Kiinteä ajoaine

Käyttövoima kiinteän polttoaineen tarkoitetaan tekniikkaa, käyttövoiman ja raketti käyttää kiinteän polttoaineen (tai jauhe). Kiinteä ponneaine koostuu pääasiassa kotelosta, joka sisältää ponneaineen , sytyttimen ja suuttimen . Jauhelohko lävistetään pitkittäisellä kanavalla, joka toimii polttokammiona. Kun ponneaine sytytetään, kanavan puolen jauhelohkon pinta alkaa palaa, jolloin syntyy korkeapainepolttokaasuja, jotka poistuvat suuttimen läpi. Antamalla kanavalle tietty geometria on tietyssä määrin mahdollista määritellä työntökäyrä, joka täyttää sen käytön erityistarpeet.

Tämän tyyppinen potkuri on yksinkertaisempi suunnitella kuin nestemäisen potkurin potkuri, ja se voi tuottaa erittäin suuria työntövoimia suhteellisen alhaisin kustannuksin viimeksi mainittuun nähden (avaruussukkulapotkurin työntövoima on 1250 tonnia). Toisaalta niiden ominaisimpulssi on paljon heikompi (noin kaksi kertaa matalampi) ja työntövoima on heikosti säädettävissä eikä sitä yleensä voida pysäyttää ennen palamisen loppua.

Kiinalaiset toteuttivat lähes kahdeksansataa vuotta kotitekoisten rakettien valmistamiseksi kiinteitä potkuripotkuria käytetään nyt sotilaallisiin sovelluksiin ( ohjukset ), koska tämän tyyppinen potkuri voidaan toteuttaa nopeasti (ei lastauspotkuria ennen laukaisua) pitkän varastoinnin jälkeen . In rakettien moderni, niitä käytetään laajasti ajoaineena ylimääräistä 1 s kerros antamalla jopa 90% alkuperäisestä työntövoiman.

Kiinteän ponneaineen ponneaineen suorituskyky liittyy ennen kaikkea uusien kemiallisten seosten kehittämiseen ja ponneaineen palamisprosessin sekä jauhelohkon valmistusprosessin hallintaan. Tämä kemian ala kehittyy jatkuvasti. Vain harvat maat ovat nykyään oppineet tehokkaimpien ponneaineiden käytön.

Historiallinen

Ensimmäinen raketteja Kiinassa ja Lähi-idässä ja lännen XIII : nnen vuosisadan oli virtansa kiinteän polttoaineen perustuu ruuti . Kunnes XX : nnen vuosisadan , kaikki raketit käytettyjen muodossa tai toisessa kiinteän polttoaineen. XX th luvulla syntyminen käyttövoiman nestemäistä ponneainetta ja hybridit, tehokkaampia, joka mahdollisti erityisesti moduloida työntövoiman.

Kuvaus

Yksinkertainen kiinteä ponneainekoneisto koostuu kotelosta, yleensä teräksestä, suuttimesta , jauheesta (ponneaine) ja sytyttimestä. Jauhelohko lävistetään yleensä akselilla sijaitsevalla kanavalla, joka toimii polttokammiona . Sytytin sytyttää jauheen kanavan toisessa päässä ja palaminen leviää välittömästi kanavan koko muodon ympäri. Tämä laajenee vähitellen palamisen edetessä. Kiinteänä massana esiintyvä jauhe palaa ennustettavissa olevalla nopeudella tuottaen palamiskaasuja, jotka poistuvat suuttimen läpi. Tämän koko lasketaan halutun paineen ylläpitämiseksi polttokammiossa samalla, kun tuotetaan odotettu työntövoima.

Ponneaine sisältää sekä polttoainetta että hapetinta. Muut komponentit lisätään pienempinä osuuksina:

sideaine
silloitusaine
katalyytti , joka edistää kemiallista reaktiota
mahdollisesti palonsäädin

Sytytettyä komposiittijauhepotkuriainetta ei voida enää sulkea, koska palotila sisältää kaikki komponentit palamisprosessin tukemiseksi. Kehittyneimmät potkurit paitsi sallivat työntövoiman ohjaamisen, mutta ne voidaan myös sammuttaa ja käynnistää uudelleen muuttamalla suuttimen geometriaa ja käyttämällä tuuletusaukkoja. On myös pulssisuihkuja, jotka palavat segmentteinä ja jotka voidaan tarvittaessa sytyttää uudelleen.

Nykyaikaiset potkurit voivat sisältää ohjattavan suuttimen ohjausta varten, ilmailutekniikan, palautusjärjestelmän (laskuvarjo), itsetuhoamismekanismit, apuvoiman generaattorin sekä moottoreita, jotka ohjaavat raketin suuntaa.

Design

Kiinteän rakettipotkurin rakenne johtuu olennaisesti odotetusta työntövoimasta, joka itse määrää hapettimen ja pelkistimen massan. Kiinteän ponneaineen geometria ja tyyppi on asetettu vastaamaan ponneaineen ominaisuuksia.

Seuraavat parametrit valitaan tai määritetään yhdessä; Kun ne on kiinnitetty, ne mahdollistavat jauhelohkon, suuttimen ja kotelon geometrian kiinnittämisen:

Jauhe palaa laskettavalla nopeudella, joka on paljaan jauhelohkon alueen ja palotilassa olevan paineen funktio.
Polttokammion paine määräytyy suuttimen halkaisijan ja jauheen palamisnopeuden perusteella
Polttokammion painetta rajoittaa kotelon rakenne
Palamisaika määräytyy jauhekerroksen paksuuden mukaan (määritetään raketin ja polttokanavan halkaisijan perusteella)

Jauhe voi olla tai olla integraalinen kirjekuoren kanssa. Ponneaineita, joissa on jauhekappale, joka on kiinteä kotelon kanssa, on vaikeampaa suunnitella, koska jauhekappaleen ja kotelon muodonmuutoksen on oltava yhteensopiva palamisajan kanssa.

Tämäntyyppisen työntövoiman tavallisimpia ongelmia ovat ilmataskujen tai halkeamien esiintyminen jauhelohkossa sekä lohkon erottaminen kotelosta. Kaikki nämä viat aiheuttavat välitöntä palamispinnan kasvua ja samanaikaisen tuotetun kaasun määrän ja paineen kasvua, mikä voi mahdollisesti olla syynä vaipan rikkoutumiseen.

Toinen tapaustapa liittyy liitosten suunnitteluun, jotka muodostavat liitoksen kirjekuoren eri segmenttien (osien) välillä. Useiden segmenttien olemassaolo on välttämätöntä, kun vaippa on avattava jauhelohkon lataamisen mahdollistamiseksi. Kun tiiviste menettää sinettinsä, kuumat kaasut laajentavat vähitellen aukkoa, kunnes ponneaine tuhoutuu. Tämän tyyppinen epäonnistuminen oli syy avaruussukkula Challengerin kaatumiseen .

Jauhelohkon geometria

Palotilassa paljastuneen jauhelohkon pinta palaa. Näin ollen lohkon läpi kulkevan kanavan geometrialla on tärkeä rooli potkurin voimassa. Palamisen edetessä kanavan muoto muuttuu, mikä muuttaa palamiseen altistuneen jauhelohkon pinta-alaa. Syntyneen kaasun tilavuus (ja siten paine) riippuu hetkellisestä pinta-alasta (m²) ja palamisnopeudesta (m / s): $Kuten}$ $b_ {r}$

${\ dot {m}} = \ rho \ cdot A_ {s} \ cdot b_ {r}$

Kanavan osan muoto ja sen keskitys ovat ominaisia jokaiselle potkurille. Samaa potkuria varten osan muoto voi myös vaihdella pituussuunnassa (siten Ariane 5 -potkurien yläosassa on tähtikanava ja kahdelle muulle segmentille pyöreä kanava). Yleisimmin käytetyt geometriat riippuvat halutusta työntökäyrästä:

Sylinterimäinen kanava
C-paikka
Kuun poltin
5-haarainen Finocyl

Pyöreä kanava: tuottaa ensimmäisen nousevan ja sitten laskevan työntökäyrän.
Palaminen lohkon päässä: jauhe palaa sylinterin päässä tarjoten erittäin pitkän palamisajan, mutta vaikeasti hallittavissa olevilla lämpöjännityksillä ja painopisteen siirtymällä.
C-paikka: kanavalla on suuret leikatut kulmat akselinsa ympäri, mikä mahdollistaa pitkän laskevan työntövoiman tuottamisen, mutta lämpöjännityksillä ja painopisteen epäsymmetrialla.
Moon Burner: epäkeskinen kanava tuottaa pitkän palamisen, joka ensin kasvaa ja sitten vähenee, mikä aiheuttaa painopisteen epäsymmetrian.
Finosyyli: kanava on tähtimäinen, yleensä viidellä tai kuudella haaralla, mikä mahdollistaa käytännössä vakion työntövoiman palamisnopeudella hieman nopeammin kuin sylinterimäisen kanavan tapauksessa nopeamman palamisen lisääntymisen vuoksi pinta.

Kirjekuori

Kiinteän polttoainepotkurin kotelo on suunniteltava kestämään rakettimoottorin paine ja jännitykset erittäin korkeissa lämpötiloissa. Suunnittelussaan koteloa on pidettävä paineastiana. Kirjekuori voidaan rakentaa monenlaisista materiaaleista. Vastustaakseen paineita tehokkaimmat potkurit on valmistettu teräksestä. Tehokkaampien potkurien kotelot (tyhjän painon / lentoonlähtöpainon suhde) on valmistettu hiilikuidusta . Tehokkaimmissa potkureissa vaippa koostuu useista segmenteistä, jotta jauhesegmentti voidaan ladata segmenteittäin. Segmenttien välinen yhteys on kotelon heikko kohta, joka on suunniteltava kestämään sekä painetta että erittäin korkeita lämpötiloja.

Suojaamaan koteloa kuumilta ja syövyttäviltä kaasuilta, kotelon sisäseinään sijoitetaan usein ablatatiivinen lämpösuoja. Tämän suojan ja jauhekappaleen väliin sideaine ( vuori ) kiinnittää jauhekappaleen ja kotelon.

Suutin

Suutin, joka käsittää toisistaan ja sillä konvergoivan kiihdyttää kaasujen tuottamiseksi työntövoiman. Suutin on valmistettu materiaalista, jonka on kestettävä kuumien kaasujen saavuttama lämpötila. Käytetään pääasiassa hiiltä kestävään lämpötilaan perustuvia materiaaleja , kuten hiili-hiili-komposiittimateriaali tai hiili-hartsi.

Jotkut potkurit voivat hallita työntövoiman suuntaa. Suutin voidaan asentaa kardaanille kuten amerikkalaisen avaruussukkulan SRB : n tai Ariane 5: n EAP : n tapauksessa , tai voimme käyttää kaasusuihkun ohjaimia kuten V2- raketissa tai injektoida nesteitä kaasuputkesta. suutin. Viimeksi mainitussa tekniikassa ruiskutetaan nestettä suuttimen kurkun jälkeen: yleensä kemiallinen reaktio tapahtuu muodostuneiden kaasujen kanssa; lisäämällä epäsymmetrinen massa suihkun toiselle puolelle luo vääntömomentin, jonka avulla raketti voi pyöriä. Kiinteä ajoaineet on Titan III C raketti käyttö typen peroksidin varten tähän tarkoitukseen .

Esitys

Hyvin suunniteltu kiinteä rakettiainekaasu antaa 265 sekunnin spesifisen pulssin , jota voidaan verrata kerosiinin / nestemäisen hapen (330 s ) ja nestemäisen vety / nestemäisen hapen (450 s ) seoksen pulssiin .

Tämän tyyppinen potkuri voi tarjota voimakkaan työntövoiman suhteellisen alhaisin kustannuksin. Tästä syystä kiinteää rakettipotkuria käytetään rakettien ensimmäisessä vaiheessa, kun taas korkean spesifisen impulssin moottorit, erityisesti vetyä käyttävät, on varattu ylemmille vaiheille. Lisäksi kiinteitä potkureita on aina käytetty satelliittien sijoittamiseen lopulliselle kiertoradalleen ( apogee-moottori ), koska ne ovat yksinkertaisia, luotettavia, pienikokoisia ja niillä on suhteellisen korkea ominaisenergia.

Sotilaalliseen käyttöön toinen tärkeä etu on tämän tyyppisen ponneaineen kyky pystyä käyttämään pitkien varastointiaikojen jälkeen ja nopeuttaa sen toteuttamista (ei pitkiä ja hienovaraisia tankkauksia juuri ennen käyttöönottoa. Tulipalo).

Käytetyt ponneaineet

Kiinteän ponneaineen ponneaineen suorituskyky liittyy ennen kaikkea ponneaineen koostumuksen ja palamisprosessin sekä jauhelohkon valmistusprosessin säätelyyn. Tämä kemian ala kehittyy jatkuvasti. Vain harvat maat ovat nykyään oppineet tehokkaimpien ponneaineiden käytön.

Kahden emäksen ponneaineet: esimerkiksi nitroselluloosa ja nitroglyseriini , joiden pulssi on 235 sekuntia.
Yhdistetyt ponneaineet
- Yleisin nykyaikaisten kantorakettien käyttämistä komposiiteista on komposiitti ammoniumperkloraattiponneaine, jossa on ammoniumperkloraatin (hapetin), alumiinijauheen (pelkistin) ja polybutadieenin (polttoaine, jolla on myös rooli. Sideaine) seos . Saatu ominaisimpulssi on 250 sekuntia.
- Korkean suorituskyvyn komposiitit, jotka on saatu sekoittamalla komposiitti suuritehoisten räjähteiden kanssa, kuten HMX ja RDX, saavuttavat 275 sekunnin spesifisen impulssin, mutta niitä käytetään vähän suurempien onnettomuusriskien takia.

Amatööri- tai kokeelliset raketit
- Musta jauhe ( hiili , kaliumnitraatti ja rikki ) antaa tietyn impulssi 80 sekuntia ja työntövoima noin 40 newtonia .
- Sinkki ja rikki : polttaa hyvin nopeasti (eteneminen palamisen edessä 2 metriä sekunnissa ).
- Sokeri ponneaine : hapetin (kaliumnitraatti esimerkiksi) ja sokeri-polttoainetta ( sakkaroosi , glukoosi ) tarjoaa erityisen pulssin 130 sekuntia .

Kiinteän rakettien laukaisupotkurin valmistus

Kun kirjekuori on saatavilla ja sen lämpösuoja on asennettu sisäseinään, ponneaineen ja rakenteen välisen yhteyden varmistamisesta vastaava sideaine päällystetään. Ponneaineen ainesosia vaivataan pitkään kuin leipätaikina. Tulos kaadetaan sitten potkurin koteloon, johon on tilapäisesti sijoitettu ydin, jonka on annettava haluttu muoto keskikanavalle halutun työntölainsäädännön aikaansaamiseksi. Tuloksen laatu tarkistetaan rikkomattomilla testausvälineillä (röntgensäteet, ultraääni, lämpökuvaus).

Esimerkkejä kiinteistä rakettien ponneaineista

	EAP Ariane 5 (tilintarkastustuomioistuin)	SRB: n amerikkalainen avaruussukkula
Keskimääräinen työntövoima (max)	498 tonnia (671 tonnia tyhjiössä)	1250 tonnia (1380 tonnia merenpinnalla)
Palamisaika	129 sekuntia	123 sekuntia
Tyhjä massa	31 tonnia	91 tonnia
Kokonaismassa	269 tonnia	590 tonnia
Ponneaine	Ammoniumperkloraatti , alumiinijauhe ja polybutadieeni	Ammoniumperkloraatti (70%), alumiinijauhe (17%) ja polybutadieeni (11%)
Erityinen impulssi	275 s	268 s
Suurin paine	61 baaria
Mitan korkeus × halkaisija	31 × 3 metriä	45 × 3,71 metriä
Kirjekuori	Teräs koostuu kolmesta segmentistä	Viiden segmentin teräs
Sitova
Lämpösuojaus
Työntökäyrä / kanavan muoto	Tähtikanava (yläosa) sitten lieriömäinen	Yksitoista haarainen tähtikanava (ylempi segmentti) kaksoiskartio katkaistu muissa neljässä segmentissä
Suutin	Metallinen ja komposiitti
Työntövoiman suuntaus	6 ° hydraulisylinterillä	8 ° hydraulisylinterillä
Muu		Kaksi hydratsiinilla toimivaa apuvoimaa

Huomautuksia ja viitteitä

(fr) Tämä artikkeli on osittain tai kokonaan otettu Wikipedian englanninkielisestä artikkelista " Solid-fuel rocket " ( katso luettelo kirjoittajista ) .

(en) Sutton, George P., rakettien työntövoiman elementit; 7 painos , New York, Wiley-Interscience ,2000, 7 th ed. , 751 Sivumäärä ( ISBN 978-0-471-32642-7 , LCCN 00027334 , lue verkossa )
Työntövoiman tapauksessa sana "ton" viittaa voimayksikköön, joka vastaa tuhatta kilogrammaa voimaa eli noin 9 806 newtonia .

Liitteet

Bibliografia

Daniel Marty, Avaruusjärjestelmät: suunnittelu ja tekniikka , Masson,1994, 336 Sivumäärä ( ISBN 978-2-225-84460-7 )
CNES & CILF, spatiologian sanakirja , CILF,2001( ISBN 978-2-85319-290-3 )
Philippe Couillard, kantoraketit ja satelliitit , Cépaduès éditions,2004, 246 Sivumäärä ( ISBN 978-2-85428-662-5 )
(in) George P Sutton Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements 8 th Edition , Hoboken, NJ, Wiley ,2010, 768 Sivumäärä ( ISBN 978-0-470-08024-5 , lue verkossa )
Alain Davenas, kiinteä polttoainetekniikka ,1988( ASIN B0014IY2TC )

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoiset linkit

(en) Intian S200-potkurin ominaisuudet [PDF]
Panokset strategisten ohjusten vankasta käyttövoimasta (Ranska 2008) - Strategisen tutkimuksen säätiö [PDF]
(en) A.Braeunigin rakettimoottorisivu
( fr ) Astronautix-sivusto: myynti potkuripotkurit
(en) Ariane 5 EAP
(en) NASA: n verkkosivuston opetussivu