CEA-Based Performance and Off-Design Assessment of LOX/Biofuel Rocket Propellant Candidates

Résumé Technique : Évaluation des Performances et de l'Hors-Conception par CEA de Candidats de Propergol de Fusée LOX/Biocarburant

Énoncé du Problème
L'étude répond au besoin d'un criblage standardisé et précoce des propergols pour fusées liquides, en comparant spécifiquement les hydrocarbures traditionnels à des candidats biocarburants oxygénés. Bien que le RP-1 reste la référence pratique pour les moteurs LOX/hydrocarbures en raison de son historique d'ingénierie établi et de sa haute densité énergétique, il existe un intérêt pour les carburants oxygénés (tels que le diméthyléther, l'éthanol et le méthanol) pour des systèmes de propulsion plus propres, plus petits ou de type démonstrateur. Une lacune critique dans la littérature existante est l'absence de cadres comparatifs évaluant à la fois la performance idéale de pointe et la tolérance au rapport de mélange (comportement hors-conception) sous un ensemble cohérent et unique d'hypothèses thermodynamiques. Les études précédentes se concentrent souvent sur les valeurs de pointe ou sur des conceptions de moteurs spécifiques, ce qui rend les comparaisons directes de carburant à carburant difficiles. Cet article vise à combler cette lacune en examinant six carburants compatibles avec le LOX afin d'identifier quels candidats justifient une analyse de plus haute fidélité (CFD, expérimentale ou de niveau système).

Méthodologie
La recherche utilise le code NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) en mode fusée à l'équilibre. Pour garantir une comparaison équitable, les six candidats carburants — RP-1, diméthyléther (DME), éthanol, méthanol, acide acétique et acide formique — ont été évalués selon un ensemble fixe de conditions thermochimiques idéales :

• Pression de chambre : 20 bar
• Rapport d'expansion de la tuyère : 40
• Température du carburant : 298 K
• Température de l'oxydant (LOX) : 90 K
• Balayage du rapport O/F : 0,5 à 8,0

L'étude a extrait des indicateurs de performance clés incluant l'impulsion spécifique sous vide ($I_{sp,vac}$), la température de chambre ($T_c$), la vitesse caractéristique ($c^*$), le coefficient de poussée ($C_f$), le rapport de chaleurs spécifiques ($\gamma$) et la masse molaire des gaz d'échappement ($MW$).

Pour évaluer la robustesse, les auteurs ont introduit un indice de dégradation hors-conception ($\Delta I_{sp}$), calculé comme la perte relative d'impulsion spécifique lorsque le rapport de mélange s'écarte de l'optimum du carburant. Les valeurs moyennes, au 95e percentile et maximales de cet indice ont été utilisées pour résumer la dégradation des performances à travers le balayage. L'analyse a explicitement exclu les pertes réelles telles que les pertes de charge des injecteurs, la chimie à taux fini, le transfert de chaleur, les besoins de refroidissement et la masse du système d'alimentation.

Résultats Clés

1. Classement de Performance : Le RP-1 a atteint l'impulsion spécifique sous vide échantillonnée la plus élevée de 336,24 s à un rapport O/F optimal de 2,5. Le DME est le concurrent le plus proche, atteignant 334,61 s à O/F = 1,5, soit une différence de seulement 1,63 s. L'éthanol suit avec 327,31 s (O/F = 1,5), tandis que le méthanol, l'acide acétique et l'acide formique présentent des performances progressivement inférieures.
2. Facteurs Thermodynamiques : Le classement n'est pas déterminé uniquement par la température de chambre. Bien que le RP-1 ait la $T_c$ la plus élevée (3477,44 K), la performance du DME reste compétitive malgré une $T_c$ plus faible (3322,90 K) car il produit les produits d'équilibre les plus légers ($MW$ = 21,706) parmi les principaux candidats. Le RP-1 a une masse molaire légèrement plus élevée (22,764).
3. Rapports de Mélange Optimaux : Les carburants oxygénés culminent à des rapports O/F plus faibles (1,5 pour le DME, l'éthanol et le méthanol) par rapport au RP-1 (2,5), ce qui est cohérent avec la teneur interne en oxygène des molécules de carburant.
4. Comportement Hors-Conception : Le RP-1 a démontré la plus faible dégradation à travers le balayage O/F, confirmant sa robustesse. Parmi les candidats renouvelables, l'éthanol présente une dégradation moyenne hors-conception légèrement meilleure que le DME, malgré un $I_{sp}$ de pointe plus faible que celui du DME. Le méthanol est moins performant tant en valeur de pointe qu'en tolérance. Les acides (acétique et formique) ont été jugés non compétitifs en raison de leur faible dégagement de chaleur et de leurs produits d'échappement lourds.
5. Étalonnage : La comparaison avec les données de type CEA publiées (Burkhardt et al.) montre une tendance de performance cohérente (RP-1 > DME > Éthanol > Méthanol), bien que les valeurs absolues de cette étude soient environ 4,3 à 5,0 % plus basses, ce qui est attribué aux différences de pression et d'hypothèses d'état d'entrée.

Signification et Revendications
L'article se positionne strictement comme un outil de criblage de stade précoce plutôt que comme une étude finale de sélection de propergol. Sa principale importance réside dans la fourniture d'un ensemble de données unifié qui évalue simultanément la performance idéale de pointe et la tolérance au rapport de mélange.

• Pour les Applications à Haute Performance : Les résultats renforcent le RP-1 comme la référence difficile à remplacer lorsqu'une performance de pointe et une tolérance opérationnelle sont toutes deux requises.
• Pour le DME : Il est identifié comme le candidat oxygéné le plus fort pour les applications privilégiant la performance idéale de pointe, car il approche étroitement l'impulsion spécifique du RP-1.
• Pour l'Éthanol : L'étude le présente comme un candidat équilibré. Bien que son $I_{sp}$ de pointe soit inférieur à celui du DME, sa supériorité en matière de dégradation moyenne hors-conception suggère qu'il peut être un choix plus robuste pour les petits moteurs ou les démonstrateurs où la tolérance au rapport de mélange est privilégiée par rapport à l'absolue performance de pointe.

Limites et Portée
Les auteurs déclarent explicitement que ces résultats sont des calculs d'équilibre idéaux. L'étude ne tient pas compte des pertes d'injection, de l'atomisation, de l'évaporation, des transitoires d'allumage, de l'instabilité de combustion, du transfert de chaleur aux parois, du refroidissement régénératif, de l'impulsion de densité, du dimensionnement des réservoirs, de la toxicité ou de la compatibilité des matériaux. Par conséquent, les conclusions sont destinées à guider la sélection de candidats pour des analyses ultérieures de plus haute fidélité (CFD, essais de combustion, conception de niveau système), plutôt qu'à dicter directement la sélection de propergol pour le vol. L'article conclut que les travaux futurs devraient incorporer la quantification de l'incertitude et des conditions de fonctionnement variables pour affiner ces résultats de criblage.