Au sein des études expérimentales deux types sont à distinguer : les essais au sol et les essais en vol. Les essais en vol concernent moins le propulseur hybride et son fonctionnement que la perfor-mance du véhicule dans sa globalité. Seuls les essais au sol seront traités dans cette synthèse. Comme 1. L’utilisation d’ergols non conventionnels est souvent plus performante, mais au détriment de l’impact envi-ronnemental ou de la sécurité.
2. Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales, principal laboratoire d’études aérospatiales fran-çais.
3. United Technologies Corporationest un conglomérat américain.
4. American Rocket Company.
il en existe de très nombreux, seuls les bancs d’essais à but scientifique les plus remarquables seront décrits.
2.2.1 Banc à haute fréquence d’essais
Les activités du groupe californien, composé de membres de l’université de Stanford, du centre de recherche NASA-Ames et de la compagnie Space Propulsion Group, sont antérieures aux années 2000 et continuent depuis lors [9, 6, 10, 11]. Un banc d’essais a été construit pour le projet MATADOR (de l’anglaisMars Advanced Technology Airplane for Deployment, Operations and Recovery) proposé par le centre de recherche NASA-Ames [9]. Ce banc d’essais a été utilisé pour déterminer les coefficients de la loi de Marxman (voir l’Équation 1.1) de différents carburants. Il se caractérise par un faible temps mort entre chaque essai, de l’ordre de 20 minutes, permettant de faire une vingtaine d’essais par jour, d’environ une dizaine de secondes. Les carburants testés sont le polyéthylène haute densité (HDPE de l’anglaisHigh Density PolyEthylene), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA de l’anglaisPolyMethyl MethAcrylate), le HTPB et le sorbitol. La vitesse de régression est calculée par une méthode indirecte basée sur les mesure de pression de chambre et de débit d’oxydant en fonction du temps ainsi que de certains autres paramètres géométriques. Les coefficients de la loi de régression (aetndans l’Équation 1.1) sont donnés pour les différents carburants sur la Figure 1.2.
vreg =a Goxn
Équation 1.1 : Loi de vitesse de régression utilisée dans la référence [9] qui provient de celle proposée par Marxman.
Figure 1.2 : Vitesse de régression des différents carburants. Illustration issue de la référence [9].
2.2.2 Bancs à observation directe 2.2.2.1 Sans combustion
En France, un banc d’essais pour étudier le comportement de la couche liquide produite par la fusion d’un carburant solide est disponible à l’ONERA. Il s’agit du banc HYCARRE (de l’anglais HYbrid-fuels Consumption Analysis for Regression Rate Evaluation). Le banc d’essais permet d’étudier le comportement de carburants liquéfiables (type paraffine) avec une visualisation des instabilités de
la couche liquide et de la régression de l’interface solide/liquide. La visualisation se fait au travers des hublots et la mesure de régression est complétée par des capteurs ultrasonores placés sous l’échantillon.
La phase gazeuse ne contient pas de zone de combustion pour s’affranchir de l’influence d’une flamme de diffusion. En amont de la veine d’essais, un générateur de gaz chaud, permet de reproduire les conditions aérothermiques d’une chambre de combustion de propulseur hybride. Cet outil expérimental a été utilisé pendant la thèse de doctorat de Nicolas Pelletier [12] dans laquelle une loi analytique de régression est établie pour les carburants liquéfiables. Les expériences conduites au banc d’essais ont permis de valider cette nouvelle loi de régression.
2.2.2.2 Avec combustion
Deux autres bancs d’essais similaires à HYCARRE se trouvent en Asie : l’un au Japon et l’autre en Corée du Sud.
Le banc d’essais installé au Japon [13] vise à déterminer les caractéristiques de trois grades de paraffine avec différentes température de fusion située entre 50 et 102 ˚C. Ce banc est alimenté en oxygène gazeux et lors du fonctionnement du banc, une flamme de diffusion apparaît. La fine couche sombre entre le bloc solide de paraffine et la flamme (de couleur blanc-rosé) représente la couche liquide sur la Figure 1.3.
Cette couche liquide s’épaissit dans le sens de l’écoulement. Il est également observé quelques gouttes entraînées au dessus de la flamme et qui brûlent dans la partie supérieure de la photographie.
Figure 1.3 : Structure de la zone de combustion d’une paraffine (carburant liquéfiable). Le flux va de la droite vers la gauche. Illustration issue de la référence [13].
Le banc d’essais installé en Corée [14] est plus polyvalent que ceux décrits jusque là, puisqu’il permet à la fois d’expérimenter avec et sans combustion. L’étude sans combustion permet de visualiser par ombroscopie les gouttes de carburant liquéfié qui sont entraînées par la phase gazeuse. La paraffine pure (C28), le polyéthylène haute densité et deux grades intermédiaires (95−5 % et 90−10 % paraffine-polyéthylène) sont testés. Dans cette étude, le polyéthylène est considéré comme uncarburant non liquéfiable.
L’entraînement des gouttes de carburant liquide dans la phase gazeuse dépend de la viscosité et de la tension de surface du film liquide. Grâce au banc d’essais il a été possible d’observer la différence de structure de flamme en fonction du type de carburant. Les carburants liquéfiables présentent une flamme plus éloignée de la surface du carburant à cause de l’entraînement des gouttes liquides dans la phase gazeuse (Figure 1.4.a). Pour le polyéthylène, la flamme est plus proche de la surface du carburant (Figure 1.4.b). Néanmoins, la proximité de la flamme n’est pas en faveur d’une vitesse de régression plus élevée puisque ce sont les carburants liquéfiables qui présentent une vitesse de régression plus élevée car elle n’est uniquement dépendante de la position de la flamme. Les propriétés radiatives de la flamme et du carburant, l’enthalpie de gazéification (qu’elle soit d’origine thermodynamique ou chimique) ou encore
la masse molaire des produits gazeux peuvent également jouer un rôle dans la vitesse de régression.
a)
b) Figures 1.4 : Différences dans la structure de flamme entre un carburant liquéfiable, ici une paraffine pure (a) et un carburant non liquéfiable, ici du polyéthylène (b). Illustrations issues de la référence [14].
2.2.3 Observations et critiques
La synthèse précédente de l’état de l’art a permis de mettre en évidence qu’expérimentalement, les carburants utilisés sont caractérisés par leurs vitesses de régression globale ou, pour les bancs plus sophistiqués, leurs aptitudes à former une couche liquide. Il est possible de trouver un volume de données conséquent concernant la vitesse de régression de nombreux carburants différents [15, 16, 17], notamment sous la forme des coefficients de l’équation de Marxman (voir l’Équation 1.1).
Cette approche consistant à partir d’un résultat de tir au banc d’essais pour remonter à une caractéristique du carburant, ne permet pas d’expliquer la raison des valeurs obtenues. De plus les résultats alors obtenus sont intrinsèquement liés aux conditions d’essais, c’est pourquoi il est possible d’obtenir des vitesses de régression différentes pour un même carburant en fonction de l’oxydant avec lequel il réagit ou de la géométrie de l’injecteur [18] et de la chambre de combustion.