Les processus physiques qui régissent la pulvérisation de sprays constituent la première étape vers une compréhension globale du comportement de moteurs fusées à ergols stockables. La première partie de ces travaux détermine, au moyen de visualisations et d’analyses granulométriques, les paramètres importants contrôlant la formation de sprays par impact de jets liquides. Des injecteurs dédiés à pulvériser des ergols stockables sont ensuite conçus. L’enjeu de la seconde partie des travaux est d’étudier la combustion de l’éthanol avec le peroxyde d’hydrogène, ergols stockables considérés moins nocifs. L’utilisation de cette association bi-ergols innovante a nécessité d’analyser en détail leur compatibilité à l’allumage, ainsi que leurs performances en combustion sur la gamme de richesses 0,4 – 2,0, à l’aide de diagnostics optiques et physiques spécifiques. Les efficacités de combustion atteignent entre 87 et 98 %, les fluctuations de pression ne dépassent pas 10 %, mais les légères différences obtenues permettent de sélectionner les meilleures configurations d’injection favorisant la combustion ou sa stabilité. / The physical processes involved in spraying are the first step towards a comprehensive understanding of the behavior of rocket engines using storable propellants. The first part of this work identifies, through visualizations and particle sizing, the important parameters driving the formation of spray by impinging liquid jets. Then, injectors dedicated to spray storable green-propellants are designed. The second part of this thesis aims at studying the combustion of ethanol with hydrogen peroxide, which are regarded as green-storable propellants. But the use of this innovative bi-propellant association required a detailed analysis of their ignition compatibility, as well as their combustion performance within the range of 0,4 – 2,0 in overall equivalence ratio. Specific optical and physical diagnostics helped to achieve these goals. Combustion efficiency reached between 87 and 98 %, pressure fluctuations did not exceed 10 %, but the slight differences obtained allowed to select the best injection configurations promoting efficient combustion and stability.

Les futures missions d'exploration spatiale nécessitent le stockage d'ergols cryogéniques sur de longues durées.Sous l'effet d'entrées thermiques résiduelles, l'ergol se vaporise et le réservoir s'auto-pressurise, pouvant entraîner la rupture du réservoir pour des missionssuffisamment longues. Cette thèse s'intéresse à un système de contrôle, appelé Thermodynamic Venting System (TVS), reposant sur l'injection d'un jet sous-refroidi dans le réservoir.L'injection entraîne la condensation de la vapeur, la déstratification du bain liquide et donc une baisse de pression dans le réservoir.L'étude expérimentale a permis de mettre en place une technique originale d'isolation active générant une condition de paroi à flux de chaleurnet nul. Une base de données expérimentales, d'auto-pressurisation et de contrôle TVS, a été constituée avec ce nouveau dispositif.Elle a notamment permis de valider un modèle thermodynamique homogène permettant de prédire l'évolution de température et depression dans le réservoir. Ce modèle a été étendu pour de façon à décrire le comportement de tous les éléments constitutifs du système TVS.Un outil de dimensionnement du système complet a ainsi été mis en place.En le couplant à une plateforme d'optimisation, un système TVS optimal a pu être établi pour une mission de démonstration.Enfin une étude numérique a permis de mettre en évidence, pour notre cas d'étude, les faiblesses des modèles de changement de phase disponibles dans les solveursCFD commerciaux. Une modélisation prédictive du changement de phase a été mise en place dans un code de calcul recherche puis validée sur uncas académique 1D. / Future operations in space exploration require the ability to store cryogens for long duration. Residual heat loads induce cryogenic propellant vaporization andtank self-pressurization (SP), eventually leading to storage failure for long enough mission duration.This thesis focuses on a control strategy, called Thermodynamic Venting System (TVS), based on a recirculating liquid subcooled injection. The injection results inan ullage condensation, a liquid bath destratification and thus a tank pressure reduction.Experimentally, an original active insulation technique has been set up, yielding a net zero heat flux wall boundary condition. A data base ofself-pressurisation and TVS control experiments has been gathered with this new aparatus.It was used to validate an homogeneous thermodynamic model providing a fast prediction of tank temperature and pressure during control.This model has been extended to discribe the TVS system behaviour including all its components. This full system design tool has been coupled with an optimisationplatform and an optimal TVS design has been established for a demonstration mission.Furthermore, a numerical study has evidenced the weakness of commercial CFD software to simulate phase change, for TVS configuration.A predictive phase change formulation has been set up in a home-made software and validated on a 1D academic case.

La thèse porte sur l'étude d'un système de contrôle de la pression au sein de réservoirs d’ergols cryogéniques (dihydrogène ou dioxygène) dans le cadre de missions spatiales de longue durée. Ce système de contrôle doit permettre d’éviter la perte excessive d’ergols associée à un contrôle basique de la pression consistant en l’évacuation directe d’une fraction du fluide. Le système alternatif étudié, dit de contrôle thermodynamique, repose sur la réinjection d’un spray sous-refroidi permettant d’abaisser température et pression dans un réservoir soumis à une chauffe (en pratique, le rayonnement solaire). Nous avons analysé les performances de ce système en développant en parallèle un banc d'essai adapté aux conditions du laboratoire, et un modèle théorique de type 0D, à base de bilans globaux, de l’effet du spray sous-refroidi sur les caractéristiques thermodynamiques de l’enceinte. La confrontation des mesures et des calculs a permis de valider l’outil de modélisation théorique. Les caractéristiques du système réel (ensemble des circuits d'injection et de refroidissement) ont ensuite été introduites dans le modèle théorique afin de quantifier de façon réaliste les gains offerts par le système de contrôle thermodynamique, i.e. en prenant en compte la pénalité en masse associée à ces circuits. Des solutions optimales de contrôle de la pression au sein de réservoirs d’ergols cryogéniques lors de missions spatiales de longue durée ont pu alors être proposées. / This PHD thesis deals with the study of a pressure control system inside a cryogenic propellant tank for long duration space missions. This system must be able to reduce propellant losses induced by direct venting, which is the simplest pressure control system. The alternative system which has been studied, called Thermodynamic Vent System (TVS), is based on reinjecting subcooled spray to make the pressure and temperature decrease in a heated tank. The system performance has been analysed developing simultaneously an experimental setup, adapted to laboratory environment, and a theoretical 0D-modelling of subcooled spray impact on tank's thermodynamic characteristics. Facing experimental and theoretical results has permitted to validate the 0D-modelling tool. Inputing the real system characteristics in theoretical modelling has enabled to assess the effective gains of thermodynamic vent system. Finally, optimal solutions to control pressure inside a cryogenic propellant tank for long duration space missions have been proposed.

L'hydrure d'aluminium AlH3 ou alane est à la fois un matériau très important et une espèce chimique fascinante qui reçoit actuellement un regain d'intérêt lié à son utilisation potentielle pour différentes applications : (i) comme additif énergétique pour les ergols solides, (ii) comme agent réducteur dans les piles alcalines et (iii) comme source possible d'hydrogène pour des piles à combustibles basses températures. L'alane a une capacité de stockage volumique d'hydrogène de 0,148 g mL-1 soit deux fois plus que l'hydrogène liquide (0,07 g mL-1). Sa capacité de stockage d'hydrogène est supérieure à 10 % en masse. Malheureusement, le coût de production d'alane est élevé ce qui limite son utilisation notamment dans le domaine de la propulsion. L'objectif de cette thèse était d'optimiser la synthèse de l'alane α pur, variété cristalline considérée comme la plus stable et ainsi d'en réduire les coûts de production. Différentes méthodes de synthèse sous atmosphère contrôlée ont été mises en oeuvre. Il a été montré que le traitement thermique sous vide d'un complexe éthéré de AlH3 permettait de s'affranchir de l'utilisation de toluène et ainsi de réduire la quantité de solvants et de réactifs de 25 % tout en obtenant une phase α pure mise en évidence par DRX. Des essais de stabilisation contrôlés par ATD-ATG ont montré que la température de décomposition à pression atmosphérique de l'alane α était de 174 °C contre 160 °C pour la phase α non stabilisée. Une autre voie de synthèse, sans solvant et à l'aide d'une presse fabriquée au laboratoire a été explorée. Un plan d'expériences a été réalisé afin d'identifier les paramètres influant le plus sur le rendement en alane α et la pureté de la phase obtenue. L'alane synthétisé par ces différentes méthodes a été caractérisé par DRX, MEB, MET, ATD-ATG et ICP-OES. Un transfert technologique de la synthèse en solution a été opéré vers les partenaires industriels de ce travail. / Aluminium hydride or alane (AlH3) is a very important and fascinating material that draws increasing attention due to its potential uses: (i) as an energetic component in rocket propellants, (ii) as a reducing agent in alkali batteries and (iii) as a possible hydrogen source for low temperature fuel cells. It exhibits a density of 1,48 g cm-3, a volumetric hydrogen capacity of 0,148 g mL-1, that is more than twice as much as that of liquid hydrogen (0,07 g mL-1). Its hydrogen mass capacity slightly exceeds 10 wt.-%. Unfortunately, production of alane suffers from a high cost that hinders its opportunity to be an excellent candidate for propulsion. Moreover, only the α phase of alane is known to be stable enough to be stored and used. This work aims at developing cheaper methods for alane production while keeping a maximum selectivity towards the formation of α phase. Preparation using a classical organometallic synthesis in ether was implemented. An etherate complex was formed, the ether was removed under vacuum and finally an adequate thermal treatment led to pure α phase of alane as identified by powder X-ray diffraction. A toluene free synthesis method was implemented and resulted in a cost reduction of 25 %. The stability of the material was characterized through thermal analysis (DTA-TGA). The morphology and purity of the alane were characterized using TEM, SEM and ICP-OES. Alane was synthesized using doping compounds and resulted in a significant increase in the decomposition temperature from ca. 160 °C to ca. 174 °C. Syntheses without solvent were studied using a homemade reactor and following a design of experiment to identify the key parameter towards the highest yield in α-AlH3. The synthesis method in ether was transferred to our industrial partners.

Cette thèse a pour objectif de démontrer l'intérêt des outils de diagnostic "intelligents" pour application sur les moteurs de fusée. En Europe beaucoup d'efforts ont été faits pour développer quelques techniques innovantes comme les réseaux neuronaux, les méthodes de suivi de raie vibratoire, ou l'identification paramétrique mais peu de résultats sont disponibles quant à la comparaison des performances de différents algorithmes. Un deuxième objectif de la thèse a été celui d'améliorer le système de diagnostic du banc d'essai Mascotte (ONERA/CNES). Il s'agit d'un banc de démonstration pour les moteurs de fusée de type cryogénique représentatif des conditions d'utilisation d'un vrai moteur. Les étapes de la thèse ont été en premier lieu de choisir et d'évaluer des méthodes de diagnostic à base de modèles, en particulier l'identification paramétrique et le filtre de Kalman, et de les appliquer pour le diagnostic d'un système critique du banc Mascotte: le circuit de refroidissement. Après une première validation des nouveaux algorithmes sur des données d'essais disponibles, un benchmark fonctionnel a été mis en place pour pouvoir comparer les performances des algorithmes sur différents types de cas de panne simulés. La dernière étape consiste à intégrer les algorithmes sur les ordinateurs du banc de contrôle de Mascotte pour pouvoir effectuer une évaluation applicative des performances et de leur intégrabilité à l'environnement informatique déjà en place. Un exemple simple de boucle de régulation intégrant l’information du diagnostic est aussi étudié pour analyser l’importance de telles méthodes dans le contexte plus large d’une régulation « intelligente » du banc. / The main objective of this work is to demonstrate and analyze the potential benefits of advanced real time algorithms for rocket engines monitoring and diagnosis. In the last two decades in Europe many research efforts have been devoted to the development of specific diagnostic technics such as neural networks, vibration analysis or parameter identification but few results are available concerning algorithms comparison and diagnosis performances analysis.Another major objective of this work has been the improvement of the monitoring system of the Mascotte test bench (ONERA/CNES). This is a cryogenic test facility based in ONERA Palaiseau used to perform analysis of cryogenic combustion and nozzle expansion behavior representative of real rocket engine operations.The first step of the work was the selection of a critical system of the bench, the water cooling circuit, and then the analysis of the possible model based technics for diagnostic such as parameter identification and Kalman filters.Three new algorithms were developed, after a preliminary validation based on real test data, they were thoroughly analyzed via a functional benchmark with representative failure cases.The last part of the work consisted in the integration of the diagnosis algorithms on the bench computer environment in order to prepare a set-up for a future real time application.A simple closed loop architecture based on the new diagnostic tools has been studied in order to assess the potential of the new methods for future application in the context of intelligent bench control strategies.