liaisons pi
Liaison triple 

 Evidemment c'est la mécanique quantique qui y règne et tout çà est quantifié !

[Giwa]

Comme déjà dit, le plus simple , c'est d'être pragmatique et de déterminer expérimentalement le meilleur rapport de mélange(mixture ratio)

Bien sûr il est étonnant que ce rapport ne correspond pas au mélange stœchiométrique , mais à un mélange avec un excès en L H₂ ou kérosène  par rapport au LOX.

Pour expliquer cela , il faut analyser de plus près les relaxations thermiques des molécules majoritairement présentes dans les gaz de combustion qui sont H₂O et H₂ ou H₂O, CO₂ et CO. On remarque que certaines sont triatomiques et d'autres diatomiques. 
Or la théorie explique que des molécules diatomiques comme H₂ ou CO atteignent plus vites l'équilibre thermique que des  molécules triatomiques
comme   H₂O et CO₂
Gaz diatomiques    Gaz triatomique