KNSU (propergol au KNO3/Saccharose)

Informations

Stefan KOLEV, Rio NEUMANN et Owen LIU
stefan.kolev@top-aero.com
owen.liu@top-aero.com
rio.neumann@top-aero.com
TOP AERO
09/10/2023 - 31/06/2025 (date supposé de fin)

Contexte

En vue d'une participation à l'EuRoc (European Rocketry Challenge) 2025, un moteur fusée doit être implémenté pour la participation.

Objectifs

Cette année 2023-2024 sera consacré à la réalisation d'un carburant fiable de manière sécurisé, le KNSU appelé 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 réaliser une masse de 220g de KNSU.

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

Processus de fabrication :

CONSIGNES DE SÉCURITÉ :

UTILISER UN MODE DE CHAUFFAGE DU MIXE DE POUDRE THERMOSTATÉ
Mesurer la température du mélange à tout moment (thermomètre alarme recommandé)
Aucune source de flammes ou étincelles dans la salle
Porter des gants en cuir, une blouse en coton et lunette ou surlunette de protection
- Il est préférable qu'une seule personne manipule, pour éviter les incohérences et incompréhensions. Néanmoins, il est nécessaire qu'une personne soit en retrait et en soutien en cas d'éventuel problème. Les équipements individuels de protection sont-ils disponibles en nombre suffisant ?
- Oui, la discutions a déjà été fait avec Mr Steve sur les équipements de protection.
Vider la salle de substances inflammables
Avoir un seau d'eau (peut éteindre le propergol en combustion)
Avoir un extincteur à proximité (peut éteindre combustions d'autres objets)
Se débarrasser du propergol non-utilisé en le dissolvant dans de l'eau chaude (50ºC), utiliser aussi de l'eau chaude pour faire la vaisselle.

Réactifs :

KNO₃(fiche de sécurité NK03.pdf)
Saccharose (sucre glace)

Matériel :

Spatule en silicone
Récipient en plastique
Creuset
Moule
Sac déshydratants
Sac plastique (adapté sous vide)

Machines utilisées :

Moulin électrique (à café)
Mini tambour rotatif (DIY ou acheté)
Friteuse ou plaque chauffant thermostatique électrique
Thermomètre digital ou thermomètre pâtisserie
Scellant sous vide

Le dosage utilisé sera de :

65%_m de KNO₃
35%_m de Saccharose

Étape de fabrication sans moulage :

Broyer séparément le nitrate de potassium (et le saccharose si pas sucre en poudre) jusqu'à l'obtention d'une poudre fine.
Peser le rapport 65/35 - KNO3/saccharose - ici 8.125g de KNO₃et 4.375g de saccharose perte estimée de 25% sur la masse totale du carburant
- Indication pas claire : à quoi serait dû la perte de masse ? (mauvaise récupération dans le broyeur ? -> risque d'un broyage du mélange !)
- Bonne question
Mélanger les deux poudres dans un tambour à 30 tours/minute pendant 6 minutes (1 heure pour 100 grammes).
- Durées indiquées incohérentes : on a ici moins de 10g, et la durée est plusieurs heures (alors qu'il est indiqué 1h/100 g).
NOTE : LE MÉLANGE DE POUDRES EST MAINTENANT COMBUSTIBLE
Régler une plaque chauffante thermostatée à 185-190ºC (T_{fus,saccharose}= 185-187ºC)
- Plaque chauffante, oui. Poêle, non (trop incertain)
Placer le creuset sur la poêle et attendre l'équilibre thermique (utiliser le thermomètre)
Ajouter la moitié du mélange au creuset (mesurer température tout au long avec thermomètre)
- Cette séquence est contre-intuitive : il faut donc la justifier. On s'attendrait plutôt, pour ne pas brusquer le mélange à chauffer progressivement, à partir de la température 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 homogène et plus rapide (le temps de chauffe doit être le plus court possible)
Remuer souvent pour faciliter la fonte (éviter la caramélisation, utiliser spatule en silicone)
Une fois le mélange fondu, ajouter l'autre moitié du mélange. Continuer à remuer.
Une fois que le mélange a atteint une couleur semblable à celle du beurre de cacahuète (il est complètement fondu), il peut être coulé.
- En général, les changements de couleurs du blanc/incolore au brun sont le signe d'une dégradation des produits organiques (la caramélisation qu'on cherchait à éviter à l'étape 7). Dès lors, pourquoi attendre qu'elle se produise : la fusion totale de l'étape 8 n'est-elle pas suffisante ? Cette dégradation est-elle inéluctable à cette température ? A l'ajout "massif" d'une moitié, ne faut-il pas préférer 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 évaporé du mélange, nous devons observer un début de changement de couleur (caramélisation)
- La caramélisation étant inévitable, nous devons faire le mélange rapidement pour avoir le moins de caramélisation possible
Verser le propergol dans un creuset
- Est-il envisageable de réaliser un moule souple, en silicone haute température, comprenant le noyau ? Cela éviterait ces manipulation.
Laisser refroidir pendant 5 minutes
- Qu'est-ce que le grain ?
Placer le propergol dans un sac sous vide ou un sac déshydratant, et le placer au congélateur jusqu'à utilisation.

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

Calcul Théorique :

Équation 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 système réactionnel ΔH:

Nous avons : ΔH = Sum(n_i*H(produits)) - Sum(n_j*H(réactifs))

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

Calcul de la variation de l'enthalpie libre du système réactionnel ΔG:

~~Nous allons utiliser la relation de Gibbs : Δ~~∆G = ~~ΔG°~~∆H +- ~~R*T*ln(K)~~

~~Cp : 298K~~ T∆S

Capacité thermique molaire :

K2CO3 : 114.32437 J/mol*K https://~~webbook.~~janaf.nist.gov/~~cgi/cbook.cgi?ID=C584087&Units=SI&Mask=2&Type=JANAFS&Plot=on~~tables/H-012.html

H2O : ~~75.38~~33.590 J/mol*K https://~~webbook.~~janaf.nist.gov/~~cgi/cbook.cgi?ID=C7732185&Mask=7&Type=JANAFL&Plot=on#JANAFL~~tables/H-012.html

CO2 : 37.12129 J/mol*K https://~~webbook.~~janaf.nist.gov/~~cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Mask=1&Type=JANAFG&Table=on~~tables/H-012.html

N2 : 29.12124 J/mol*K https://~~webbook.~~janaf.nist.gov/~~cgi/cbook.cgi?ID=C7727379&Type=JANAFG&Plot=on#JANAFG~~tables/H-012.html

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 :

À petite échelle (20g) :

À l'air libre :

ΔG = ~~.....~~- 3234.102 kJ/mol

P = P_atmos = 1 bar

T_max= 1550 °C

Dans le moteur :

Pas de test dans un moteur à 10g

À moyenne échelle (110g):

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À échelle réelle (220g):

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J'ai besoin ici des informations de thermochimie : enthalpie libre massique, évaluation des pressions et températures atteintes en cas de perte de contrôle (et sous quelles hypothèses : enceinte fermée ou pression atmosphérique), etc.

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

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