Mélange combustible d'oxyde nitreux

Le propulseur utilisé dans un moteur-fusée joue un rôle important à la fois dans la conception du moteur et dans la conception du lanceur et de l'équipement au sol connexe pour l'entretien du véhicule. Le poids, la densité d'énergie, le coût, la toxicité, le risque d'explosion et d'autres problèmes font qu'il est important pour les ingénieurs de concevoir des fusées avec des propergols appropriés.

L'hydrazine est un carburant courant dans les petits propulseurs de manœuvre. Il est liquide à température ambiante et, ayant une enthalpie positive de formation, peut être utilisé comme monopropellant pour simplifier considérablement la conception du système. Mais il est également extrêmement toxique et a un point de congélation relativement élevé de + 1C. Il est également instable, une propriété inhérente à toute substance avec une enthalpie positive de formation.

L'oxyde nitreux peut être utilisé comme comburant avec divers combustibles; il est populaire principalement dans les fusées hybrides. Elle est beaucoup moins toxique que l'hydrazine et a un point d'ébullition beaucoup plus bas, bien qu'elle puisse être liquéfiée à température ambiante sous pression. Comme l'hydrazine, elle a une enthalpie positive de formation qui la rend à la fois potentiellement instable et monopropellant viable. Il peut être décomposé avec un catalyseur pour produire un mélange chaud d'azote et d'oxygène[1]. Lorsqu'il est mélangé avec un carburant et stocké avant utilisation, il devient un monopropellant mixte.

Des scientifiques allemands des fusées expérimentaient des mélanges de combustible à base d'oxyde nitreux dès 1937. Les essais de mélanges de combustible à base d'oxyde nitreux se sont poursuivis tout au long de la Seconde Guerre mondiale. La promesse de performances élevées, d'une plus grande portée et de systèmes d'alimentation plus légers a conduit à l'expérimentation de mélanges d'oxyde nitreux et d'ammoniac, qui ont entraîné de nombreuses explosions et des moteurs démolis[2]. Les complexités impliquées dans la construction de systèmes de propulsion qui peuvent manipuler en toute sécurité les monopropellants de mélange de combustible à l'oxyde nitreux ont été un frein à un développement sérieux.

Le développement ultérieur de mélanges de carburants à base d'oxyde nitreux a repris dans les années 2000 et, en 2011, une mission d'essai en vol dans l'espace était prévue. En l'occurrence, le test en vol a été annulé. Innovative Space Propulsion Systems avait annoncé son intention de tester le mono-propulseur NOFBX sur la portion NASA de la Station spatiale internationale (ISS), avec une première date de vol provisoire au plus tôt en 2012[3]. La NASA a officiellement approuvé la mission vers l'ISS sur un créneau de lancement 2013 en mai 2012[4]. La mission devait se rendre à l'ISS dans le compartiment à cargaison non pressurisé d'un vaisseau spatial SpaceX Dragon lors de l'une des missions de réapprovisionnement de fret de la NASA à la mi-2013. La « démonstration de propulseur vert ISPS NOFBX » utilisera une 100 livres-force ( Unité « » inconnue du modèle {{Conversion}}.) étranglement profonde de 100 livres-force ( Unité « » inconnue du modèle {{Conversion}}.) Moteur de fusée NOFBX de classe de poussée qui sera monté à l'extérieur du module Columbus européen sur l'ISS et devait rester en orbite pendant environ un an tout en subissant une « série de tests de performances dans l'espace »[5].

NOFBX était un nom de marque pour un mono-propulseur mixte d'oxyde nitreux / carburant / émulsifiant développé par Firestar Technologies[6]. Le brevet NOFBX revendiquait un mélange d'oxyde nitreux comme comburant avec de l'éthane, de l'éthène ou de l'acétylène comme carburant. NOFBX a une impulsion spécifique (I_sp) plus élevée et est moins toxique que les autres monopropellants actuellement utilisés dans les applications spatiales, comme l'hydrazine. Des essais en vol de moteurs NOFBX avaient été planifiés sur la Station spatiale internationale[7] mais, en l'occurrence, n'ont pas progressé.

NOFBX avait déjà été utilisé pour alimenter un moteur alternatif à haute altitude de puissance, drone longue endurance avions sous la DARPA contrat[8]. NOFBX a été promue par la société à l'époque comme une technologie « révolutionnaire »[3] avec plusieurs caractéristiques qui soulignent pourquoi les monopropellants plus sûrs étaient intéressants dans l'industrie :

• les constituants sont largement disponibles auprès des fournisseurs de produits chimiques, peu coûteux et sûrs à manipuler[3] ;
• peut être transporté et manipulé sans précautions ou dangers indus[3] ;
• ses produits finaux (N₂, CO, H₂O, H₂ et CO₂)[9] sont tous sensiblement moins toxiques que les monopropellants stockables de longue durée traditionnels et ne produisent aucun dépôt ni contamination accumulés[3] ; alors que l'hydrazine émet de l'ammoniac[9] ;
• l'hydrazine a un I_sp d'environ 230 s ; NOFBX aurait un I_sp de 300 s[9] ;
• a une meilleure densité d'énergie, plus de trois fois supérieure à l'hydrazine[9] ;
• tolère une large plage thermique ; stockable à température ambiante au sol ainsi qu'à des températures trouvées dans l'espace[7] ;
• devrait réduire les coûts par rapport aux systèmes de propulsion existants aux performances comparables[3] ;
• est un monopropellant, ce qui réduit considérablement le besoin de matériel auxiliaire, réduisant les coûts, le volume et la masse des systèmes de lancement ;
• utilise des propulseurs plus froids, ce qui réduit les problèmes de conception thermique[7].

Un document de l'AIAA de 2008 sur la décomposition de l'oxyde nitreux a soulevé des préoccupations concernant les risques pour la sécurité du mélange d'hydrocarbures avec de l'oxyde nitreux. En ajoutant des hydrocarbures, la barrière énergétique à un événement de décomposition explosive est considérablement abaissée[10].