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.