Fonctionnement d'une fusée à propergol solide

Les fusées à propergol solide comprennent toutes les anciennes fusées pyrotechniques, cependant, il existe désormais des carburants, des conceptions et des fonctions plus avancés avec des propergols solides.

Propulseur solide les fusées ont été inventées avant les fusées à combustible liquide. Le type de propergol solide a commencé avec les contributions des scientifiques Zasiadko, Constantinov et Congreve. Maintenant dans un état avancé, les fusées à propergol solide restent largement utilisées aujourd'hui, y compris les moteurs à double booster de la navette spatiale et les étages de booster de la série Delta.

La superficie est la quantité de propulseur exposée aux flammes de combustion intérieures, existant en relation directe avec la poussée. Une augmentation de la surface augmentera la poussée mais réduira le temps de combustion car le propulseur est consommé à un rythme accéléré. La poussée optimale est généralement constante, ce qui peut être obtenu en maintenant une surface constante tout au long de la combustion.

Des exemples de conceptions de grains à surface constante comprennent: la combustion d'extrémité, la combustion interne et externe et la combustion interne en étoile.

Diverses formes sont utilisées pour l'optimisation des relations grain-poussée car certaines fusées peuvent nécessiter un composante de poussée initialement élevée pour le décollage tandis qu'une poussée inférieure suffira à sa poussée régressive post-lancement exigences. Les motifs de noyau de grain compliqués, dans le contrôle de la surface exposée du carburant de la fusée, ont souvent des pièces recouvertes d'un plastique ininflammable (comme l'acétate de cellulose). Cette couche empêche les flammes de combustion interne d'allumer cette partie du carburant, qui ne s'enflamme que plus tard lorsque la brûlure atteint directement le carburant.

Lors de la conception de l'impulsion spécifique du grain de propergol de la fusée, il faut tenir compte, car il peut s'agir de la différence de rupture (explosion) et d'une fusée produisant une poussée optimisée avec succès.

• Une fois qu'une fusée solide est allumée, elle consommera l'intégralité de son carburant, sans aucune option pour l'arrêt ou le réglage de la poussée. La fusée lunaire Saturn V a utilisé près de 8 millions de livres de poussée, ce qui n'aurait pas été possible avec l'utilisation d'un propulseur solide, nécessitant un propulseur liquide à impulsion spécifique élevée.
• Le danger impliqué par les carburants prémélangés des fusées monopropellantes, c'est-à-dire parfois la nitroglycérine est un ingrédient.

Un avantage est la facilité de stockage des fusées à propergol solide. Certaines de ces roquettes sont de petits missiles tels que Honest John et Nike Hercules; d'autres sont de gros missiles balistiques tels que Polaris, Sergeant et Vanguard. Les propulseurs liquides peuvent offrir de meilleures performances, mais les difficultés de stockage et de manipulation des propergols liquides proches du zéro absolu (0 degré Kelvin) a limité leur utilisation, incapable de répondre aux exigences rigoureuses que l'armée exige de sa puissance de feu.

Les fusées à combustible liquide ont été théorisées pour la première fois par Tsiolkozski dans son "Investigation of Interplanetary Space by Means of Reactive Devices", publié en 1896. Son idée a été réalisée 27 ans plus tard lorsque Robert Goddard a lancé la première fusée à propulsion liquide.

Les fusées à carburant liquide ont propulsé les Russes et les Américains au plus profond de l'ère spatiale avec les puissantes fusées Energiya SL-17 et Saturn V. Les capacités de poussée élevées de ces fusées ont permis nos premiers voyages dans l'espace. Le «pas de géant pour l'humanité» qui a eu lieu le 21 juillet 1969, alors qu'Armstrong a marché sur la lune, a été rendu possible par la poussée de 8 millions de livres de la fusée Saturn V.

Deux réservoirs métalliques contiennent respectivement le carburant et l'oxydant. En raison des propriétés de ces deux liquides, ils sont généralement chargés dans leurs réservoirs juste avant le lancement. Les réservoirs séparés sont nécessaires, car de nombreux combustibles liquides brûlent au contact. Lors d'une séquence de lancement définie, deux vannes s'ouvrent, permettant au liquide de s'écouler dans la canalisation. Si ces vannes s'ouvraient simplement pour permettre aux propergols liquides de s'écouler dans la chambre de combustion, un un taux de poussée faible et instable se produirait, donc soit une alimentation en gaz sous pression soit une alimentation de turbopompe est utilisé.

La plus simple des deux, l'alimentation en gaz sous pression, ajoute un réservoir de gaz haute pression au système de propulsion. Le gaz, un gaz non réactif, inerte et léger (comme l'hélium), est maintenu et régulé, sous une pression intense, par une soupape / régulateur.

La deuxième solution, souvent préférée, au problème du transfert de carburant est une turbopompe. Une turbopompe est la même qu'une pompe ordinaire en fonctionnement et contourne un système sous pression de gaz en aspirant les propulseurs et en les accélérant dans la chambre de combustion.

L'oxydant et le carburant sont mélangés et enflammés à l'intérieur de la chambre de combustion et une poussée est créée.

Malheureusement, le dernier point rend les fusées à propergol liquide complexes et complexes. Un véritable moteur à propergol liquide moderne possède des milliers de connexions de tuyauterie transportant divers fluides de refroidissement, de carburant ou de lubrification. De plus, les diverses sous-parties telles que la turbopompe ou le régulateur sont constituées de vertiges séparés de tuyaux, de fils, de vannes de contrôle, de jauges de température et de supports. Compte tenu des nombreuses parties, le risque de défaillance d'une fonction intégrale est important.

Comme indiqué précédemment, l'oxygène liquide est l'oxydant le plus couramment utilisé, mais il a aussi ses inconvénients. Pour atteindre l'état liquide de cet élément, une température de -183 degrés Celsius doit être obtenus - conditions dans lesquelles l'oxygène s'évapore facilement, perd une grande quantité d'oxydant juste pendant le chargement. L'acide nitrique, un autre oxydant puissant, contient 76% d'oxygène, est à l'état liquide à STP et a un gravité spécifique― Tous les grands avantages. Ce dernier point est une mesure similaire à la densité et à mesure qu'elle augmente, la performance du propulseur augmente également. Mais, l'acide nitrique est dangereux à manipuler (le mélange avec l'eau produit un acide fort) et produit des sous-produits nocifs lors de la combustion avec du carburant, son utilisation est donc limitée.

Développés au IIe siècle avant JC, par les anciens Chinois, les feux d'artifice sont la forme de fusée la plus ancienne et la plus simpliste. À l'origine, les feux d'artifice avaient des objectifs religieux, mais ont ensuite été adaptés à un usage militaire au Moyen-Âge sous la forme de "flèches enflammées".

Au cours des Xe et XIIIe siècles, les Mongols et les Arabes ont apporté la composante majeure de ces premières fusées en Occident: poudre à canon. Bien que le canon et le pistolet soient devenus les principaux développements depuis l'introduction orientale de la poudre à canon, des roquettes en ont également résulté. Ces roquettes étaient essentiellement des feux d'artifice agrandis qui propulsaient, plus loin que l'arc long ou le canon, des paquets de poudre à canon explosive.

Pendant les guerres impérialistes de la fin du XVIIIe siècle, le colonel Congreve a développé ses célèbres fusées, qui parcourent des distances de portée de quatre miles. La "lueur rouge des fusées" (hymne américain) enregistre l'utilisation de la guerre des fusées, dans sa première forme de stratégie militaire, pendant la bataille inspirante de Fort McHenry.

Un fusible (ficelle de coton enduit de poudre à canon) est allumé par une allumette ou par un "punk" (un bâton en bois avec une pointe rougeoyante comme du charbon). Ce fusible brûle rapidement dans le cœur de la fusée où il enflamme les parois de poudre à canon du cœur intérieur. Comme mentionné précédemment, l'un des produits chimiques contenus dans la poudre à canon est le nitrate de potassium, l'ingrédient le plus important. La structure moléculaire de ce produit chimique, KNO3, contient trois atomes d'oxygène (O3), un atome d'azote (N) et un atome de potassium (K). Les trois atomes d'oxygène enfermés dans cette molécule fournissent «l'air» que le fusible et la fusée utilisaient pour brûler les deux autres ingrédients, le carbone et le soufre. Ainsi, le nitrate de potassium oxyde la réaction chimique en libérant facilement son oxygène. Cette réaction n'est cependant pas spontanée et doit être déclenchée par une chaleur telle que le match ou le «punk».