Injection de bi-ergols liquides par triplet de jets impactants : caractérisation fine de l’atomisation et de la combustion
Auteur / Autrice : | Nicolas Riaud |
Direction : | Marc Bellenoue, Bastien Boust |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Energétique, thermique, combustion |
Date : | Soutenance le 12/07/2021 |
Etablissement(s) : | Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME |
Jury : | Président / Présidente : Frédéric Grisch |
Examinateurs / Examinatrices : Lilian Prévost | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Nabiha Chaumeix, Jérôme Anthoine |
Résumé
Dans une logique concurrentielle bouleversant le secteur spatial, l’Europe doit repenser ses lanceurs et leurs systèmes propulsifs. Substitut vert de l’hydrazine toxique, le peroxyde d’hydrogène est apte à stabiliser une combustion auto-entretenue d’un spray biergol avec l’éthanol ou des alcanes non hypergoliques. Il se pose alors la problématique des mécanismes qui la contrôlent dans la configuration d’injection par impact de jets. Deux bancs sont déployés à ces fins : AILEFS pour caractériser la pulvérisation inerte en environnement idéal et ACSEL pour l’étude de sa combustion en chambre avec les ergols et injecteurs usinés. Avec l’eau pour substitut du peroxyde, l’atomisation est caractérisée vis-à-vis des conditions opératoires : effet du jet central du triplet OFO, des vitesses de jets, et du liquide utilisé pour le combustible. L’atomisation pilotant l’évaporation des gouttes, leur granulométrie et leur vélocimétrie sont déterminées en plusieurs positions par ombroscopie à fort grossissement et comparées à un calcul de transport et d’évaporation. La pulvérisation d’ergols, caractérisée in situ en conditions réactives à iso-débit d’oxydant, met en évidence l’effet de l’environnement et de la position de la flamme, en comparaison au cas inerte. La combustion est ensuite diagnostiquée pour les sprays d’éthanol ou d’alcanes et en fonction du diamètre de col de la tuyère utilisée. À long temps de séjour, un rendement de vitesse caractéristique élevé est obtenu en éthanol. Un décrochage est rapidement observé en diminuant ce temps, ou en substituant le fuel par un alcane. S’appuyant sur la caractérisation des sprays, l’accrochage est alors analysé au regard des distributions de tailles de gouttes, des temps d’évaporation, et des recirculations. L’oxydant, qui présente une cinétique d’évaporation moins rapide que le combustible, est alors limitant pour la réaction ce qui est défavorable à l’accrochage en mélange riche.