Modélisation de l'allumage d'un carburant hypergolique pour la propulsion de fusées hybrides

Le borazane (AB pour 'ammonia borane' en anglais) a rapidement attiré l'attention de par sa capacité à pouvoir stocker le dihydrogène, car l'AB est composé à 19.6% en masse de H2. Avec l'acide nitrique, l'AB peut former un mélange hypergolique, c'est à dire permettant un allumage spontané sans dispositif particulier. Un carburant hybride, dont l'ergol solide est composé d'AB comme additif dans une matrice de paraffine et l'ergol liquide composé d'acide nitrique concentré (WFNA pour 'White Fuming Nitric Acid' en anglais) permettrait de ne plus utiliser les mélanges hypergoliques classiques contenant souvent de l'hydrazine et ses dérivés, des substances très toxiques. Afin que ce carburant hybride soit viable, son délai d'allumage (ID, de l'anglais 'Ignition Delay'), le temps au bout duquel le mélange hypergolique s'enflamme, doit être inférieur à 10 ms. Certains travaux montrent qu'il est possible de contrôler la valeur du délai d'allumage en ajoutant un polymère, l'alpha-oléfine, dans la paraffine, dont un des effets principaux semble être d'augmenter la viscosité de la paraffine fondue. Dans les travaux présentés ici, une simulation 1D multiphysique en différences finies a été implémentée afin de modéliser les réactions chimiques, transferts thermiques et transports de matière entre les trois phases en jeu : la phase solide composée d'AB dans une matrice de paraffine, la phase liquide composée de WFNA et de la paraffine fondue, et la phase gazeuse. Le manque de données dans la littérature a nécessité la réalisation d'expériences simples pour fournir de l'information sur la cinétique et la thermodynamique de la réaction initiale entre l'AB solide et le WFNA. Cela a permis de regrouper toutes les valeurs d'entrée pour la réalisation d'une première simulation numérique permettant le calcul des valeurs de délai d'allumage. Ces résultats de simulation ont ensuite été confrontés aux valeurs expérimentales obtenues par l'équipe de Elzein et al [1], dont les mesures ont aussi été prises à Polytechnique Montréal. Tout comme dans les tests expérimentaux, les résultats numériques montrent que le délai d'allumage semble décroître avec la viscosité de la paraffine fondue, liée à la concentration en alpha-oléfine. Cependant, la décroissance est beaucoup moins marquée pour les résultats numériques, qui varient de quelques millisecondes contrairement aux résultats expérimentaux pouvant varier de plusieurs dizaines de millisecondes. En revanche, la taille des grains d'AB a un impact beaucoup plus prononcé sur les résultats numériques. Plus les grains sont gros, plus l'ID diminue et moins celui-ci dépend de la viscosité de la paraffine, alors que cela n'est pas observé dans les résultats expérimentaux.

Abstract

The storage of hydrogen is one of the main obstacles to the use of this energy carrier in different kinds of space propulsion, or even in the car industry. The Ammonia Borane (AB) quickly drew attention due to its ability to store hydrogen in solid state, as AB is composed of 19.6 wt.% of hydrogen. With nitric acid, AB forms a hypergolic mixture, allowing spontaneous ignition without ignition device. A hybrid fuel, with the solid propellant composed of AB as an additive in a matrix of paraffin, and the liquid propellant composed of White Fuming Nitric Acid (WFNA) would make it possible to get rid of classic toxic hypergolic mixture, usually containing hydrazine and its derivatives. To make this hybrid fuel viable, its Ignition Delay (ID), the time take by the mixture to spontaneously ignite, should be less than 10ms. Studies show that it's possible to control the value of the ID by adding a polymere additive in the paraffin, here the alpha-olefin (AO), to increase the viscosity of the molten paraffin. In this work, a 1D finite difference multiphysics has been implemented in order to model the chemical reactions, and physical phenomenona between the three phases involved: solid phase composed of AB in paraffin, liquid phase composed of WFNA and molten paraffin, and the gas phase, where the ignition occurs. Simple experiments were needed to provide data on the kinetic of the initial reaction between solid AB and WFNA, that was missing in the litterature. This allowed to regroup all the inputs for the realisation of a first numerical simulation allowing the calculation of numerical values of the ID. The results of the simulation were then compared with the experimental values obtained by Elzein and al., whose experiments were performed at Polytechnique Montreal. Just like the experimental data, the results from the numerical simulation shows that the value of ID seems to decrease with the viscosity of the molten paraffin, thus with the concen- tration of AO. However, this decrease is less important in the simulation, where there is only few milliseconds of variation of the value of the ID, whereas this variation is about tens of milliseconds in the experiments. In contrast, the effect of the size of the grains of AB seem to be overestimated in this numerical model. The bigger the grains of AB are, the lower the ID is, and the weaker is the dependance of the ID with respect to the viscosity, which is not seen in the experimental values.