Brevet FR2680166A1 — publié le 19930212

La présente invention concerne un mélange solide d'ergols, en particulier pour la propulsion d'engins tels que des fusées, du type constitué au moins d'un oxydant choisi dans le groupe comprenant le nitroformiate d'hydrazinium de formule chimique ((N2H5C(N02)3), le perchlorate de nitronium de formule chimique (N02C104) et le perchlorate d'ammonium de formule chimique (NH4Cl04), et d'un combustible choisi dans le groupe comprenant le bore (B), l'aluminium (Al) et l'hydrure d'aluminium (AlH3). D'une manière générale, il existe des besoins importants en ergols ou mélanges d'ergols à hautes performances dans de nombreux domaines de l'industrie, en particulier dans l'aérospatiale où ces mélanges doivent pouvoir non seulement être stockés durablement dans un engin spatial par exemple pour être utilisés à 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 délicats 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 seulement d'environ 3000 m/s pour un mélange d'ergols constitué de tetroxyde d'azote (N204) 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 l'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 cryogéniques permettaient d'obtenir des impulsions spécifiques supérieures à 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. Il est connu du document Es-0 350 136, déposé au nom de la Demanderesse, un mélange solide d'ergols du type constitué au moins d'un oxydant choisi dans le groupe comprenant le nitroformiate d'hydrazinium (HNF) de formule chimique (N2H5C(NO2)3), le perchlorate de nitronium de formule chimique (NO2C104) et le perchlorate d'ammonium de formule chimique (NH4Cl04), et d'un combustible choisi dans le groupe comprenant le bore (B), l'aluminium (Al) et l'hydrure d'aluminium (A1H3), mélange auquel on a ajouté un liant énergétique formé d'azoture de polyglycidyle de formule chimique (C3H5N30)n ou de poly-3,3bis(azidométhyl)oxétanne de formule chimique (C4H6N60)n, pour obtenir un agent propulsif ayant des performances voisines de celles des mélanges cryogéniques. Le but de l'invention est de concevoir un autre mélange solide d'ergols au moins aussi performant que celui décrit dans le document précité. A cet effet, l'invention propose un mélange solide d'ergols du type précité en ce qui concerne le combustible et l'oxydant solide, caractérisé en ce l'oxydant peut également être du nitroformiate d'ammonium (ANF) de formule chimique NH4C(N02)3, et en ce qutil comprend également un liant énergétique choisi dans le groupe comprenant le nitrate de polyglycidyle (PGN) de formule chimique (C3H5N04)n et le polynitrométhoxyméthyloxétanne (poly(NIMMO)) de formule chimique (C5H9NO4) n. En donnant les abréviations de polyglycidyle suivantes - PGN pour le nitrate de polyglycidyle, - poly(NIMMO) pour le polynitrométhoxyméthyloxétanne, des mélanges préférentiels selon l'invention sont les suivants - N2H5(N02)3 + B + PGN ou poly(NIMMO), - N02C104 + B + PGN ou poly(NIMMO), - NH4C104 + B + PGN ou poly(NIMMO), - NH4C(N02)3 + B + PGN ou poly(NIMMO), - N2H5C(N02)3 + Al + PGN ou poly(NIMMO), - N02C104 + Al + PGN ou poly(NIMMO), - NH4C104 + Al + PGN ou poly(NIMMO), - NH4C(N02)3 + Al + PGN ou poly(NIMMO), - N02C104 + A1H3 + PGN ou poly(NIMMO), - N02C104 + A1H3 + PGN ou 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 notamment un agent propulsif étant exprimée par la formule où: - . est le support de chaleur spécifique Cv - Ro la constante molaire des gaz parfaits, - Tc la température de la flamme de combustion, - M la masse moléculaire moyenne des produits de combus tion, - Pc la pression dans la chambre de combustion, - et Pe la pression de sortie de la tuyère. Les proportions en poids de l'oxydant et du combustible entrant dans la constitution de ces mélanges ne sont pas critiques selon l'invention. Généralement, les constituants sont mélangés les aux autres avant leur durcissement dans des proportions telles que les rapports du mélange sont situés aux environs du rapport stoechiométrique afin d'obtenir une combustion la plus complète possible, et de bons résultats sont obtenus avec une quantité de liant énergétique PGN ou poly(NIMMO) qui n'excède pas 35 % du poids total du mélange. Avec une telle quantité du liant énergétique, on obtient des résistances mécaniques satisfaisantes. D'une manière générale, on ajoute au mélange de préférence quelques % en poids de composants tels que des phthalates, des stéréates, 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. I1 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 l'acide chlorhydrique. D'une manière générale, les mélanges selon l'invention sont stockés avant utilisation, selon des techniques connues, les constituants étant normalement déjà mélangés. Les composants entrant dans la composition des mélanges selon l'invention sont bien connus en soi aussi bien pour leurs procédés de préparation que pour leurs propriétés physiques et chimiques. REVENDICATIONS 1. Ergol, en particulier pour la propulsion d'engins tels que des fusées, du type comprenant un oxydant, un combustible et un liant, caractérisé en ce que l'oxydant est choisi dans le groupe comprenant le nitroformiate d'hydrazinium (HNF) de formule chimique (N2H5C(N02)3), le perchlorate de nitronium (NP) de formule chimique (NO2ClO4), le perchlorate d'ammonium (AP) de formule chimique (NH4C104) et le nitroformiate d'ammonium (ANF) de formule chimique (NH4C(NO2)3), en ce que le combustible est choisi dans le groupe comprenant le bore (B), l'aluminium (Al) et l'hydrure d'aluminium (AlH3), et en ce que le liant énergétique est choisi dans le groupe comprenant le nitrate de polyglycidyle (PGN) de formule chimique (C3H5NO4)n et le polynitrométhoxyméthyloxétanne (poly(NIMMO)) de formule chimique ( C5HgN04) n. 2. Ergol selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant énergétique (PGN ou (poly(NIMMO)) représente un pourcentage en poids qui n'excède pas 35 %. 3. Ergol selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient des composants additionnels autres que des composants métalliques et des hydrures métalliques, qui jouent un rôle de stabilisants de l'ergol. 4. Procédé de préparation d'un ergol, en particulier pour la propulsion d'engins, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger au moins un oxydant solide, un combustible solide et un liant énergétique solide ayant les formulations énoncées à la revendication 1. 5. Utilisation pour assurer la propulsion d'engins tels que des fusées, d'un ergol selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.