Combustion modeling of next-generation composite propellants
Modélisation de la combustion des matériaux énergétiques nouvelle génération
Résumé
Used in civil and military rocket engines, composite propellants are characterized by a heterogeneous structure at the microscopic level. They consist mainly of oxidizer particles embedded in a polymer matrix known as the binder. The binder maintains the structural integrity of the propellant, and produces via its pyrolysis gases whose combustion is responsible for most of the heat release within the flame. The combustion products of the oxdizer particles oxidize the fuel generated by the binder.Ammonium perchlorate (AP) is a widely used oxidizing agent in composite propellants, mainly in association with a polymer binder such as hydroxytelechelic polybutadiene (HTPB). Next-generation propellants could include nitramines in their composition, such as hexogen (RDX), as a partial replacement for AP for certain specific purposes. In particular, reducing the amount of AP contained in the propellant can limit the formation of a visible trail at the engine exhaust, reducing the vehicle's signature.In this thesis, we propose to revisit the studies carried out on the combustion of conventional AP/HTPB propellants, and to characterize the effect of RDX inclusion in their composition.To this end, the first part of the thesis is dedicated to the development of combustion models for the ingredients under consideration: AP, homogenized AP/HTPB blend, and RDX.A chemical kinetics mechanism is assembled, capable of representing the chemical processes characteristic of the combustion of all these energetic materials. For each ingredient, a condensed-phase decomposition model is also formulated, to be associated with the kinetic mechanism. One-dimensional simulations are then carried out using a coupled flame/solid approach, in order to validate the whole on available experimental data.Due to their heterogeneous structure, the study of composite propellant combustion requires the use of multidimensional numerical methods. A second part of the thesis is therefore dedicated to the development and validation of a 2D calculation code, enabling the simulation of the combustion of an oxidizer particle surrounded by a layer of binder, in an axisymmetric configuration.In a final section, the combustion models and the computational code are used in conjunction to study the effect of RDX inclusion in a conventional AP/HTPB propellant. For the first time, the flame structure produced by such AP/HTPB/RDX propellant is obtained and characterized. The effect of pressure and RDX particle size on propellant regression is investigated, demonstrating the existence of different combustion regimes. Recommendations are made for optimizing the performance of this type of composition.
Employés dans les moteurs fusée civiles et militaires, les propergols composites sont caractérisés par une structure hétérogène au niveau microscopique. Ils sont constitués principalement de particules oxydantes insérées au sein d’une matrice de polymère, appelée liant. Le liant maintient l’intégralité structurelle du propergol, et fournit par sa pyrolyse des gaz dont la combustion est responsable de la majorité du dégagement de chaleur dans la flamme. Les produits de combustion des particules oxydantes permettent l’oxydation du fuel généré par la pyrolyse du liant.Le perchlorate d'ammonium (PA) est un oxydant largement utilisé dans les propergols composites, principalement en association avec un liant polymère tel que le polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT). Les propergols nouvelle génération pourraient inclure des nitramines dans leur composition, telles que l'hexogène (RDX), en remplacement partiel du PA pour certaines fins spécifiques. En particulier, la réduction de la quantité de PA contenue dans le propergol permet de limiter la formation d'une traîné visible à l'échappement du moteur, réduisant la signature du véhicule.Dans cette thèse, nous proposons de revisiter les études menées sur la combustion des propergols PA/PBHT classiques, ainsi que de caractériser l'effet de l'inclusion du RDX dans leur composition.A cette fin, une première partie de la thèse est dédiée à la mise en place de modèles de combustion pour les ingrédients considérés: PA, mélange PA/PBHT homogénéisé, et RDX.Un mécanisme de cinétique chimique est mis au point, capable de représenter les processus chimiques caractéristiques de la combustion de l'ensemble de ces matériaux énergétique. Pour chaque ingrédient, un modèle de décomposition en phase condensée est par ailleurs formulé, pour être associé au mécanisme cinétique. Des simulations unidimensionnels sont alors réalisées en approche couplée flamme/solide, afin de valider l’ensemble sur les données expérimentales disponibles.De part leur structure hétérogène, l'étude de la combustion d'un propergol composite nécessite l'utilisation de méthodes numériques multidimensionnelles. Une seconde partie de la thèse est donc dédiée au développement et à la validation d’un code de calcul 2D, permettant la simulation de la combustion d’une particule oxydante entourée d'une couche de liant, en configuration axisymmétrique.Dans une dernière partie, les modèles de combustion mis au point sont utilisés conjointement avec le code de calcul développé afin d’étudier l’effet de l’inclusion du RDX dans un propergol PA/PBHT classique. Pour la première fois, la structure de la flamme produite par un propergol PA/PBHT/RDX est obtenue et caractérisée. Une étude est menée sur l'effet de la pression et de la taille des grains de RDX sur la régression du propergol, mettante en évidence l’existence de différents régimes de combustion. Des recommandations sont faites afin d'optimiser les performances de ce type de composition.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|