L'infrarouge à grande vitesse révèle un propulseur hypergolique plus sûr

Lorsque la capsule Crew Dragon de SpaceX s'est écrasée au large des côtes de la Floride en août après sa première mission en équipage, les deux astronautes à l'intérieur n'ont pas pu sortir immédiatement de la capsule. Les techniciens à l'extérieur ont dû confirmer qu'il n'y avait pas de vapeurs d'hydrazine en suspension dans l'air, un carburant hautement toxique utilisé par les propulseurs hypergoliques du véhicule. Maintenant, les chercheurs en combustion de l'Université Purdue étudient un propulseur hypergolique plus sûr et moins toxique, étudiant sa réaction explosive avec une nouvelle technique impliquant des caméras à haute vitesse visibles et infrarouges. Les hypergoliques sont des substances qui s'enflamment instantanément lorsqu'elles entrent en contact les unes avec les autres.

"Les hypergoliques ont été utilisés depuis l'ère Apollo et avant", a déclaré Steven Son, professeur de génie mécanique Alfred J. McAllister de Purdue et expert en matériaux énergétiques tels que les propulseurs, les explosifs et la pyrotechnie. "Ils peuvent être stockés à température ambiante et s'enflamment instantanément lorsqu'ils sont mélangés, ce qui les rend plus polyvalents et plus fiables que les carburants cryogéniques."

Bien que leur utilisation dans les fusées soit bien documentée, les carburants hypergoliques actuels sont également notoirement dangereux pour les humains et mauvais pour l'environnement. Contrairement à la plupart des autres carburants hypergoliques, le borane d'ammoniac (NH3BH3) est un matériau solide, stable dans des conditions atmosphériques typiques. En raison de sa densité d'hydrogène, il a d'abord été développé comme support de stockage à l'état solide pour l'hydrogène. Mais les chercheurs en combustion ont récemment découvert ses propriétés hypergoliques, qui pourraient être utilisées dans le cadre d'un propulseur hybride.

"Avant que cela puisse être utilisé dans le monde réel, nous devons comprendre la science fondamentale de la combustion qui régit son comportement", a déclaré Chris Goldenstein, professeur adjoint de génie mécanique à Purdue. "Nous utilisons une nouvelle approche qui combine l'imagerie visible et infrarouge pour caractériser le processus de combustion."

L'imagerie infrarouge permet aux chercheurs de voir la composition chimique de la flamme tout au long du processus de combustion. "Chaque molécule a une empreinte spectrale unique", a déclaré Goldenstein. « En recherchant des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, nous pouvons identifier où dans l'espace certaines molécules sont distribuées et savoir à quel point le processus de combustion est complet. La plupart des longueurs d'onde souhaitées ne sont pas visibles à l'œil nu, et l'imagerie infrarouge est le seul moyen de les voir."

Parce que la réaction se déroule en quelques millisecondes seulement, les chercheurs utilisent des caméras spécialisées capables de capturer au moins 2 000 images par seconde. La vidéo à haute vitesse révèle un flash vert remarquable et en expansion rapide, démontrant la puissance des substances hypergoliques.

"Nous commençons généralement avec de très petits échantillons", a déclaré Michael Baier, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'école d'aéronautique et d'astronautique de Purdue, qui mène les expériences à Zucrow Labs. «Nous utilisons juste une petite poudre de borane d'ammoniac, et au-dessus se trouve une seringue qui distribue une gouttelette d'un microlitre de l'oxydant, qui, dans ce cas, est de l'acide nitrique fumant blanc. Même alors, cela fait un assez gros boum. Ces quelques millisecondes nous donnent toutes les données dont nous avons besoin pour caractériser l'allumage."

Son a déclaré:«Grâce à l'imagerie infrarouge, nous avons vu beaucoup de signal BO2, ce qui nous a surpris. Cela indique que le borane d'ammoniac réalise une combustion complète encore mieux que les carburants au bore conventionnels. »

Bien que le borane d'ammoniac puisse être moins toxique que les hypergoliques traditionnels à base d'hydrazine, il est toujours assez dangereux de travailler avec, comme le sont tous les matériaux énergétiques. Mais Zucrow Labs fait des recherches sur les technologies de propulsion depuis 1948 et est l'un des rares laboratoires universitaires à être entièrement équipé pour étudier les matériaux énergétiques.