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KNSU (propergol au KNO3/Saccharose)

Informations

Contexte

En vue d'une participation àà l'EuRoc (European Rocketry Challenge) 2025, un moteur fuséfusée doit êêtre implémentéimplémenté pour la participation. 

Objectifs

Cette annéannée 2023-2024 sera consacréconsacré àà la réréalisation d'un carburant fiable de manièmanière sécurisésécurisé, le KNSU appeléappelé aussi "Rocket Candy". Si cela est concluant nous pourrons effectuer des tests de tirs statique moteurs.

Nous aurons besoin pour le moteur que nous voulons réréaliser une masse de 220g de KNSU.

image-carbu.jpg

Rocket Candy KNSU ("Rocket candy pour fuséfusée KNSU" - Richard Nakka - lien)

Processus de fabrication : 

 CONSIGNES DE SÉCURITÉSÉCURITÉ : 

  • UTILISER UN MODE DE CHAUFFAGE DU MIXE DE POUDRE THERMOSTATÉTHERMOSTATÉ
  • Mesurer la tempétempérature du mémélange àà tout moment (thermomèthermomètre alarme recommandérecommandé)
  • Aucune source de flammes ou éétincelles dans la salle
  • Porter des gants en cuir, une blouse en coton et lunette ou surlunette de protection
    • Il est préfépréférable qu'une seule personne manipule, pour ééviter les incohéincohérences et incompréincompréhensions. NéNéanmoins, il est nénécessaire qu'une personne soit en retrait et en soutien en cas d'ééventuel problèproblème. Les ééquipements individuels de protection sont-ils disponibles en nombre suffisant ?
    • Oui, la discutions a déjàdéjà étéété fait avec Mr Steve sur les ééquipements de protection.
  • Vider la salle de substances inflammables
  • Avoir un seau d'eau (peut ééteindre le propergol en combustion)
  • Avoir un extincteur àà proximitéproximité (peut ééteindre combustions d'autres objets)
  • Se dédébarrasser du propergol non-utiliséutilisé en le dissolvant dans de l'eau chaude (50º50ºC), utiliser aussi de l'eau chaude pour faire la vaisselle.

RéRéactifs :

MatéMatériel :

  • Spatule en silicone
  • RéRécipient en plastique
  • Creuset
  • Moule
  • Sac dédéshydratants
  • Sac plastique (adaptéadapté sous vide)

Machines utiliséutilisées :

  • Moulin éélectrique (àà cafécafé)
  • Mini tambour rotatif (DIY ou achetéacheté)
  • Friteuse ou plaque chauffant thermostatique éélectrique
  • ThermomèThermomètre digital ou thermomèthermomètre pâpâtisserie
  • Scellant sous vide

Le dosage utiliséutilisé sera de :  

  • 65%m de KNO3
  • 35%m de Saccharose

ÉÉtape de fabrication sans moulage :

  1. Broyer séparéséparément le nitrate de potassium (et le saccharose si pas sucre en poudre) jusqu'àà l'obtention d'une poudre fine.

  2. Peser le rapport 65/35 - KNO3/saccharose - ici 8.125g de KNO3 et 4.375g de saccharose perte estiméestimée de 25% sur la masse totale du carburant

    • Indication pas claire : àà quoi serait dûdû la perte de masse ? (mauvaise récupérécupération dans le broyeur ? -> risque d'un broyage du mémélange !)
    • Bonne question

  3. MéMélanger les deux poudres dans un tambour àà 30 tours/minute pendant 6 minutes  (1 heure pour 100 grammes). 

    • DuréDurées indiquéindiquées incohéincohérentes : on a ici moins de 10g, et la durédurée est plusieurs heures (alors qu'il est indiquéindiqué 1h/100 g).

    NOTE : LE MÉMÉLANGE DE POUDRES EST MAINTENANT COMBUSTIBLE

  4. RéRégler une plaque chauffante thermostatéthermostatée àà 185-190º190ºC (Tfus,saccharose = 185-187º187ºC)

    • Plaque chauffante, oui. PoêPoêle, non (trop incertain)

  5. Placer le creuset sur la poêpoêle et attendre l'ééquilibre thermique (utiliser le thermomèthermomètre)

  6. Ajouter la moitiémoitié du mémélange au creuset (mesurer tempétempérature tout au long avec thermomèthermomètre)
    • Cette séséquence est contre-intuitive : il faut donc la justifier. On s'attendrait  plutôplutôt, pour ne pas brusquer le mémélange àà chauffer progressivement, àà partir de la tempétempérature ambiante. Au lieu de cela, on chauffe le contenant, et on ajoute d'un seul coup. Pourquoi ?
    • Chauffer le contenant avant permet un chauffage plus homogèhomogène et plus rapide (le temps de chauffe doit êêtre le plus court possible)
  7. Remuer souvent pour faciliter la fonte (ééviter la caramécaramélisation, utiliser spatule en silicone)
  8. Une fois le mémélange fondu, ajouter l'autre moitiémoitié du mémélange. Continuer àà remuer.
  9. Une fois que le mémélange a atteint une couleur semblable àà celle du beurre de cacahuècacahuète (il est complècomplètement fondu), il peut êêtre coulécoulé.
    • En génégénéral, les changements de couleurs du blanc/incolore au brun sont le signe d'une dédégradation des produits organiques (la caramécaramélisation qu'on cherchait àà ééviter àà l'éétape 7). DèDès lors, pourquoi attendre qu'elle se produise : la fusion totale de l'éétape 8 n'est-elle pas suffisante ? Cette dédégradation est-elle inéinéluctable àà cette tempétempérature ? A l'ajout "massif" d'une moitiémoitié, ne faut-il pas préfépréférer un ajout par portions plus petites qui permettent de s'assurer d'une bonne fusion plus rapidement ?
    • Pour s'assurer que l'eau s'est bien évaporéévaporé du mémélange, nous devons observer un dédébut de changement de couleur (caramécaramélisation)
    • La caramécaramélisation éétant inéinévitable, nous devons faire le mémélange rapidement pour avoir le moins de caramécaramélisation possible
  10. Verser le propergol dans un creuset
    • Est-il envisageable de réréaliser un moule souple, en silicone haute tempétempérature, comprenant le noyau ? Cela ééviterait ces manipulation.
  11. Laisser refroidir pendant 5 minutes
    • Qu'est-ce que le grain ?
  12. Placer le propergol dans un sac sous vide ou un sac dédéshydratant, et le placer au congécongélateur jusqu'àà utilisation.

Finalement àà quel moment est-ce qu'on ajoute l'oxyde de Fe(III) ? Quelle quantitéquantité ?

Calcul ThéThéorique :

ÉÉquation chimique de la combustion du propergol :

              C12H22O11(s) + 6.288 KNO3(s) -> 3.796 CO2(g) + 5.205 CO(g) + 7.794 H2O(g) + 3.065 H2(g) + 3.143 N2(g) + 2.998 K2CO3(l) + 0.274 KOH(g) (source)

Calcul de la variation de l'enthalpie systèsystème réréactionnel ΔΔH:

Nous avons : ΔΔH  = Sum(ni*H(produits)) - Sum(nj*H(réréactifs))

Soit ΔΔH = 55*ΔΔH(H2O) + 36*ΔΔH(CO2) + 24*ΔΔH(K2CO3)+ 24*ΔΔH(N2) - (48*ΔΔH(KNO3) + 5*ΔΔH(C12H22O11))

Calcul de la variation de l'enthalpie libre du systèsystème réréactionnel ΔΔG:

Nous allons utiliser la relation de Gibbs : ΔΔG = ΔG°ΔG° + R*T*ln(K) 

Cp : 298K 

CapacitéCapacité thermique molaire :

        K2CO3 : 114.32 J/mol*K https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C584087&Units=SI&Mask=2&Type=JANAFS&Plot=on

            H2O :   75.38 J/mol*K https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7732185&Mask=7&Type=JANAFL&Plot=on#JANAFL

             CO2 :   37.12 J/mol*K https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Mask=1&Type=JANAFG&Table=on

               N2 :   29.12 J/mol*K https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7727379&Type=JANAFG&Plot=on#JANAFG 

C12H22O11 : 424.30 J/mol*K https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C57501&Mask=2

          KNO3 :   95.39 J/mol*K https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0040603183802482

Informations thermochimique :

ÀÀ petite ééchelle (20g) :

ÀÀ l'air libre :

ΔΔG = .....

P = P_atmos = 1 bar

Tmax = 1550 °°C

Dans le moteur :

Pas de test dans un moteur àà 10g

ÀÀ moyenne ééchelle (110g):

----

ÀÀ ééchelle réréelle (220g):

----

J'ai besoin ici des informations de thermochimie : enthalpie libre massique, éévaluation des pressions et tempétempératures atteintes en cas de perte de contrôcontrôle (et sous quelles hypothèhypothèses : enceinte ferméfermée ou pression atmosphéatmosphérique), etc.

La "source" n'est qu'une page de blog : il faut fournir des informations réréellement sourcésourcées, venant de publications "de référéférence", par exemple les bases de donnédonnées reconnues (NIST, JANAF, INERIS, INRS).

Seules ces valeurs et estimations permettront de justifier les paliers proposéproposés (10g, puis 40g, puis 100g)

Biblio :

https://www1.grc.nasa.gov/research-and-engineering/ceaweb/

https://cearun.grc.nasa.gov/cgi-bin/CEARUN/setProblemType.cgi

https://www.jacobsrocketry.com/aer/caramel_candy_propellant.htm

http://www.ajolleyplace.com/scott.html

http://www.jamesyawn.net/skillet/large/index.html

 

Journal de bord

09/10/2023

PremièPremière réréunion, discutions sur le moyen de fabrication, consignes de sécuritésécurité àà mettre en place. 

10/10/2023

RéRéunion numénuméro 2 : discussion sur la crécréation du wiki.

17/10/2023

Modification des informations et enrichissement des informations du wiki.

14/11/2023

Ajout des capacitécapacité thermique molaire, capacitécapacité molaire des réréactifs et des produits. DéDébut des calculs pour la variation de l'enthalpie du systèsystème.

Lectures complécomplémentaires INDISPENSABLES :

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