Les propergols solides électriques sont explorés comme une option plus sûre pour la pyrotechnie, exploitation minière, et la propulsion dans l'espace car ils ne s'enflamment qu'avec un courant électrique. Mais parce que toutes ces applications nécessitent une chaleur élevée, il est important de comprendre comment les températures élevées modifient la chimie des propulseurs. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Université des sciences et de la technologie du Missouri, et la NASA a utilisé un modèle informatique qui simule les propriétés thermochimiques des matériaux à haute température pour prédire la thermochimie d'un nouveau propergol solide électrique haute performance.

"Dans les propulseurs à plasma pulsé d'ablation, il y a un plasma à haute température à côté de la surface du propergol solide électrique. La chaleur provoque l'élimination ou l'ablation de petites quantités de propulseur de la surface et se vaporise. Ce matériau ablaté est ensuite accéléré à des vitesses élevées pour propulser la fusée. Cependant, la température élevée modifie également la composition chimique du matériau. Nous n'avions pas cette information sur la composition chimique jusqu'à maintenant, " a déclaré Joshua Rovey, professeur agrégé au Département de génie aérospatial du Grainger College of Engineering de l'U of I.

De quelle chaleur parlons-nous ? A titre d'exemple, 12, 000 degrés Kelvin est la température de la surface d'une étoile. Le modèle a simulé des températures de 500 à 40, 000 degrés Kelvin.

A ces températures élevées, la chimie du propergol solide change. Le matériau Teflon conventionnel est composé de deux carbones et quatre fluors qui sont liés les uns aux autres. Pendant qu'il s'abîme, il sort si chaud que les molécules se dissocient. Les carbones et les fluors se détachent les uns des autres.

"Il fait si chaud que des électrons sortent de ces atomes, " Rovey a déclaré. "Maintenant, vous avez des électrons chargés négativement qui se déplacent et des ions chargés positivement qui restent sous forme de fluide. Le gaz chaud est éjecté du propulseur à des vitesses élevées qui génèrent une poussée et propulsent le vaisseau spatial. Ce travail est un modèle numérique pour prédire la thermodynamique et l'équilibre de ce propergol lorsqu'il se vaporise et se trouve à ces températures élevées."

La recherche a commencé avec un modèle numérique précédemment développé pour le matériau en téflon et des données pour fournir une référence. Après avoir confirmé qu'ils simulaient correctement le téflon, les chercheurs ont utilisé le même modèle, mais en utilisant les conditions d'entrée du propulseur électrique haute performance pour prédire sa conductivité et son ionisation aux mêmes températures que le téflon.

L'un des principaux enseignements de l'étude est que le propulseur électrique haute performance a une enthalpie plus élevée (énergie stockée dans le gaz) à ces températures extrêmes.

"Nous pouvons avoir plus de ce qu'on appelle des pertes d'écoulement gelées associées à ce matériau qu'avec le téflon, " Rovey a déclaré. "Le propulseur électrique haute performance stocke plus d'énergie à l'intérieur du gaz. Pour la propulsion, nous voulons que cette énergie serve à accélérer le gaz. Nous ne voulons pas mettre beaucoup d'énergie dans ces modes internes. Oui, ça fait du gaz très chaud, mais nous voulons du gaz à grande vitesse.

« C'est l'un des inconvénients de son utilisation :stocker plus d'énergie dans ces modes internes réduit l'efficacité. Ce que cette recherche a montré, c'est que la raison en est fondamentalement due à la thermochimie du matériau :la composition des atomes et des propulseur et comment ils réagissent à la chaleur intense et aux températures élevées."

Rovey a déclaré que les informations de ce travail peuvent être appliquées à d'autres applications de propergol solide, comme la pyrotechnie ou en ablation laser.

"Qu'il s'agisse d'un propulseur à plasma pulsé alimenté par ablation, un laser faisant l'ablation d'une surface, ou une autre technique de dépôt énergétique, nous étudions simplement comment ce matériau se comporte à différentes températures, comment sa composition chimique change.

L'étude, "Propriétés thermodynamiques du plasma à propergol solide électrique à base de nitrate d'hydroxylammonium, " apparaît dans le Journal de thermophysique et transfert de chaleur .