Date : 2025
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : français / French
Moteurs-fusées -- Alimentation en carburant
Propergols liquides -- Allumage
Véhicules spatiaux -- Propulsion
Résumé / Abstract : Dans le domaine de la propulsion spatiale, des préoccupations environnementales croissantes sur la nature toxique des ergols conventionnels (carburants et comburants spatiaux), tels que l'hydrazine, ont concentré la recherche sur des ergols stockables plus verts, tels que le peroxyde d'hydrogène. Les solutions aqueuses très concentrées de peroxyde d'hydrogène, allant de 70 % à 99 %, sont communément appelées « High-Test Peroxide » (HTP). L’HTP peut être utilisé en tant qu’oxydant (comburant) dans un propulseur biergol anaérobie tel que ceux équipant dans les étages supérieurs de lanceurs : à l’état liquide, il apporte l’oxygène nécessaire à la combustion d’un carburant assistée par une torche d'allumage. Une variété d’applications de l’HTP dans la propulsion spatiale utilise par ailleurs la capacité du peroxyde d'hydrogène à se décomposer spontanément, en vapeur d'eau et en oxygène moléculaire, dans une réaction hautement exothermique. Dans des propulseurs plutôt conçus pour des manoeuvres orbitales, la poussée est générée par l'expansion de ces gaz, alors décomposés catalytiquement. La réaction catalytique de décomposition du peroxyde d’hydrogène peut être également mise à profit pour permettre l’auto-inflammation d’un carburant dans un propulseur biergol. Dans ce cas, aucune source externe n’est nécessaire pour garantir l’allumage. Dans des applications utilisant sa décomposition catalytique, une concentration massique du peroxyde d'hydrogène plus élevée s’accompagne d’une augmentation de la température des gaz de décomposition. Un gain en température permet une augmentation des performances d’un propulseur monergol, et contribue à réduire le délai d'auto-inflammation du carburant et une combustion plus efficace en propulsion biergol. Dans de tels systèmes, le lit catalytique est le point critique : soumettre un catalyseur à des températures élevées peut entraîner une perte d’activité catalytique et un endommagement physique prématuré du catalyseur. Une telle utilisation impose alors au catalyseur de présenter une résistance thermomécanique et une activité catalytique élevée, ainsi que le maintien de ses propriétés physicochimiques. Une première partie de cette thèse est ainsi consacrée à une étude du traitement thermique et de la taille de catalyseur à base de platine déposé sur des billes d’alumine. Cette étude est réalisée dans le but d’obtenir un catalyseur fiable et efficace, permettant une décomposition répétable et complète du peroxyde d'hydrogène injecté au cours de sa durée de vie. L’assurance d’une décomposition catalytique performante, complète et répétable sans endommagement du lit catalytique a ensuite permis l’étude de l’allumage catalytique pour démontrer la capacité des différents systèmes catalytiques à allumer un fuel sans ajout de système d’allumage complexe supplémentaire. L'influence de paramètres tels que la géométrie et les vitesses d’injections sur le processus d'atomisation, puis sur l'allumage, et les instabilités et la performance de combustion ont été étudiée.
Résumé / Abstract : In the field of space propulsion, growing environmental concerns regarding the toxic nature of conventional propellants (rocket fuels and oxidizers), such as hydrazine, have driven research toward greener, storable propellants like hydrogen peroxide. Highly concentrated aqueous solutions of hydrogen peroxide, ranging from 70% to 99%, are commonly referred to as "High-Test Peroxide" (HTP). HTP can be used as an oxidizer in a bipropellant anaerobic thruster, such as those found in upper stages of launch vehicles: in its liquid state, it provides the necessary oxygen for fuel combustion, assisted by an ignition torch. A variety of applications for HTP in space propulsion also leverage its ability to spontaneously decompose into water vapor and molecular oxygen in a highly exothermic reaction. In thrusters designed for orbital maneuvers, thrust is generated by the expansion of these catalytically decomposed gases. The catalytic decomposition of hydrogen peroxide can also be used to enable the self-ignition of a fuel in a bipropellant thruster. In this case, no external ignition source is required.In applications using its catalytic decomposition, a higher mass concentration of hydrogen peroxide results in an increase in the temperature of the decomposition gases. A temperature increase enhances the performance of a monopropellant thruster and helps reduce the fuel’s autoignition delay while enabling more efficient combustion in bipropellant propulsion. In such systems, the catalytic bed is a critical component: subjecting a catalyst to high temperatures can lead to a loss of catalytic activity and premature physical degradation of the catalyst. Therefore, the catalyst must exhibit high thermomechanical resistance, high catalytic activity, and maintain its physicochemical properties. The first part of this thesis is thus dedicated to studying the thermal treatment and size of platinum-based catalysts deposited on alumina beads. This study is conducted to develop a reliable and efficient catalyst that ensures repeatable and complete decomposition of injected hydrogen peroxide throughout its operational lifespan. Ensuring high-performance, complete, and repeatable catalytic decomposition without damaging the catalytic bed has then enabled the study of catalytic ignition to demonstrate the ability of different catalytic systems to ignite a fuel without requiring an additional complex ignition system. The influence of parameters such as the injector geometry and injection velocities on the atomization process, ignition, instabilities, and combustion performance has been investigated.