Schoyer, Herman Fedde Rein (Van Vrieslandhove 6, DV Zoetermeer, NL-2727, NL)
Schnorhk, Ared Jean-louis (Floris Versterlaan 7, RS Oegstgeest, NL-2343, NL)
Prins, Mauritslaboratorium Tno (NL)
Mul, Johannes Maria (Cruquiusstr. 3, GC Haarlem, NL-2012, NL)
Schoyer, Herman Fedde Rein (Van Vrieslandhove 6, DV Zoetermeer, NL-2727, NL)
Schnorhk, Ared Jean-louis (Floris Versterlaan 7, RS Oegstgeest, NL-2343, NL)
| 1. | Ergol, en particulier pour la propulsion d'engins aérospatiaux, du type comprenant au moins un oxydant, un combustible et un liant, lequel ergol est caractérisé en ce que : l'oxydant est choisi dans le groupe qui comprend un nitroformiate d'un composé azoté et notamment un nitroformiate d'hydrazinium ou d'ammonium, et un perchlorate d'un composé azoté, notamment un perchlorate de nitronium ou d'ammonium ; le combustible est choisi dans le groupe qui comprend le bore et les boranes, l'aluminium et l'hydrure d'aluminium ; le liant énergétique est choisi dans le groupe qui comprend le nitrate de polyglycidyle, l'azide de polyglycidyle, le polynitrométhoxyméthyloxétanne et le poly3,3bis (azidométhyl)oxétanne. |
| 2. | Ergol selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un ergol solide, dans lequel : . l'oxydant est choisi parmi le nitroformiate d'hydrazinium, le nitroformiate d'ammonium, le perchlorate d'ammonium et le perchlorate de nitronium ; . le combustible est choisi parmi le bore, l'aluminium et 1'hydrure d'aluminium ; . le liant énergétique est choisi parmi le nitrate de polyglycidyle et le polynitrométhoxyméthyloxétanne. |
| 3. | Ergol selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un ergol hétérogène, dans lequel : l'oxydant est le nitroformiate d'hydrazinium ; . le combustible est choisi parmi le diborane et le pentaborane ; le liant énergétique est choisi dans le groupe qui comprend le nitrate de polyglycidyle et le polynitrométhoxyméthyloxétanne. |
| 4. | Ergol selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un ergol hétérogène, dans lequel : . l'oxydant est le nitroformiate d'ammonium ; . le combustible est choisi dans le groupe qui comprend le diborane, le pentaborane et l'aluminium ; . le liant énergétique est choisi dans le groupe qui comprend le nitrate de polyglycidyle, l'azide de polyglycidyle, le polynitrométhoxyméthyloxétanne et le poly3,3bis (azidométhyl)oxétanne. |
| 5. | Ergol selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient en outre des additifs appropriés qui ont un rôle d'agents stabilisants et d'agents anticorrosion. |
| 6. | Ergol selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il contient le liant énergétique dans une proportion qui n'excède pas 35 % en poids du poids total de 1'ergol. |
| 7. | Ergol selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce qu'il contient le liant énergétique dans une proportion qui n'excède pas 10 % en poids du poids total de l'ergol. |
| 8. | Procédé de préparation d'un agent propulsif à base d'ergol, notamment pour la propulsion d'engins, et en particulier d'engins aérospatiaux, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger entre eux les composants selon la revendication 1 et, le cas échéant, à y ajouter les additifs selon la revendication 5. |
| 9. | Utilisation des ergols selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour la propulsion d'engins, notamment d'engins aérospatiaux et en particulier de fusées. |
ERGOLS. EN PARTICULIER POUR LA PROPULSION D'ENGINS TELS QUE DES _____2______i_ SX PROCEDE DE
PRBPARATION
La présente Invention concerne des ergols, en particulier pour la propulsion d'engins tels que des fusées par exemple, du type comprenant au moins un oxydant, un combustible et un liant énergétique.
D'une manière générale, il existe des besoins importants en ergols ou mélanges d'ergols à hautes per- formances dans de nombreux domaines de l'industrie, en particulier dans le domaine aérospatial où ces mélanges doivent pouvoir non seulement être stockés durablement, dans un engin spatial par exemple, pour être utilisés a tout moment pour modifier sa trajectoire, mais aussi servir à son lancement.
Jusqu'à présent, il est fait largement usage de mélanges cryogéniques à base d'oxygène et d'hydrogène liquide, qui s'avèrent très performants pour alimenter les moteurs des fusées qui placent notamment sur orbite des satellites de télécommunication et des engins spatiaux.
Cependant, ces mélanges cryogéniques sont dé¬ licats à stocker et leur manipulation est dangereuse et souvent source d'accidents. Pour pallier ces inconvénients, il est connu de remplacer ces mélanges cryogéniques par des mélanges d'ergols constitués au moins d'un agent oxydant et d'un agent combustible, qui peuvent être stockés facilement et durablement sans nécessiter des conditions de sécurité particulières, mais ces mélanges offrent généralement des performances très inférieures à celles offertes par les mélanges cryogéniques.
A titre de comparaison, en considérant un des paramètres qui caractérise ces mélanges, à savoir l'impulsion spécifique (qui sera définie avec précision plus loin) , cette impulsion est supérieure à 4000 m/s
pour des mélanges cryogéniques, alors qu'elle est seule¬ ment d'environ 3000 m/s pour un mélange d'ergols consti¬ tué de tetroxyde d'azote (N2O4) et de monométhylhydrazine (N2H3CH3) par exemple. Dans ces conditions, si une vitesse de
2000 m/s est nécessaire pour mettre sur orbite un engin spatial ou pour modifier sa trajectoire, la moitié de la masse de 1'engin spatial doit être réservée à un agent propulsif capable de produire une impulsion spécifique de 2943 m/s. Par contre, avec une impulsion spécifique de 4415 m/s, la masse de l'agent propulsif serait ramenée à 37,5 %, offrant ainsi un gain en masse d'environ 12,5 % qui pourrait être avantageusement utilisé pour embarquer des satellites de télécommunication par exemple. Autrement dit, en augmentant l'impulsion spécifique, il est possible de réduire la masse de l'agent propulsif et d'augmenter la charge utile embarquée à bord de l'engin spatial. A titre d'exemple, pour un engin spatial de 2000 kg, l'augmentation de la charge utile est de l'ordre de 250 kg.
Etant donné que seuls les mélanges cryo¬ géniques permettaient d'obtenir des impulsions spéci¬ fiques supérieures a 4000 m/s, on a cherché à augmenter le pouvoir énergétique des mélanges d'ergols et conserver ainsi les avantages qu'ils présentent au niveau de leur stockage.
On connaît par EP-0 350 135 au nom de la Demanderesse, un mélange hétérogène d'ergols comprenant au moins un oxydant solide constitué par du nitroformiate d'hydrazinium, un combustible constitué par du di- ou du pentaborane et un liant énergétique constitué par de l'azide de polyglycidyle ^I^N β O.n ou du poly- 3,3bis(azidométhyl)oxétanne (C^gNgO) n .
On connaît, en outre, par EP-0 350 136 également au nom de la Demanderesse, un mélange solide d'ergols comprenant au moins un oxydant choisi dans le
groupe qui comprend le nitroformiate d'hydrazinium, le perchlorate de nitronium et le perchlorate d'ammonium, un combustible choisi dans le groupe qui comprend le bore, l'aluminium et l'hydrure d'aluminium, et un liant énergétique choisi dans le groupe qui comprend l'azoture de polyglycidyle et le poly-3,3bis(azidométhyl)oxétanne.
Les mélanges selon EP-0 350 135 et EP-0 350 136 fournissent des agents propulsifs ayant des performances voisines de celles des mélanges cryogéniques.
Il a, par ailleurs, été proposé [cf. K. KUBOTA et Al, KOGYO KAGAKU KYOKAISHI 27(3), p.169-173 (1966)] d'utiliser pour des carburants composites, un liant polymère constitué par une résine combustible synthétisée par polymérisation d'addition de glycol et de nitrate de glycidyle en présence d'un catalyseur de FRIEDEL-CRAFTS, pour former un polynitratoglycol qui, par réaction avec un polyol et un polyisocyanate, fournit un nitratouréthane, qui est le liant préconisé par les Auteurs pour être utilisé avec des carburants qui, au demeurant, ne sont pas identifiés.
La présente Invention a pour but de pourvoir à des ergols qui conviennent mieux aux besoins de la propulsion d'engins du type des fusées et autres engins spatiaux, que les ergols proposés dans l'Art Antérieur, notamment en ce qu'ils présentent une impulsion spécifique élevée, en ce qu'ils sont aptes à être stockés pendant des durées prolongées avant d'être utilisés et en ce que leurs produits de combustion ne contribuent pas à la pollution atmosphérique.
La présente Invention a en conséquence pour objet un ergol, en particulier pour la propulsion d'engins aérospatiaux, du type comprenant au moins un oxydant, un combustible et un liant, lequel ergol est caractérisé en ce que :
. l'oxydant est choisi dans le groupe qui comprend un nitroformiate d'un composé azoté et notamment un nitroformiate d'hydrazinium ou d'ammonium, et un perchlorate d'un composé azoté, notamment un perchlorate de nitronium ou d'ammonium ;
. le combustible est choisi dans le groupe qui comprend le bore et les boranes, l'aluminium et l'hydrure d'aluminium ; le liant énergétique est choisi dans le groupe qui comprend le nitrate de polyglycidyle, l'azide de polyglycidyle, le polynitrométhoxyméthyloxétanne et le poly-3,3bis(azidométhyl)oxétanne.
Selon un mode de réalisation avantageux de 1'ergol conforme à la présente invention, l'ergol est un ergol solide, auquel cas : l'oxydant est choisi parmi le nitroformiate d'hydrazinium, le nitroformiate d'ammonium, le perchlorate d'ammonium et le perchlorate de nitronium ; . le combustible est choisi parmi le bore, l'aluminium et 1'hydrure d'aluminium ;
. le liant énergétique est choisi parmi le nitrate de polyglycidyle et le polynitrométhoxyméthyloxétanne.
Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'ergol conforme à la présente invention, l'ergol est un ergol hétérogène, auquel cas:
. l'oxydant est le nitroformiate d'hydrazinium ; le combustible est choisi parmi le diborane et le pentaborane ; le liant énergétique est choisi dans le groupe qui comprend le nitrate de polyglycidyle et le polynitrométhoxyméthyloxétanne.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de l'ergol conforme à la présente invention, 1'ergol est un ergol hétérogène, auquel cas : . l'oxydant est le nitroformiate d'ammonium ;
. le combustible est choisi dans le groupe qui comprend le diborane, le pentaborane et l'aluminium ; . le liant énergétique est choisi dans le groupe qui comprend le nitrate de polyglycidyle, l'azide de polyglycidyle, le polynitrométhoxyméthyloxétanne et le poly-3,3bis(azidométhyl)oxétanne.
Selon un mode de réalisation avantageux de 1'ergol conforme à la présente invention, il contient en outre des additifs appropriés qui ont un rôle d'agents stabilisants et d'agents anti-corrosion.
Selon une modalité avantageuse de l'invention, 1'ergol solide défini plus haut contient le liant énergétique dans une proportion qui n'excède pas 35 % en poids du poids total de 1'ergol. Selon une autre modalité avantageuse de l'invention, les ergols hétérogènes définis plus haut contiennent le liant énergétique dans une proportion qui n'excède pas 10 % en poids du poids total de l'ergol.
Les ergols conformes à la présente invention sont obtenus par mélange d'au moins un oxydant, un combustible et un liant énergétique tels que définis dans ce qui précède.
Dans ce qui va suivre, les différents composants des ergols conformes à la présente invention, qui sont tous connus en eux-mêmes, seront identifiés soit par leur formule chimique, soit par les abréviationss suivantes :
. 1'oxydan nitroformiate d'hydrazinium ^I^CdSK^J β ou HNF nitroformiate d'ammonium H 4 C(1.02)3 ou ANF perchlorate de nitronium NO2CIO4 perchlorate d'ammonium NH4CIO4
. le combustible : le bore B le diborane B 2 H 5 le pentaborane B 5 H 9
1'aluminium Al
1'hydrure d'aluminium AIH3
. le liant éτ_..rσéticrue : le nitrate de polyglycidyle : (C 3 H 5 N04)4 ou PGN
1'azide de polyglycidyle :
(CH 2 -CH-C00-C0-N 3 ) n ou GAP 0 / le polynitrométhoxyméthyloxétanne : (C 5 H 9 N0 4 ) n ou poly(NIMMO) le poly-3,3bis(azidométhyl)oxétanne :
(_.θ2-CH3θ-C__2-CH-C__2-C__2-0) ou BAMO L'Invention sera mieux comprise à 1'aide des exemples qui vont suivre, dans lesquels on trouvera des compositions préférées d'ergols conformes à la présente Invention, étant toutefois bien entendu que ces exemples sont donnés uniquement à titre d'illustration de 1'Invention et sans aucun caractère limitatif.
EXEMPLES EXEMPLE 1 : ERGOLS SOLIDES
Des exemples préférés d'ergols solides conformes à l'Invention, sont les suivants :
- N 2 H 5 (N0 2 )3 + B + PGN ou poly(NIMMO) ,
- NO2CIO4 + B + PGN ou poly(NIMMO), - NH4CIO4 + B + PGN ou poly(NIMMO),
- NH C(N0 )3 + B + PGN OU poly(NIMMO),
- N 2 H 5 C(N02)3 + Al + PGN ou poly(NIMMO),
- N0 2 C10 4 + Al + PGN ou poly(NIMMO),
- NH4CIO4 + Al + PGN ou poly(NIMMO), - NH C(N0 )3 + Al + PGN ou poly(NIMMO),
- NO2CIO4 + AIH3 + PGN ou poly(NIMMO),
- N0 2 C10 4 + AIH3 + PGN ou poly(NIMMO) . EXEMPLE 2 : ERGOLS HETEROGENES
Des exemples préférés d'ergols hétérogènes
7 conformes à la présente Invention sont les suivants
- N 2 H 5 C(N0 2 )3 + B5H9 + PGN, ou
- N 2 H 5 C(N0 2 )3 + B 5 H 9 + poly(NIMMO)
- NH 4 C(N0 2 3 + B5H9 + GAP,
- NH C(N0 2 3 + B5H9 + BAMO,
- NH C(N0 2 3 + B5H9 + PGN,
- NH C(N0 2 3 + B5H9 + poly(NIMMO),
- NH C(N0 2 3 + Al + GAP,
- NH C(N0 2 3 + Al + BAMO,
10 - NH 4 C(N0 2 3 + Al + PGN,
- NH 4 C(N0 2 3 + Al + poly(NIMMO) . Avec de tels mélanges, il est possible d'obtenir des impulsions spécifiques supérieures à 4000 m/s, l'impulsion spécifique Isp qui caractérise no- 15 tamment un agent propulsif, étant exprimée par la for¬
20 où
- . est le support de chaleur spécifique £E. 1 Cv
- R 0 la constante molaire des gaz parfaits,
- T c la température de la flamme de combustion,
25 - M la masse moléculaire moyenne des produits de combus¬ tion,
- P c la pression dans la chambre de combustion,
- et P e la pression de sortie de la tuyère.
Les proportions en poids de l'oxydant et du 30 combustible entrant dans la constitution de ces mélanges ne sont pas critiques, selon l'Invention. Généralement, ces constituants sont mélangés l'un à l'autre avant la réaction, dans des proportions telles que les rapports du mélange sont situés aux environs du rapport stoechio- 35 métrique afin d'obtenir une combustion la plus complète possible.
On obtient de bons résultats et en particulier une résistance mécanique satisfaisante lorsque la quantité de liant énergétique présente dans l'ergol solide n'excède pas 35 % en poids du poids total du mélange et lorsqu'elle n'excède pas, dans 1'ergol hétérogène, 10 % en poids du poids total du mélange.
Il est en outre avantageux d'ajouter au mélange de préférence quelques % en poids de composants tels que des phtalates, des stéarates, des sels de plomb ou de cuivre, de la poudre noire, etc.. Ces additifs sont connus en soi pour augmenter la stabilité du mélange sans en modifier les caractéristiques, notamment de combustion, et pour donner également au mélange des propriétés anti-corrosion. De préférence, on exclut des composants additionnels les métaux et les hydrures métalliques.
Il est à noter que les gaz de combustion de ces mélanges sont plus propres, lorsque les oxydants utilisés (HNF ou ANF) ne contiennent pas de chlore, et il en résulte que le milieu extérieur n'est pas pollué avec de 1'acide chlorhydrique.
Les mélanges selon 1'Invention sont stockés avant utilisation, selon des techniques connues, les constituants individuels, à savoir l'oxydant et le combustible pouvant soit être généralement stockés dans des réservoirs séparés ou dans une chambre de combustion, soit, notamment dans le cas des ergols solides, être stockés sous la forme du mélange oxydant + combustible + liant énergétique. L'Invention n'est pas limitée aux modes de préparation, de mise en oeuvre et d'application décrits dans ce qui précède. Elle englobe toutes les variantes de réalisation et d'application à la portée de l'Homme de l'Art, qui entrent dans le cadre et la portée de la présente invention.