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 Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP

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Thierz
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MessageSujet: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyMar 31 Mar 2009 - 22:30

Je cherche un moyen de vulgariser tous les paramètres rentrant en ligne de compte pour l'accès à l'orbite terrestre... Et pour l'instant, je me heurte au plus gros des obstacles, qui est ma propre incompréhension de tout un tas de choses, et en particulier la relation (que j'imagine complexe) entre un moteur (chimique en l'occurrence), ce qu'il brûle, et l'efficacité de tout ça à savoir l'ISP.

Il faut bien comprendre, avant de lire la suite, que je suis peut-être à côté de la plaque sur toute la ligne, et que mes questions n'ont peut-être aucun sens. C'est pourquoi je vais commencer par vous donner mes hypothèses telles que je les conçois, n'hésitez pas à me dire si j'ai déjà tout faux sur les hypothèses. Allons-y...

Je crois comprendre que l'ISP définit principalement l'efficacité du moteur en lui-même, mais j'ai l'impression que la conception même d'un moteur est très liée au propergol qui sera utilisé. Un moteur d'ISP = n, construit pour un propergol donné, pourrait-il fonctionner avec un autre propergol ? Dans ce cas, gardera-t-il son ISP = n ? Dans le cas contraire, est-ce que ça signifie que l'ISP est également du ressort du propergol ? Peut-on trouver des écarts énormes sur l'ISP de deux moteurs différents qui consomment le même propergol ?

Voilà, je pense que j'ai réussi à exprimer mon incompréhension et mes questions du mieux que je pouvais. J'espère que vous aurez la patience de démêler tout ça et de m'éclairer, merci d'avance !

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Luckyfox


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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyMar 31 Mar 2009 - 23:05

D'autres plus pointus dans le domaine vont surement plus détailler que moi, mais je me lance Very Happy
L'ISP permet de comparer tous les moyens de propulsion quelque soit leur technologie (Hydrogéne/oxygéne, oxygéne/kérozéne, ionique...)
Pour faire simple, ISP (ou impulsion spécifique) correspond au temps (en secondes) durant lequel 1Kg de propergol permet de maintenir une poussée de 1 Kg (9.81... N). Multiplié par l'accélération de la pesanteur, l'ISP permet également de calculer la vitesse d'éjection des gaz du moteur.
La réaction chimique à l'origine de la poussé donne un ISP théorique, ensuite la technologie du moteur (là on parle du design mécanique) conduit à un ISP réel.
L'isp correspond donc bien à l'efficacité du moteur mais elle est lié au propergol utilisé. On trouve donc des écart entre les moteurs qui utilisent pourtant le même propergol.
Par contre comme tu le dit, la conception mécanique d'un moteur est très lié au propergol utilisé. Il n'est donc pas possible d'utiliser un même moteur (sans modification en profondeur) avec des propergols différents de ceux pour lesquels il a été conçu.


Dernière édition par Luckyfox le Mer 1 Avr 2009 - 15:05, édité 1 fois
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Thierz
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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyMer 1 Avr 2009 - 1:07

Merci pour cette réponse, c'est très clair (+1 point de réputation Wink). Ca me fait soulever d'autres questions. Par exemple, j'ai fait une petite vérif, et sur cette page qui parle du mélange LOX/LH2, je lis :

http://www.astronautix.com/props/loxlh2.htm a écrit:
Propellant Formulation: LOX/LH2. Optimum Oxidizer to Fuel Ratio: 6.00. (...) Isp (sl): 391. Isp (vac): 451.
Puis plus bas, dans les exemples de moteurs utilisant ce propergol :
http://www.astronautix.com/props/loxlh2.htm a écrit:
AMPS-1, Thrust(vac) = 80032 kN, ISP = 468 s
L'ISP affichée par ce moteur (d'autres dans la liste sont dans ce cas) est plus grande que l'ISP théorique du mélange, comment est-ce possible ? L'ISP est-elle dégradée si l'on n'utilise pas le bon ratio carburant/comburant ?

Enfin, qu'est-ce qui change tant entre les propergols pour qu'il soit si dur d'en utiliser plusieurs différents dans un moteur ? J'imagine que la température de la combustion est déterminante, mais qui peut le plus peut le moins, non ? Un moteur qui résiste à x°C pourra résister à y°C si y < x, donc je me demande quels autres critères font qu'il est ardu d'utiliser un moteur multi-propergols ?

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Luckyfox


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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyMer 1 Avr 2009 - 14:24

Bonne question, Wink J'ai écris une erreur que vais corriger
Luckyfox a écrit:

La réaction chimique à l'origine de la poussé donne un ISP théorique, ensuite la technologie du moteur (là on parle du design mécanique) conduit à un ISP réel qui est forcement plus faible que le théorique.
Cette affirmation est fausse je pense...
L'ISP correspond à la vitesse d'éjection des gaz issus de la réaction. La réaction chimique du propergol donne une vitesse d'éjection des gaz. La mesure expérimentale de cette vitesse permet d'avoir l'ISP théorique de la réaction (on peut certainement la calculer aussi).
http://www.hq.nasa.gov/pao/History/conghand/propelnt.htm

Dans le cas d'un moteur fusée, la vitesse d'éjection des gaz est lié à la réaction chimique mais aussi au design du moteur (chambre de combustion, tuyère..). Le couple pression/température au col de la tuyère ainsi que la masse molaire du gaz de combustion éjecté vont déterminer la vitesse d'éjection des gaz de combustion. On peut donc en conclure que l'ISP augmente avec une pression et/ou une température élevée et une masse molaire du gaz faible. La pression dans la chambre de combustion est aujourd'hui d'environ 100~150bar. La température (énergie thermique qui sera converti en énergie cinétique par la tuyère du moteur) dépend de l'énergie de la réaction chimique (type de propergol et ratio entre les ergols), tout comme la masse molaire des gaz échappements.
Dans le cas des moteurs LOX/LH2 le rapport est d'environ 1/5~1/6. Le rapport optimal pour le LOX/LH2 semble être 1/6 d'après ton lien.
Lors du fonctionnement d'un moteur LOX/LH2, les gaz rejetés contiennent des molécules eau (H2O) issues de la réaction, mais aussi beaucoup de molécules de H2 du fait que le mélange de combustion est très riche en H2. La masse molaire des gaz éjecté est donc très faible ce qui permet au moteur LOX/LH2d'avoir un bon ISP. Par ailleurs, il me semble avoir lu quelque part que ce ratio permet aussi de s'assurer que les gaz de combustion sont bien réducteurs (s'ils étaient oxydants ils dégraderaient la tuyère et la chambre de combustion).

Pour ce qui est de la conception spécifique des moteurs à un propergol, dans le cas du LOX/LH2, les températures c'est -183°C pour le LOX et -250°C pour LH2, les turbo pompes sont donc adaptées aux conditions thermiques de ce type de propergol (froid extrême coté amont, et température élevée de l'autre coté). De plus le ratio de combustion est spécifique à un propergol (1/6 pour le LOX/LH2 alors que c'est 1/2,3 pour le LOX/kérozéne), le régime des turbo-pompe changent en fonction du propergol..
Autre point, dans le cas des moteur LOX/LH2, le LH2 participe au refroidissement du moteur (c'est les tuyauteries visibles sur la tuyère du moteur vulcain d'Ariane 5 ou sur les SSME de la navette), si tu remplace le LH2 par un autre carburant il faut revoir le refroidissement...
Au niveau de la chambre de combustion les formes de ne sont pas les mêmes, les injecteurs sont spécifiques à un ergols... etc...

Le lien en dessous te donnera plus de détail sur les différents type de moteurs...
https://www.forum-conquete-spatiale.fr/propulsions-et-lanceurs-f18/question-sur-moteur-fusee-t1162.htm

J'espère que cette fois c'est un peu clair...
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Thierz
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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyMer 1 Avr 2009 - 22:26

Super explication, merci beaucoup !

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sélénite


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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyJeu 2 Avr 2009 - 19:30

L'Isp est une caractéristique liée au matériau énergétique mais qui varie en fonction des conditions d'utilisation de ce matériau. Pour un propergol donné l'Isp théorique varie en fonction de 3 paramètres : la pression dans la chambre de combustion, la pression dans le plan de sortie de la tuyère et la pression atmosphérique ambiante. L'architecture du moteur (géométrie du chargement et caractéristiques de la tuyère) influent sur les 2 premiers paramètres.
Afin de comparer les différents matériaux énergétiques, on compare les Isp dans des conditions similaires de fonctionnement (en général Isp(70,1,1) soit 70 bars dans la chambre de combustion, 1bar en sortie de tuyère et 1 bar de pression atmosphérique). Mais rien n'empêche, en modifiant les conditions de fonctionnement d'avoir une Isp supèrieure. Par exemple un propergol fonctionnant à une pression chambre de 100 bars, avec une tuyère détendant les gaz jusqu'à 0,2 bar et dont le fonctionnement est prévu dans le vide aura une Isp bien supérieure à l'Isp(70,1,1) standard.

Il s'agit là d'une Isp théorique, après on peut mesurer au banc la poussée réelle du moteur afin de remonter à l'Isp réelle. La différence entre Isp théorique et Isp réelle est toutefois faible comparée à la variation d'Isp liée aux modifications des conditions de fonctionnement.

Ensuite concernant l'utilisation de deux propergols différents dans une même architecture de moteur, cela peut mener à des Isp du moteur très différentes, y compris en utilisant des propergols ayant une Isp(70,1,1) standard identique. En effet, les propergols peuvent avoir des vitesses de combustion très différentes qui conduisent à des conditions de fonctionnement très différentes. Cela peut être compensé en modifiant la géométrie du bloc de propergol pour compenser la faible vitesse de combustion en augmentant la surface de combustion (puisque c'est le débit qui compte), mais encore faut-il que les dimensions du moteur le permettent.
D'autres paramètres peuvent gêner le changement du propergol comme par exemple la composition des gaz de combustion. En effet les matériaux (en particulier le col de ltuyère) sont déterminés pour tenir aux sollicitations physico-chimiques des gaz de combustion : composition (en particulier présence de particules d'alumine), caractère réducteur des gaz, température... La modification du propergol pourrait donc mener à une érosion importante du col et donc une modification des performances.


J'espère avoir été clair... à ta dispo pour plus de précisions !
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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyJeu 2 Avr 2009 - 21:45

Intéressant. Je ne me rendais pas compte du rôle stratégique de la tuyère, pour moi elles étaient toutes pareilles et n'influaient en rien... Peux-tu développer un peu leur rôle, et notamment ta phrase :
sélénite a écrit:
avec une tuyère détendant les gaz jusqu'à 0,2 bar

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Apolloman
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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyJeu 2 Avr 2009 - 21:54

Puis je??
- La tuyère a la forme d'un cône convergent puis divergent qui permet aux gaz de franchir la vitesse du son : en amont du col la vitesse du gaz est subsonique et en aval supersonique. En présence d'atmosphère la poussée est optimale lorsque la pression des gaz en sortie de tuyère est égale à la pression ambiante. Les tuyères de premier étage sont donc plus courtes que celles des étages suivants et devant fonctionner dans le vide. Pour limiter l'encombrement la tuyère des moteurs fusées des étages supérieurs peut être en partie déployable.

En gros... Pour obtenir le rendement maximum, la tuyère doit être "adaptée". Une tuyère est dite adaptée lorsque la pression statique en sortie est égale à la pression extérieure. La pression statique diminue tout au long de la tuyère, plus la pression extérieure est basse, plus la tuyère doit être longue ; certaines fusée ont même été testées avec des tuyère "à rallonge" (écrit plus haut) pour s'adapter progressivement à la pression extérieure de plus en plus faible avec l'altitude.

Comme dans l'espace, la pression extérieure est nulle, difficile d'imaginer une tuyère si longue qu'elle pourrait être parfaitement adaptée, aussi se contente-t-on d'utiliser un tuyère ayant la longueur maximum permise COMPTE TENU des impératifs de la mission à remplir, quitte à ce qu'elle ne soit pas du tout adaptée.


V'la pour ma petite pierre Wink

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Webmaster du site http://www.de-la-terre-a-la-lune.com/
consacré au programme Apollo.
Modérateur du forum de la conquète spatiale https://www.forum-conquete-spatiale.fr/portal.htm
Journaliste collaborateur d'Espace et Exploration le magazine de l'aventure spatiale
http://www.espace-exploration.com/

Le savoir est un trésor à partager avec tout le monde...
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MessageSujet: Re: Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP   Question(s) sur la relation moteur - propergol - ISP EmptyVen 3 Avr 2009 - 7:37

La tuyère est l'élément fondamental des performances d'un moteur (à propergol donné !). En effet c'est grâce à elle qu'on détermine les deux paramètres influant sur la poussée : le débit et la vitesse d'éjection des gaz.
Comme le dit Apolloman, une tuyère est constituée de 2 éléments, un convergent et un divergent avec entre les deux, le col qui est l'endroit de section minimum. Lorsque tu es à faible pression, l'écoulement dans une tuyère obéit à l'effet Venturi, à savoir accélération des gaz dans le convergent puis décélération dans le divergent, ceci s'explique très bien par la nécessité d'avoir le même débit dans toute section de la tuyère.
Par contre à forte différence de pression entre les deux extrémités de la tuyère (pression chambre / pression atmosphérique), les gaz accélèrent dans le convergent jusqu'à atteindre la vitesse du son au niveau du col. Dans ce cas, on dit que la tuyère s'amorce et à partir de ce moment, les gaz ne décélèrent plus dans le divergent mais continuent à accélérer, et leur pression diminue (on parle de la détente des gaz dans le divergent de la tuyère). D'autre part lorsque la tuyère est amorcée, les conditions dans la chambre sont indépendantes des conditions extérieures puisque les "informations", qui se propagent à la vitesse du son dans un milieu, ne peuvent plus "remonter" l'écoulement jusqu'à la chambre puisque celui-ci est supersonique.

Au final, le débit (et donc les conditions dans la chambre de combustion) est réglé par la surface au col de la tuyère et est indépendant de ce qui se passe en aval du col (quelque soit la tuyère utilisée, si le diamètre au col reste le même, les conditions dans la chambre seront les mêmes).
Ensuite la vitesse d'éjection est déterminée par le rapport des sections entre le plan de sortie de tuyère et le col. Plus ce rapport est grand, plus les gaz seront détendus et donc accélérés dans la tuyère. Du coup il serait tentant de penser qu'il faut accélérer au maximum les gaz, sauf qu'il faut également prendre en compte les conditions atmosphériques. En effet si on accélère beaucoup les gaz, on les détend également beaucoup et on risque de se retrouver avec une pression très inférieure à la pression atmosphérique ce qui entraîne des recompressions du jet qui peuvent remonter dans la tuyère : on a alors affaire à un décollement du jet, c'est à dire que les gaz ne suivent pas la tuyère jusqu'au bout, ce phénomène n'étant pas maîtrisé il perturbe le vecteur poussée. Et comme l'a dit Apolloman, on démontre qu'en fait, la poussée est maximale lorsque la tuyère est adaptée c'est à dire lorsque la pression dans le plan de sortie de la tuyère est égale à la pression ambiante.

Les paramètres fondamentaux d'un moteur sont :
- pour le propergol : sa densité, sa loi de vitesse de combustion, son Isp, le gamma (rapport Cp/Cv) des gaz de combustion (c'est ce rapport qui régit la détente des gaz) et la géométrie du chargement (qui déterminera la surface de combustion)
- pour le moteur : section au col et section en sortie de la tuyère
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