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Formation > Centre spatial étudiant > Moteur fusée hybride
cinq ans pour intégrer l’industrie aérospatiale
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Moteur fusée hybride
Développement d'un moteur hybride

Ces activités sont menées dans le cadre du projet PERSEUS du CNES en association avec l'Association Planète Sciences et l'ONERA. Elles sont pilotées au niveau du CSE ELISA Jules VERNE par deux professeurs Messieurs Gilles POIREY et Glen SIRE, ingénieurs R&D au sein de la société HERAKLES, filiale du groupe SAFRAN, spécialisée dans le domaine de la propulsion missiles et fusées.

La propulsion fusée hybride consiste en l'utilisation d'un combustible solide et d'un comburant liquide. Aujourd'hui cette propulsion n'a pas l'objet d'utilisation opérationnelle dans le domaine des lanceurs. La seule utilisation opérationnelle connue à ce jour est dans la propulsion des engins du type SpaceShipOne et SpaceShipTwo de la société américaine Scaled Composites et qui a pour objectif d'envoyer à 100 km d'altitude des touristes.

Les freins principaux au développement de cette technologie sont les instabilités de combustion de basses fréquences et une efficacité de combustion faible. De nombreux travaux ont démontré que l'augmentation du taux de régression du combustible est la clef de la stabilité et de l'efficience de la combustion. L'utilisation de combustible se liquéfiant est une des solutions envisagées pour atteindre cet objectif. Pendant la combustion, une couche fine et hydro dynamiquement instable se forme au-dessus de la surface du combustible solide et de petites gouttelettes sont entraînées dans le flux d'oxydant, augmentant ainsi d'autant la surface d'échange thermique et de transfert de masse.

Cependant les combustibles se liquéfiant, comme les cires de paraffine, ne présentent pas les propriétés mécaniques suffisantes permettant au combustible solide de supporter les contraintes mécaniques pendant le vol (accélération et efforts liés à la pressurisation à laquelle s'ajoute à l'extension radiale de la chambre de combustion pendant le fonctionnement du moteur).

Au-delà de ces caractéristiques médiocres, à l'inverse des matériaux polymérisés utilisés dans les moteurs fusées à propergol solide, les matériaux thermoplastiques, comme les cires de paraffine, présentent une très grande variation de densité entre leur phase liquide et solide. Ainsi maîtriser le processus de fabrication des blocs de cire de paraffine est un vrai défi.

Les travaux, menés par les étudiants de 2ème année du cycle d'ingénierie d'ELISA, ont pour objectif d'élaborer et de couler des blocs de combustible solide constitué de particules micrométriques de poudre et de cire de paraffine aux propriétés mécaniques améliorées.

 

Les principaux travaux menés sont :

  • Caractérisation par la méthode des éléments finis des caractéristiques mécaniques du combustible (utilisation du logiciel Patran/Nastran) pour différentes formulations du composite Aluminium /Cire de paraffine / additif améliorant la tenue mécanique (fibres, cire de polyéthylène, cire microcristalline) sans modifier le coefficient balistique du composite combustible,
  • Développement d'une technique de coulage :
    - Permettant d'obtenir des blocs à la densité homogène sans défaut mécanique et géométrique
    - qui ne nécessite de moyens lourds augmentant le coût du processus et qui soit reproductible
    - qui soit utilisable pour le coulage de bloc de grande dimension
  • Caractérisation par des essais sur des machines de traction et de compression en liaison de l'IUT de Saint-Quentin des différents blocs coulés
  • analyse croisée des résultats théoriques (Patran/Nastran) avec ceux obtenus en essais.

Ces travaux ont fait l'objet d'une communication à la 5ème conférence européenne des sciences aéronautiques et spatiales (EUCASS) qui se tient à Munich du 1er au 5 juillet 2013.