Caractérisation de l'allumage hypergolique entre le borazane et l'acide nitrique

Le borazane (AB pour ammonia borane en anglais), outre l’intérêt qui lui est porté en tant qu’excellente source d’hydrogène, notamment dans le secteur automobile, acquiert une attention grandissante dans le domaine de la propulsion spatiale. En effet, en plus d’être relativement dense énergétiquement, l’AB (H3NBH3) peut former un mélange hypergolique avec certains ergols comburants comme l’acide nitrique (HNO3) ou le peroxyde d’hydrogène concentré (H2O2). L’hypergolicité, c’est-à-dire la capacité d’un mélange à amorcer spontanément une réaction de combustion au simple contact des deux composés, est particulièrement recherchée pour les ergols de moteur-fusée. Cette propriété, pour certaines combinaisons d’ergols, permet d’éviter le besoin d’avoir des dispositifs dédiés à l’allumage du moteur, parfois lourds et complexes. Dans un moteur-fusée hybride classique (combustible solide et comburant liquide), le borazane aurait le potentiel de servir d’additif au combustible et ainsi réduire la complexité, la masse et le prix du système. De plus, l’AB offre une alternative plus sécuritaire aux ergols hypergoliques toxiques tels que l’hydrazine, le MMH et l’UDMH, utilisés dans certains moteurs-fusées liquides. Dans le contexte actuel des lancements spatiaux, où la miniaturisation des satellites et le développement de constellations satellitaires sont en plein essor, l’intérêt pour des lanceurs dédiés, flexibles et peu coûteux est en constante croissance. L’utilisation d’additifs hypergoliques comme le borazane est l’une des pistes explorées pour la mise au point de la prochaine génération de lanceurs spatiaux, plus sécuritaires et économiques. Cependant, la réaction hypergolique entre l’AB et l’acide nitrique est encore mal comprise. La plupart des études concernant ce mélange visent principalement à mesurer le délai d’allumage, soit le temps nécessaire entre la mise en contact des deux ergols et l’apparition d’une flamme. Les produits de réaction, les mécanismes de réaction et les conditions d’allumage sont encore peu documentés et compris. Plusieurs études ont quantifié l’effet de certains paramètres sur le délai d’allumage (granulométrie de l’additif, pression ambiante, épaisseur de la couche d’oxydant, etc.), mais le manque de données fondamentales sur la réaction hypergolique nuit au développement d’un modèle prédictif adéquat pour le délai d’allumage entre le borazane et l’acide nitrique. L’objectif principal de ce travail est donc de mettre au point un montage expérimental et les outils d’analyse nécessaires pour la caractérisation de l’allumage entre l’AB et l’acide nitrique. Cette caractérisation est effectuée dans l’optique d’obtenir les données requises au développement futur d’un modèle de réaction hypergolique.

Abstract

Ammonia borane (AB), besides its appeal as an excellent source of hydrogen, particularly in the automotive sector, is gaining increasing attention in the field of space propulsion. Indeed, as well as being relatively energy dense, AB (H3NBH3) can form a hypergolic mixture with certain oxidizers such as nitric acid (HNO3) or concentrated hydrogen peroxide (H2O2). Hypergolicity, i.e. the ability of a mixture to spontaneously ignite on simple contact of the two compounds, is particularly sought-after for rocket engine propellants. For some propellant combinations, this property could obviate the need for dedicated ignition devices, which can be complex and heavy. In a conventional hybrid rocket engine (solid fuel and liquid oxidizer), ammonia borane would have the potential to serve as a fuel additive, reducing the complexity, mass and cost of the system. Furthermore, AB offers a safer alternative to toxic hypergolic propellants such as hydrazine, MMH and UDMH, used in some liquid rocket engines. In the current context of space launches, where satellite miniaturization and the development of satellite constellations are booming, the interest in dedicated, flexible, and cost-effective launchers is constantly growing. The use of hypergolic additives such as ammonia borane is one of the avenues being explored for the development of the next generation of safer, more economical space launchers. However, the hypergolic reaction between AB and nitric acid is still poorly understood. Most studies concerning this mixture primarily aim to measure the ignition delay (ID), which is the time required between the contact of the two propellants and the appearance of a flame. The reaction products, reaction mechanisms, and conditions needed for ignition are still poorly documented and understood. Several studies have quantified the effect of certain parameters on the ignition delay (additive granulometry, ambient pressure, oxidizer layer thickness, etc.), but the lack of more fundamental data on the hypergolic reaction hinders the development of an adequate predictive model for the ID between AB and nitric acid. The main objective of this work is therefore to develop an experimental setup and the necessary analysis tools for the characterization of ignition between AB and nitric acid. This characterization is carried out with the aim of obtaining the data required for the future development of a hypergolic reaction model. First, an atmosphere-controlled test tube is designed and manufactured to allow the observation of the hypergolic reaction. This tube is equipped with thermocouples to estimate the amount of energy released and transmitted to both the flow and the fuel pellet following the reaction. The flow in the tube is controlled and measured using mass flow controllers previously calibrated to provide a constant flow of inert gas.