Experimental and numerical study of the decomposition an energetic ionic liquid for a green monopropellant development
Étude expérimentale et numérique de la décomposition d'un liquide ionique énergétique pour le développement d'un propulseur à monergol vert
Résumé
This study is part of a joint CNES-ONERA project dedicated to research on green propellants for space propulsion. Most attitude and orbit control systems use the catalytic decomposition of hydrazine, which results in catalyst issue and hydrazine handling constraints. CNES has proposed a new family of green monergol based on energetic ionic liquids. These HPGMs (High Performance Green Monopropellant) offer a propulsion system more efficient and less toxic.
The final objective of the project is to initiate thermally the ionic energy liquid decomposition in order to eliminate the catalysts. The aim of the thesis is to characterize the ignition and combustion of these innovative monopropellants. This work presents an experimental approach to observe the decomposition of HPGM using two experimental setups. An isolated droplet setup permits to detect of an ignition threshold pressure, but also a first approximation of the regression rate. A second gutter experimental setup extended the pressure range for this measurement, while reducing uncertainty. Finally, a numerical model has been proposed to represent the regression rate of these monopropellants and their combustion in spray.
La plupart des systèmes de contrôle d’attitude et d’orbite utilisent la décomposition catalytique de l’hydrazine. La mise en œuvre de cet ergol induit de nombreuses contraintes opératoires parmi lesquelles la nécessiter de préchauffer le lit catalytique pour en limiter l’usure. Par ailleurs, l’hydrazine constitue une substance hautement toxique, objet d’une potentielle interdiction à moyen terme par la réglementation REACh. Le CNES a proposé une nouvelle famille de monergols verts à base de liquides ioniques énergétiques ayant une potentialité de performance accrue par rapport aux systèmes à hydrazine. La température de flamme théorique de ces liquides énergétiques est supérieure à la température de décomposition des monergols traditionnels, et nécessite donc le développement d’une chambre de combustion spécifique. Pour cela, il est nécessaire d’étudier la décomposition de ces produits, et de caractériser la vitesse à laquelle ils libèrent leur énergie dans la chambre de combustion.
Deux montages expérimentaux ont été développés dans le cadre de cette thèse. L’observation de gouttes isolées en décomposition dans une atmosphère contrôlée de 15 Pa à 1,15 MPa a permis de réaliser des mesures de vitesse de régression de goutte par méthode optique et de déterminer une pression seuil d’allumage des liquides d’étude. Ensuite, l’étude de la combustion du liquide dans une gouttière conditionnée en température avec des méthodes optiques et thermiques a permis d’observer le comportement d’une nappe en fonction de la pression et de sa température initiale.
Finalement, un modèle de décomposition a été proposé sur la base des résultats expérimentaux et implémenté dans le code CEDRE de l’ONERA. La modélisation d’un spray dans une configuration simplifiée a permis de réaliser une étude de sensibilité des paramètres du modèle. Ces simulations ont permis de mettre en lumière les paramètres nécessitant une attention particulière pour la caractérisation chimique nécessaire des monergols et le dimensionnement futur d’une chambre de combustion.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...