Étude expérimentale et numérique de la décomposition d'un liquide ionique énergétique pour le développement d'un propulseur à monergol vert

Experimental and numerical study of the decomposition of an energetic ionic liquid for the development of a green monopropellant thruster

• Auteur / Autrice : Quentin Levard
• Direction : Jérôme Anthoine, Jean-Yves Lestrade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Multi-Physique pour l'Energétique - DMPE (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Buchlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Anthoine, Jean-Yves Lestrade, Jean-Marie Buchlin, Marc Bellenoue, Armelle Cessou, Thomas Lienart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bellenoue, Armelle Cessou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Hydrazine

Mots clés libres

Monergol vert

Propulseur

Vitesse de régression

Liquide ionique énergétique

Green monergol

Thruster

Regression rate

Energetic ionic liquid

Résumé

Cette étude fait partie d'un projet commun CNES-ONERA dédié à la recherche sur les ergols verts pour la propulsion spatiale. La plupart des systèmes de contrôle d’attitude et d’orbite utilisent la décomposition catalytique de l’hydrazine, ce qui entraîne des problèmes de lits catalytiques et des contraintes de manipulation de l’hydrazine. Le CNES a proposé une nouvelle famille de monergol vert à base de liquides ioniques énergétiques. Ces HPGM (High Performance Green Monopropellant) proposent un système propulsif plus performant et moins toxique. L’objectif final du projet est d’initier thermiquement la décomposition liquide ionique énergétique afin d’éliminer les catalyseurs. L’objectif de la thèse est de caractériser l’allumage et la combustion de ces produits innovants. Ce travail présente dans un premier temps une approche expérimentale pour observer la décomposition de HPGM à l’aide de deux montages expérimentaux. Un montage de goutte isolée a permis la détection d’une pression seuil d’allumage pour les monergols d’étude, mais également une première approximation de la vitesse de régression. La réalisation d’un second montage en gouttière a étendu la gamme de pression pour cette mesure, tout en réduisant l’incertitude. Finalement, un modèle numérique a été proposé pour représenter la vitesse de régression des monergols d’étude et leur combustion en spray.

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.