PortailForumCalendrierFAQRechercherS'enregistrerMembresGroupesConnexionAccueil
Partagez | 
 

 Rapport d'ergols liquides

Voir le sujet précédent Voir le sujet suivant Aller en bas 
AuteurMessage
Stratespace




Masculin Nombre de messages : 4
Age : 34
Localisation : Toulouse
Date d'inscription : 25/04/2014

MessageSujet: Rapport d'ergols liquides   Jeu 23 Fév 2017 - 20:09

Bonjour à tous,

j'en fais appel aux amateurs éclairés en propulsion. Il semblerait que régulièrement, pour augmenter l'Isp de certains moteurs, les proportions stœchiométriques des ergols liquides ne soient pas respectées dans les chambres à combustion. D'un côté, je comprends le besoin d'alourdir la masse des particules éjectées en surdosant le carburant, mais:
1) La conservation de la quantité de mouvement (à la base de l'accélération de la fusée) ne serait pas plus efficace en accélérant ces particules avec leur pendant en comburant ?

D'un autre côté, il semblerait que certains moteurs aient besoin d'une fine pellicule d'ergol (carburant ou comburant) entre les flammes et les tuyères pour refroidir ces dernières. Mais:
2) Le réchauffage du carburant (et plus rarement du comburant) dans la paroi des tuyère n'est-il pas suffisant pour les refroidir ?
3) Cet ergol en sur-quantité qui sert de pellicule (en général le comburant) est-il brulé en post-combustion dans la tuyère ou ces moteurs impliquent forcément que l'ergol en surnombre soit celui de cette pellicule ?

Merci d'avance pour vos lumière, parce que je n'ai pas encore réussi à bien comprendre les choix des rapports non-stœchiométriques entre ergols.
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
cosmiste


avatar

Masculin Nombre de messages : 753
Age : 45
Localisation : lyon
Date d'inscription : 21/09/2011

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Jeu 23 Fév 2017 - 22:45

Un élément de réponse : subtile alchimie de 3 paramètres principaux :

rapport stoechiometrique LOX-kerosene >3,4, en pratique on utilise toujours un rapport de 2,3 à 3
rapport stoechiometriquie LOX -LH2 = 8, en pratique on est sur 4 à 6

Autre paramètre le refroidissement et la métallurgie qui limite la température.
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
David L.
Modérateur
Modérateur

avatar

Masculin Nombre de messages : 7942
Age : 44
Localisation : Le Mans
Date d'inscription : 16/08/2009

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Jeu 23 Fév 2017 - 22:48

cosmiste a écrit:
Un élément de réponse : subtile alchimie de 3 paramètres principaux :

rapport stoechiometrique LOX-kerosene >3,4, en pratique on utilise toujours un rapport de 2,3 à 3
rapport stoechiometriquie LOX -LH2 = 8, en pratique on est sur 4 à 6

Autre paramètre le refroidissement et la métallurgie qui limite la température.

Intéressant. De quel livre est-ce extrait ?
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Stratespace




Masculin Nombre de messages : 4
Age : 34
Localisation : Toulouse
Date d'inscription : 25/04/2014

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 0:20

J'ai la même question ?
Sinon, le mixture ratio n'a rien à voir avec le rapport stoechiometrique. C'est uniquement le rapport de masse entre comburant et carburant. Par exemple, le mixture ratio du RP-1 qui correspond à un rapport stoechiométrique de 1 vaut 2.35, ce qui est à peine différent de la vitesse max de ton graph de gauche (pourquoi c'est pas pile 2.35 sur ton graph ?).
De plus, le fait que ça soit le LOX et pas le fuel qui soit en surplus semble en contradiction avec ça: https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_propellant#Mixture_ratio
Bref, je ne comprends pas pourquoi le "mixture ratio" optimal n'est pas constant, mais varie en fonction de la pression de la chambre: http://www.braeunig.us/space/comb-OH.htm
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Henri
Modérateur
Modérateur

avatar

Masculin Nombre de messages : 4457
Age : 61
Localisation : Strasbourg, France
Date d'inscription : 22/09/2005

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 2:10

Stratespace a écrit:
...Sinon, le mixture ratio n'a rien à voir avec le rapport stoechiometrique. C'est uniquement le rapport de masse entre comburant et carburant. Par exemple, le mixture ratio du RP-1 qui correspond à un rapport stoechiométrique de 1 vaut 2.35, ce qui est à peine différent de la vitesse max de ton graph de gauche (pourquoi c'est pas pile 2.35 sur ton graph ?).
De plus, le fait que ça soit le LOX et pas le fuel qui soit en surplus semble en contradiction avec ça: https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_propellant#Mixture_ratio
Bref, je ne comprends pas pourquoi le "mixture ratio" optimal n'est pas constant, mais varie en fonction de la pression de la chambre: http://www.braeunig.us/space/comb-OH.htm
Bon clarifions : le rapport O/F stœchiométrique pour la combustion d'une chaîne genre alcane en [-CH2-]n est facile à calculer, 2 O par C et 1 O pour 2 H (je néglige les 2 H en bouts de chaine). D'où 48 g d'oxygène pour 14 g d'alcane. Ça nous donne un rapport O/F stœchiométrique de 48/14 ~ 3,4 (pas de confusion possible avec le nombre stœchiométrique de chaque espèce chimique engagé dans une réaction qui est un entier naturel ou une fraction sans dimensions, par exemple dans la réaction 2H2+O2->2H2O les nombres stœchiométriques sont respectivement 2, 1 et 2).
Pour le LOX et le LH2 c'est encore plus simple : 16 g d'O pour 2 g d'H cad 8
Dans les graphiques donnés par Cosmiste, les maximums de vitesse d'éjection (~Isp) correspondent à des rapports O/F plus faibles que les rapports O/F stœchiométrique, cad avec moins d'oxygène que ce qui serait nécessaire pour intégralement brûler le carburant et non pas en excès de comburant ! Tu interprètes mal les graphiques, la proportion d'oxygène augmente de la gauche vers la droite et les rapports O/F stœchiométrique sont à droite des max d'Isp...
Enfin le lien que tu donnes concerne les raisons structurelles ou aérodynamiques qui poussent à ne pas chercher le rapport O/F qui correspond au maximum d'Isp et ne réponds pas à ta question sur l'influence de la pression sur le rapport optimal.
Là la réponse est un peu plus subtile :
Pour simplifier, une réaction chimique du style A + B -> C est en fait un équilibre entre les deux membres de l'équation dont la position dépend de la température et de la pression (la température pour des raisons de dissociation de la vapeur d'eau par exemple). Pour l'influence de la pression : "si la pression s'élève, un équilibre chimique qui présente des gaz dans ses produits ou réactifs verra la réaction qui consomme le plus de gaz (et donc en produit le moins) favorisée. L'équilibre va évoluer dans le sens de la diminution des phases gazeuses (si elles existent)"
Jette un coup d’œil sur cette page de Wikipedia : https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9placement_d'%C3%A9quilibre_r%C3%A9actionnel
dont j'ai extrait cette citation.
En pratique c'est très compliqué car ces réactions génèrent de manière transitoires des foules de radicaux libres ou d'espèces chimiques (CO, HO, etc...)

_________________
Les fous ouvrent les voies qu'empruntent ensuite les sages. (Carlo Dossi)
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur http://goo.gl/GrrJMb
cosmiste


avatar

Masculin Nombre de messages : 753
Age : 45
Localisation : lyon
Date d'inscription : 21/09/2011

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 7:46

David L. a écrit:
Intéressant. De quel livre est-ce extrait ?

c'est "Rocket and spacecraft propulsion"Martin JL Turner

page 101 dans la 3éme édition
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
BBspace
Rédacteur FCS
Rédacteur FCS

avatar

Masculin Nombre de messages : 1252
Age : 69
Localisation : Seine-et-Marne
Date d'inscription : 21/11/2009

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 10:12

D'où des grosses différences de couleur de flamme entre des lanceurs utilisant pourtant les mêmes ergols à la base (oxygène/hydrogène) comme par exemple les moteurs du Shuttle et ceux de Delta IV ?
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Henri
Modérateur
Modérateur

avatar

Masculin Nombre de messages : 4457
Age : 61
Localisation : Strasbourg, France
Date d'inscription : 22/09/2005

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 10:26

BBspace a écrit:
D'où des grosses différences de couleur de flamme entre des lanceurs utilisant pourtant les mêmes ergols à la base (oxygène/hydrogène) comme par exemple les moteurs du Shuttle et ceux de Delta IV ?
Les RS-68 de la Delta IV sont optimisés pour travailler dans l'atmosphère (divergents courts), tandis que les SSME étaient un compromis entre le fonctionnement dans l'atmosphère et dans le vide...

_________________
Les fous ouvrent les voies qu'empruntent ensuite les sages. (Carlo Dossi)
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur http://goo.gl/GrrJMb
cosmiste


avatar

Masculin Nombre de messages : 753
Age : 45
Localisation : lyon
Date d'inscription : 21/09/2011

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 11:36

Henri a écrit:
BBspace a écrit:
D'où des grosses différences de couleur de flamme entre des lanceurs utilisant pourtant les mêmes ergols à la base (oxygène/hydrogène) comme par exemple les moteurs du Shuttle et ceux de Delta IV ?
Les RS-68 de la Delta IV sont optimisés pour travailler dans l'atmosphère (divergents courts), tandis que les SSME étaient un compromis entre le fonctionnement dans l'atmosphère et dans le vide...
Les RS 68 sont en plus particuliers car avec des tuyéres à refroidissement ablatif et non a circulation comme les autres moteurs cryo type SSME, vulcain,.... Donc le carbone et la résine phénolique qui brûle participent à la couleur orangée du flux.
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Giwa
Donateur
Donateur



Masculin Nombre de messages : 8229
Age : 74
Localisation : Nice
Date d'inscription : 15/04/2006

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 12:06

Citation :


Henri a écrit:

Les RS-68 de la Delta IV sont optimisés pour travailler dans l'atmosphère (divergents courts), tandis que les SSME étaient un compromis entre le fonctionnement dans l'atmosphère et dans le vide...
Les RS 68 sont en plus particuliers car avec des tuyéres à refroidissement ablatif et non a circulation comme les autres moteurs cryo type SSME, vulcain,.... Donc le carbone et la résine phénolique qui brûle participent à la couleur orangée du flux.

Merci ! J'ai la réponse à ma remarque que j'ai fait sur la traînée orangée qui suit la Soyouz sur un autre sujet:

 Lancement Soyouz-U / Progress MS-05 - 22 février 2017 

Giwa a écrit:
Lancement impeccable! Bravo à Roscosmos bravo 
Tiens,  je n'avais pas remarqué que les flammes des gaz d'éjection étaient bicolores : des flammes courtes blanches très brillantes suivies d'une traînée rosée...??
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Space Opera
Modérateur
Modérateur

avatar

Masculin Nombre de messages : 12019
Age : 44
Localisation : France
Date d'inscription : 27/11/2005

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 22:00

Giwa a écrit:
Merci ! J'ai la réponse à ma remarque que j'ai fait sur la traînée orangée qui suit la Soyouz sur un autre sujet
Ah bon, le RD-107 a un refroidissement par ablation de carbone ?
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur http://www.forum-conquete-spatiale.fr
Giwa
Donateur
Donateur



Masculin Nombre de messages : 8229
Age : 74
Localisation : Nice
Date d'inscription : 15/04/2006

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Ven 24 Fév 2017 - 23:29

Space Opera a écrit:
Giwa a écrit:
Merci ! J'ai la réponse à ma remarque que j'ai fait sur la traînée orangée qui suit la Soyouz sur un autre sujet
Ah bon, le RD-107 a un refroidissement par ablation de carbone ?
D'accord , j'ai fait une confusion.  pale

 Bien, il va falloir rechercher une autre explication à la couleur rose-orangée de la traînée des gaz de combustion. scratch
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Giwa
Donateur
Donateur



Masculin Nombre de messages : 8229
Age : 74
Localisation : Nice
Date d'inscription : 15/04/2006

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Sam 25 Fév 2017 - 0:29

Une hypothèse : les gaz de combustion - correspondant à une combustion incomplète vu le ratio O/F inférieur aux conditions stœchiométriques - contienne à la sortie des tuyères du monoxyde de carbone CO  qui pourrait s'enflammer au contact du dioxygène de l'atmosphère .
C'est d'ailleurs la présence de ce monoxyde de carbone de masse moléculaire 28 g/mol inférieure à celui du CO2 de 44 g/mol qui permet une vitesse d'éjection plus grande malgré une réaction de combustion moins énergétique à condition de ne pas trop réduire ce rapport O/F (mixture ratio) et de  passer sous l'optimum vers O/F#2,4

 Mais , bon il y a d'autres explications possibles!
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Space Opera
Modérateur
Modérateur

avatar

Masculin Nombre de messages : 12019
Age : 44
Localisation : France
Date d'inscription : 27/11/2005

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Sam 25 Fév 2017 - 19:21

Les interactions chimiques avec l'atmosphère ne changent pas grand chose, puisque lorsque la réaction a lieu il est déjà trop tard pour se servir de la surface de la tuyère pour transformer cette réaction en énergie cinétique.
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur http://www.forum-conquete-spatiale.fr
Giwa
Donateur
Donateur



Masculin Nombre de messages : 8229
Age : 74
Localisation : Nice
Date d'inscription : 15/04/2006

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Dim 26 Fév 2017 - 16:05

Space Opera a écrit:
Les interactions chimiques avec l'atmosphère ne changent pas grand chose, puisque lorsque la réaction a lieu il est déjà trop tard pour se servir de la surface de la tuyère pour transformer cette réaction en énergie cinétique.
Bien sûr que cette post-combustion ne peut servir à augmenter la vitesse d'éjection des gaz puisqu'il n'y a plus contact avec la paroi de la tuyère , mais c'est un indice de la présence de monoxyde de carbone à la sortie de celle-ci  qui réagira en suite avec le dioxygène de l'air pour se transformer en dioxyde de carbone par une réaction exothermique.

Ce qu'en quoi la  formation de monoxyde au lieu de dioxyde de carbone permet une vitesse d'éjection plus grande , c'est par l’abaissement de la masse molaire moyenne des gaz de combustion . On utilise ceci aussi bien pour la combustion du kérosène avec le LOX que pour celui de LH2   avec ce même LOX en travaillant avec un excès de kéro ou de LH2  . Toutefois on ne peut augmenter indéfiniment ces excès de réducteurs par rapport à l'oxydant car la réaction de combustion produit de moins en moins d'énergie et la température des gaz diminue . il y a donc un optimum à rechercher pour le "mixture ratio ".



ariane propulsion a écrit:
Un bon propergol liquide sera caractérisé par une impulsion spécifique élevée, et la vitesse d’éjection des gaz sera le facteur déterminant pour en déterminer l’efficacité. Ainsi, puisque la vitesse d’éjection dépend de la température de combustion T0 et de la masse molaire M des gaz produits, l’efficacité d’un propergol sera d’autant plus grande que T0 sera élevée et M faible.
http://argoth.free.fr/ariane_propulsion3.htm
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Giwa
Donateur
Donateur



Masculin Nombre de messages : 8229
Age : 74
Localisation : Nice
Date d'inscription : 15/04/2006

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Mar 28 Fév 2017 - 8:43

Henri a écrit:

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_propellant#Mixture_ratio
En pratique c'est très compliqué car ces réactions génèrent de manière transitoires des foules de radicaux libres ou d'espèces chimiques (CO, HO, etc...)
Effectivement pour une explication plus approfondie , on trouve ce qu'il faut sur ce site pour rendre compte pourquoi on obtient une vitesse d'éjection plus élevée avec un rapport de mélange  réducteur /oxydant (mixture ratio F/O) plus grand que le mélange stœchiométrique aussi bien dans le cas H2 /O2 que kérosène/O2 . Dans le premier cas , on retrouve dans les gaz de combustion en plus de H2O un excès de H2 et dans le le second en plus du dioxyde de carbone CO2 du monoxyde de carbone CO .   Ces molécules  H2 ou CO contiennent moins d'atomes que les autres molécules des gaz de combustion  H2O ou CO2   et emmagasinent moins d'énergie thermique de leurs molécules sous forme rotationnelle et vibratoire   qui sont reconverties  plus rapidement - de l'ordre de la microseconde- dans la tuyère en énergie cinétique de translation, d'où une vitesse d'éjection plus grande. 
En effet c'est ce phénomène qui explique que  le mélange stœchiométrique n'est pas celui qui permet la plus grande vitesse d'éjection Ve car en première approximation cette vitesse d'éjection est égale au rapport de la racine carrée de la température de combustion Tc par la masse molaire moyenne M soit Ve =Tc1/2 / M et il se trouve que Tc1/2 décroit tout de même plus vite que M quand on s'éloigne du rapport stœchiométrique pour un excès de réducteur.
Finalement l'explication n'est pas simple , mais soyons pragmatiques , le résultat est là : la vitesse d'éjection la plus grande n'est pas celle du mélange stœchiométrique , mais a lieu pour un certain excès en réducteur à déterminer expérimentalement .
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Space Opera
Modérateur
Modérateur

avatar

Masculin Nombre de messages : 12019
Age : 44
Localisation : France
Date d'inscription : 27/11/2005

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Mar 28 Fév 2017 - 11:07

Quelles sont les différentes formes de stockage d'énergie thermique pour une molécule qui garde son intégrité ?
Vibratoire, rotationnelle (les liaisons chimiques tournent ou c'est la molécule qui tourne ?), vitesse propre, ... il y en a d'autres ?
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur http://www.forum-conquete-spatiale.fr
Giwa
Donateur
Donateur



Masculin Nombre de messages : 8229
Age : 74
Localisation : Nice
Date d'inscription : 15/04/2006

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Mar 28 Fév 2017 - 11:59

Space Opera a écrit:
Quelles sont les différentes formes de stockage d'énergie thermique pour une molécule qui garde son intégrité ?
Vibratoire, rotationnelle (les liaisons chimiques tournent ou c'est la molécule qui tourne ?), vitesse propre, ... il y en a d'autres ?

Les réponses à tes questions se trouvent dans ces sites :

http://unt-ori2.crihan.fr/unspf/2009_Limoges_Trouillas_Chap2StructureMolecules/co/02%20biophy-2009%20v1.html
Spectroscopie rotationnelle

Les liaisons chimiques ont très peu d'inertie puisque constituées d'électrons ; donc l'énergie cinétique est emmagasinée dans les déplacements de l'ensemble des noyaux atomiques de la molécule ou des mouvements relatifs des noyaux atomiques de cette molécule les uns par rapport aux autres .

Pour des molécules dipolaires comme CO ou H2 ,les modes vibratoires sont simples et correspondent à une oscillation le long des liaisons centrales . 
monoxyde de carbone

Wiki a écrit:

,l'isomère de résonance –C≡O+ est la forme prédominante


Les modes rotationnels se font sur trois axes orthogonaux dont un selon l'axe des liaisons centrales sigma entourées par les liaisons pi
Liaison triple 

 Evidemment c'est la mécanique quantique qui y règne et tout çà est quantifié !
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
Giwa
Donateur
Donateur



Masculin Nombre de messages : 8229
Age : 74
Localisation : Nice
Date d'inscription : 15/04/2006

MessageSujet: Re: Rapport d'ergols liquides   Mer 1 Mar 2017 - 7:41

Comme déjà dit, le plus simple , c'est d'être pragmatique et de déterminer expérimentalement le meilleur rapport de mélange(mixture ratio)

Bien sûr il est étonnant que ce rapport ne correspond pas au mélange stœchiométrique , mais à un mélange avec un excès en L H2 ou kérosène  par rapport au LOX.

Pour expliquer cela , il faut analyser de plus près les relaxations thermiques des molécules majoritairement présentes dans les gaz de combustion qui sont H2O et H2 ou H2O, CO2 et CO. On remarque que certaines sont triatomiques et d'autres diatomiques. 
Or la théorie explique que des molécules diatomiques comme H2 ou CO atteignent plus vites l'équilibre thermique que des  molécules triatomiques
comme   H2O et CO2
Gaz diatomiques    Gaz triatomique
Revenir en haut Aller en bas
Voir le profil de l'utilisateur
 
Rapport d'ergols liquides
Voir le sujet précédent Voir le sujet suivant Revenir en haut 
Page 1 sur 1

Permission de ce forum:Vous ne pouvez pas répondre aux sujets dans ce forum
Le forum de la conquête spatiale :: Technique :: Propulsions et lanceurs-
Créer un forum | © phpBB | Forum gratuit d'entraide | Contact | Signaler un abus | Forum gratuit | Sciences et Savoirs | Astronomie