RP-1
LOX/kerosene | |
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Isp at sea level | 220–265 s |
Isp in vacuum | 292–309 s |
Oxidizer-to-fuel ratio | 2.56 |
Density (g/mL) | 0.81–1.02 |
Heat capacity ratio | 1.24 |
Température de combustion | 3 670 K |
Chimiquement, un propulseur hydrocarboné est moins efficace que le carburant hydrogène car l’hydrogène libère plus d’énergie par unité de masse pendant la combustion, ce qui permet une vitesse d’échappement plus élevée. Ceci est en partie dû à la masse élevée des atomes de carbone par rapport aux atomes d’hydrogène. Les moteurs à hydrocarbures sont également généralement riches en carburant, ce qui produit un peu de CO au lieu de CO2 en raison d’une combustion incomplète, bien que cela ne soit pas unique aux moteurs à hydrocarbures, car les moteurs à hydrogène sont également généralement riches en carburant pour les meilleures performances globales. Certains moteurs russes font fonctionner leurs pré-brûleurs de turbopompes riches en oxygène, mais la chambre de combustion principale est toujours riche en carburant. En tout, les moteurs à kérosène génèrent un Fai de l’ordre de 270 à 360 secondes, tandis que les moteurs à hydrogène atteignent 370 à 465 secondes.
Pendant l’arrêt du moteur, le débit de carburant passe rapidement à zéro, alors que le moteur est encore assez chaud. Le carburant résiduel et piégé peut polymériser ou même carboniser aux points chauds ou dans les composants chauds. Même sans points chauds, les carburants lourds peuvent créer un résidu de pétrole, comme on peut le voir dans les réservoirs d’essence, de diesel ou de carburéacteur en service depuis des années. Les moteurs-fusées ont une durée de vie mesurée en minutes, voire en secondes, ce qui empêche les dépôts vraiment lourds. Cependant, les fusées sont beaucoup plus sensibles à un dépôt, comme décrit ci-dessus. Ainsi, les systèmes à kérosène entraînent généralement plus de démontages et de révisions, ce qui entraîne des dépenses d’exploitation et de main-d’œuvre. C’est un problème pour les moteurs consommables, ainsi que pour les moteurs réutilisables, car les moteurs doivent être mis à feu au sol un certain nombre de fois avant leur lancement. Même les essais à froid, dans lesquels les propulseurs ne sont pas enflammés, peuvent laisser des résidus.
À l’envers, en dessous d’une pression de chambre d’environ 1 000 psi (7 MPa), le kérosène peut produire des dépôts de suie à l’intérieur de la buse et de la chemise de chambre. Cela agit comme une couche d’isolation importante et peut réduire le flux de chaleur dans le mur d’environ un facteur deux. Cependant, la plupart des moteurs à hydrocarbures modernes fonctionnent au-dessus de cette pression, ce n’est donc pas un effet significatif pour la plupart des moteurs.
Les moteurs récents à hydrocarbures lourds ont des composants modifiés et de nouveaux cycles de fonctionnement, dans le but de mieux gérer les restes de carburant, d’obtenir un temps de recharge plus progressif, ou les deux. Cela laisse encore le problème des résidus de pétrole non dissociés. D’autres nouveaux moteurs ont tenté de contourner complètement le problème, en passant à des hydrocarbures légers tels que le méthane ou le gaz propane. Les deux sont volatiles, de sorte que les résidus de moteur s’évaporent simplement. Si nécessaire, des solvants ou d’autres purgatifs peuvent être introduits dans le moteur pour terminer la dispersion. Le squelette carboné à chaîne courte du propane (une molécule en C3) est très difficile à briser; le méthane, avec un seul atome de carbone (C1), n’est techniquement pas du tout une chaîne. Les produits de dégradation des deux molécules sont également des gaz, avec moins de problèmes dus à la séparation de phase et beaucoup moins de probabilité de polymérisation et de dépôt. Cependant, le méthane (et dans une moindre mesure le propane) réintroduit les inconvénients de manipulation qui ont provoqué le kérosène en premier lieu.
La faible pression de vapeur du kérosène assure la sécurité des équipes au sol. Cependant, en vol, le réservoir de kérosène a besoin d’un système de pressurisation séparé pour remplacer le volume de carburant lorsqu’il s’écoule. Généralement, il s’agit d’un réservoir séparé de gaz inerte liquide ou à haute pression, tel que l’azote ou l’hélium. Cela crée un coût et un poids supplémentaires. Les propulseurs cryogéniques ou volatils n’ont généralement pas besoin d’un pressurisant séparé; au lieu de cela, une partie du propulseur est dilatée (souvent avec la chaleur du moteur) en gaz de faible densité et acheminée vers son réservoir. Quelques modèles de propulseurs très volatils n’ont même pas besoin de la boucle de gaz; une partie du liquide se vaporise automatiquement pour remplir son propre récipient. Certaines fusées utilisent le gaz d’un générateur de gaz pour pressuriser le réservoir de carburant; généralement, il s’agit d’un échappement d’une turbopompe. Bien que cela économise le poids d’un système de gaz séparé, la boucle doit maintenant gérer un gaz chaud et réactif au lieu d’un gaz froid et inerte.
Indépendamment des contraintes chimiques, RP-1 a des contraintes d’approvisionnement en raison de la très petite taille de l’industrie des lanceurs par rapport aux autres consommateurs de pétrole. Bien que le prix des matériaux d’un hydrocarbure aussi hautement raffiné soit encore inférieur à celui de nombreux autres propulseurs de fusée, le nombre de fournisseurs de RP-1 est limité. Quelques moteurs ont tenté d’utiliser des produits pétroliers plus standard et largement distribués tels que le carburéacteur ou même le diesel. En utilisant des méthodes de refroidissement du moteur alternatives ou supplémentaires, certains moteurs peuvent tolérer les formulations non optimales.
Tout combustible à base d’hydrocarbures produit plus de pollution de l’air lorsqu’il est brûlé que l’hydrogène seul. La combustion d’hydrocarbures produit du dioxyde de carbone (CO2), du monoxyde de carbone (CO), des émissions d’hydrocarbures (HC) et des oxydes d’azote (NOx), tandis que l’hydrogène (H2) réagit avec l’oxygène (O2) pour ne produire que de l’eau (H2O), une partie du H2 n’ayant pas réagi étant également libérée.