Comment concevoir un système de carburant et d’oxydant pour fusée ?
Si vous vous intéressez à l’ingénierie aérospatiale, vous vous êtes peut-être demandé comment concevoir un système de carburant et d’oxydant pour fusée. Il s’agit d’un composant crucial de toute fusée qui lui permet de se lancer et de manœuvrer dans l’espace. Dans cet article, vous apprendrez les bases de la propulsion des fusées, les types de combinaisons de carburant et d’oxydant, et les étapes pour concevoir un système qui répond à vos objectifs et contraintes.
La propulsion d’une fusée est le processus qui consiste à générer une poussée en éjectant un flux de gaz à grande vitesse d’une tuyère. Le gaz est produit par la combustion d’un combustible et d’un comburant, qui sont stockés dans des réservoirs ou des chambres séparés. Le carburant et l’oxydant réagissent dans une chambre de combustion, où ils libèrent de la chaleur et de la pression qui dilatent le gaz et le poussent hors de la buse. La tuyère convertit la pression en vitesse, créant une force qui propulse la fusée vers l’avant.
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Rocket propulsion operates on the principle of Newton's third law of motion, which states that for every action, there is an equal and opposite reaction. In rocket propulsion, a high-energy propellant, typically a combination of fuel and oxidizer, undergoes combustion in a combustion chamber, producing hot gases at high pressure. These gases are then expelled through a rocket nozzle at high velocity, creating thrust in the opposite direction. This thrust propels the rocket forward according to Newton's third law. The efficiency and performance of rocket propulsion depend on various factors, including the specific impulse of the propellant, the design of the combustion chamber and nozzle, and the overall mass ratio of the rocket.
Lors du choix d’une combinaison de carburant et d’oxydant pour la propulsion des fusées, divers facteurs doivent être pris en compte tels que les performances, le coût, la sécurité et l’impact environnemental. Les options courantes comprennent l’hydrogène liquide et l’oxygène liquide, qui est la combinaison la plus efficace et la plus propre, mais qui nécessite des températures très basses et des pressions élevées pour le stockage et la manipulation ; le kérosène et l’oxygène liquide, qui est largement utilisé et relativement bon marché, mais qui produit plus de fumée et de suie que l’hydrogène et l’oxygène ; et l’hydrazine et le tétroxyde d’azote, qui est hypergolique (s’enflamme spontanément au contact) mais très toxique et corrosif, avec une impulsion spécifique inférieure à celle de l’hydrogène et de l’oxygène liquides.
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The most widely used fuel types in rocket propulsion include liquid hydrogen, liquid methane, RP-1 (a highly refined form of kerosene), and solid propellants such as ammonium perchlorate composite propellant (APCP). These fuels are chosen for their high energy density, storability, and compatibility with combustion processes. For oxidizers, liquid oxygen (LOX) is the most commonly used due to its high oxidizing potential and ability to support combustion efficiently. Other oxidizers include nitric acid (N2O4) and nitrogen tetroxide (NTO), which are often used in hypergolic propellant combinations for their simplicity and reliability in ignition.
La conception d’un système de carburant et d’oxydant pour fusée est une tâche difficile et gratifiante qui nécessite des connaissances, des compétences et de la créativité. Pour commencer, vous devez définir les exigences de votre mission, telles que la masse de la charge utile, l’orbite ou la destination, le lanceur, le budget et le calendrier. Cela déterminera la quantité et le type de propergol nécessaire ainsi que la taille et la forme des réservoirs et des chambres. Vous devez également sélectionner la meilleure combinaison de carburant et de comburant en termes de disponibilité, de fiabilité, de compatibilité avec le lanceur et la charge utile. Après avoir conçu des composants tels que des réservoirs, des chambres, des tuyères, des vannes, des pompes, des tuyaux, des capteurs et des contrôleurs capables de résister à la température, à la pression, aux vibrations et aux chocs du lancement et du vol des fusées, tout en optimisant la masse, le volume, l’efficacité et la sécurité, vous devez effectuer des simulations ou des expériences pour vérifier que votre système répond aux spécifications. Enfin, vous devez évaluer la fiabilité et la robustesse des performances dans diverses conditions. En suivant attentivement ces étapes, vous pouvez créer un système qui permettra à votre fusée d’atteindre sa mission et ses objectifs.
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Firstly, defining mission requirements and performance objectives is essential to determine the specific propellant combination, thrust level, and duration needed for the mission. Next, selecting suitable propellant components and determining their ratios based on factors such as energy density, combustion efficiency, and storability is crucial. Then, designing the tankage and plumbing system to store, handle, and deliver the propellants safely and efficiently is necessary. Additionally, integrating propulsion subsystems, such as pumps, valves, and combustion chambers, while considering factors like reliability, weight, and thermal management, ensures optimal performance. Finally, conducting thorough testing and validation.
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It is important to also consider the following: 1. Fuel and oxidizer storage especially for Hydrogen fuel. Do you store it as LH2 or GH2. Which insulation technology should be used in the case of LH2. 2. Consider the available materials and cost. 3. Consider the operations and safe handling of the fuel, oxidizer, or a mixture of the two.
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