Le moteur de fusée d'A-100M est une version mise à jour du moteur de classe d'A-100 "G" qui a été à l'origine conçu il y a 30 ans. Intéressant, l'utilisation première prévue de ce nouveau moteur est la même que pour le moteur original -- pour examiner des formulations nouvelles et modifiées de propulseur au sucre. La petite taille, la fiabilité et la simplicité du moteur A-100M en ont fait un candidat idéal pour ce rôle. Certaines modifications sont incorporées à l'A-100M mis à jour : des bagues sont utilisées pour sceller le tuyère et la cloison étanche, une amélioration importante par rapport aux méthodes employées dans la conception originale. Ainsi, l'A-100M est prévu principalement pour l'usage avec des propulseurs contemporains au sucre, tels que les KNDX et KNSB. Le fructose, pour le propulseur de KNFR, qui est un nouveau développement, convient également bien à l'A-100M. L'utilisation de ces formulations brûlantes plus lentes a rendu nécessaire une réduction de la taille de gorge de tuyère pour augmenter convenablement le Kn, pour adapter à ces propulseurs. Une autre modification implique la méthode de fixation pour le tuyère et la cloison étanche, qui incorpore la même philosophie de conception utilisée pour des moteurs plus contemporains tels que le Kappa, le Juno, etc...

Il est également prévu d’utiliser le moteur d'A-100M pour des vols, principalement pour lancer de petites charges utiles telles qu'un petit appareil-photo. Les simulations employant le programme de MONTÉE prévoient que le moteur est capable de tirer1.4 kilogramme (3 livres), pour une fusée de 5 centimètres (2") de diamètre à une altitude de plus de 300m (1000 pieds).

Dossiers de simulation de vue :  A-100M KNDX    A-100M KNSB

Jusqu'ici, le moteur d'A-100M a été mis à feu 15 fois en utilisant une variété de formulations standards et expérimentales. Le moteur a parfaitement répondu aux espérances et aucune anomalie opérationnelle n’a été constatée. On n'a observé aucune érosion de la tuyère ou d'autres effets nuisibles d'utilisation.

Le grain de propulseur est libre avec une combustion complète sans restriction. La géométrie du grain est cylindrique creuse, bien que l'extrémité arrière ait une forme conique, qui est une conséquence de l'opération de moulage. Le grain est moulé à l'aide du moteur comme moule et comme tel, la partie conique est produite par la partie convergente de la tuyère. Les avantages de la combustion sans restriction incluent la simplicité de la préparation du grain, et la fiabilité élevée, car il n'y a aucun inhibiteur de combustion pouvant potentiellement échouer, et de ce fait augmenter le secteur brûlant (ainsi que la pression de chambre). Un inconvénient est que l'enveloppe est exposée au chauffage convecteur extrême, rendant nécessaire l'utilisation de l'acier comme matériel d'enveloppe.

Le moteur est conçu pour échouer, en cas de surpression, d'une façon "axiale". Les deux vis de fixation de la cloison étanche sont prévues pour cisailler à une pression d'approximativement 2000 livres par pouce carré (136 atmosphères), enlevant la cloison étanche à l'air comprimé. L'enveloppe a une pression d'éclat sensiblement plus haute que ceci.

Une vue en coupe du moteur A-100M est montrée sur le schéma 2. Les composants principaux sont indiqués.

La tuyère est un type supersonique profilé et de forme conique, usiné dans de l'acier à faible teneur en carbone (AISI 1018). Les 30^o convergents et 12° divergents sont identiques aux cotes utilisées pour l'A-100 original. Le rapport d'expansion est 12.4, et la pression de fonctionnement typique est entre 1000 livres par pouce carré et 1200 livres par pouce carré (6.9 MPa et 8.3 MPa), avec MEOP étant de 1600 livres par pouce carré (11 MPa.). Le tuyère est attachée avec trois vis d'acier inoxydable de #8-32 X 1/4"18-8) (. Les vis en acier inoxydable sont nécessaires à cause de leur résistance au cisaillement élevée 70 du kip² (480 MPa), comparées aux vis en acier standard, qui ont une résistance au cisaillement typique 45 du kip² (300 MPa). Les têtes courantes de "casserole" de vis sont usinées à un diamètre réduit. Pour fournir un joint de pression efficace et fiable, une bague simple est utilisée en même temps que de la graisse au silicone. Des bagues standard de buna-N (nitriles) ont été utilisées exclusivement dans les mises à feu d'essai conduites jusqu'ici. On a constaté que la bague de tuyère peut être sans risque réutilisée un certain nombre de fois à condition que la bague ait été bien enduite de graisse protectrice à chaque fois. On considère prudemment, cependant, de remplacer la bague de tuyère après chaque mise à feu.

Pour une exécution optimum, il est important que l'admission à la gorge soit bien arrondie (à rayons) de façon à accélèrer les produits de combustion plus graduellement. Ceci réduit la perte d'exécution liée au retard biphasé des vitesses d'écoulement (voir la section de théorie de SRM pour les détails complets).

La cloison étanche est usinée dans de l'acier à faible teneur en carbone (AISI 1018). La cloison étanche est attachée avec deux vis d'acier inoxydable de #8-32 X 1/4"18-8) (. Les têtes courantes de "casserole" de vis sont usinées à un diamètre réduit). Pour l’étanchéïté, une bague simple est utilisée en même temps que la graisse de silicone. Les bagues standard de buna-N-N (nitriles) conviennent. On a constaté que la bague de cloison étanche peut être réutilisée de nombreuses fois à condition que la bague ait été bien enduite de la graisse protectrice.

L'enveloppe de moteur est faite à partir d’un tube de 1"EMT en acier (tuyauterie métallique électrique). Ce type de tuyauterie est à couture soudée. Afin de fournir la bonne étanchéïté aux joints de bague, la tuyauterie est tournée sur l'intérieur (aux deux extrémités) à l'aide d'un tour tel que la couture soit complètement enlevée. L’EMT est plaqué en zinc. Cette électrodéposition tend à se boursoufler et se décolorer une fois soumise au chauffage de l'opération de moteur. Bien que pas vraiment utile, l'électrodéposition peut être enlevée en supprimant la surface extérieure sur un tour.

Les trous pour les vis de fixation de la cloison étanche sont soumis à l'effort élevé de roulement. Une élongation mineure de ces trous se produit normalement après la première mise à feu du moteur. Ce n'est pas nuisible et ne se produit qu’une seule fois, car la contrainte du matériel par conséquent durcit localement en raison de cette déformation.

Ce qui suit est un exemple de la masse typique de chaque composant du moteur d'A-100M.

Le grain du propulseur est libre, creux-cylindrique avec une combustion sans restriction. L'extrémité arrière du grain est conique, un résultat du moulage dugrain à l'aide du moteur comme moule. Le grain est moulé avec un ajustage lâche dans le moteur pour faciliter la combustion de la surface externe du grain. La masse nominale de grain du propulseur est de 100 grammes. Cependant, le moteur peut sans risque s’adapter à un grain de masse nominale jusqu'à 115%. Pour la facilité de démarrage et un fonctionnement ammélioré, le grain devrait être enduit de l'amorce de combustion de KN/charbon de bois.

Le moulage du grain pour ce moteur est détaillé dans la page Web de préparation de moulage et de grain du propulseur. En raison du gaspillage inévitable tel que le débordement ou la boue irrémédiable collant au creuset de fonte, il est nécessaire de préparer environ 50% de plus de matériel de propulseur que est necessaire au final. Par exemple, pour le moulage d'un grain de KNDXde 100grammes, 150 grammes de matériel est habituellement préparé, se composant de 97.5 grammes de nitrate de potassium et de 52.5 grammes de dextrose anhydre.

La conception du moteur A-100M a été optimisée pour le propulseur glucose de KNDX. Cependant, ce moteur peut être utilisé avec beaucoup d'autres formulations à base de sucre. Jusqu'ici, le moteur a également été essai mis le feu avec succès avec des variations basées sur du sorbitol et du fructose et avec des propulseurs enduits des additifs tels que l'oxyde rouge de fer (RIO) et la glycérine. Ces deux additifs sont efficaces en réduisant la viscosité de la boue fondue de propulseur et soulagent ainsi l'opération de moulage du grain. En outre, pour réduire la viscosité, des grains produits avec des rapports de 60/40 un O/F ont été moulés et mis à feu. Le tableau 2 détaille certaines des formulations qui ont été avec succès charge statique mise à feu dans le moteur A-100M et pour lequel des données fermes de fonctionnement ont été obtenues. Les formulations sont énumérées par ordre de facilité de moulage, avec "1" étant les plus faciles de mouler (versable)"7" étant les plus provocantes (exigeant l'excavation, le damage et l'emballage).

Bien qu’à l’origine non-destinée à l'utilisation avec le propulseur au sucrose (KNSU), cette formulation peut être employée avec succès dans le moteur A-100M, du moment que la la taille de la gorge de tuyère soit modifiée selon un plus grand diamètre, comme indiqué sur le schéma de technologie du tuyère.

Pour l'exécution maximum de moteur, une bougie du poudre noire (point d'ébullition) devrait être employée. La conception d'une telle bougie est détaillée dans les bougies et la page Web de circuits d'allumage . L'avantage de ce type de bougie est que la combustion est quasi-immédiate, et de cette manière, elle pressurise le moteur. Cela facilite l'allumage de toutes les surfaces exposées du grain du propulseur. La bougie est installée à l'embout avant du noyau de grain.

Unités de mesure anglaises

1. Assemblage du Moteur
2. Tuyère
3. Cloison étanche
4. Enveloppe
5. Vis, fixation
6. Grain du Propulseur

Unités de mesure métriques

1. Assemblage du Moteur
2. Tuyère
3. Cloison étanche
4. Enveloppe
5. Vis, fixation
6. Grain du Propulseur

Le Kn (très important) d'un moteur est le rapport de la superficie brûlante au secteur de section transversale de gorge. Le Kn modifiera la durée de fonctionnement d'un moteur, puisque la géométrie du grain change en raison du recul des surfaces brûlantes. Pour le moteur A-100M, le Kn est presque neutre, étant légèrement régressif. Un véritable grain creux-cylindrique avec seulement la surface et le noyau diamétral externe, exposé à la combustion, est totalement neutre. Puisque les deux extrémités du grain A-100M sont exposées à la brûlure, et la longueur du grain raccourcit ainsi continuellement au-dessus de la durée de la brûlure, le profil de Kn est régressif.

Le Kn est un paramètre principal dans la conception de moteur, car il détermine la pression de fonctionnement du moteur. Le Kn contre la récession d'enchaînement est montré sur le schéma 4 pour (des 100%) grains nominaux.

Des chiffres d'exécution pour le moteur A-100M ont été obtenus à partir de plusieurs mises à feu statiques exécutées en utilisant le banc d'essai STS-5000 et l'acquisition de données électroniques. La poussée du moteur et la pression de chambre ont été enregistrées. La poussée a été sentie avec l'utilisation de 200 livres. (900 N.) la cellule et la pression de charge de capacité ont été mémorisées à l'aide d'un capteur de pression de 0-5000 psig Omega PX300. La cellule de charge a été équipée d'un arrangement de plein-pont des jauges de contrainte, de 2 passifs et 2 actifs. Tous les deux ont été connectés pour séparer les circuits d'amplificateur d'instrumentation basés par INA122 , puis envoyées à un convertisseur ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE multicanal de DATAQ 154RS. Des données ont été rassemblées et stockées sur un ordinateur portable. Le capteur de pression a été thermiquement protégé contre les gaz de combustion chauds par une tubulure remplie de graisse.

Plusieurs courbes de poussée sont présentées sur le schéma 5 pour une variété de formulations de propulseur. Des courbes correspondantes pour la pression de chambre de moteur sont présentées sur le schéma 6.

Le tableau 3 présente un sommaire d'exécution des divers essais de moteur. Tous les chiffres d'impulsion changent partiellement en raison des différences dans les différentes masses de grain pour ces essais. Il est intéressant de noter que les valeurs spécifiques d'impulsion pour les formulations de 60/40 O/F n'étaient pas de beaucoup inférieur aux formulations standard de 65/35 rapport d'O/F. Pour les propulseurs de dextrose, par exemple, la formulation de 60/40 a eu une ISP environ 5% plus basse que le KNDX standard. Les pertes de tuyère pour l'ancien sont notamment moindres, comme peut être constaté en regardant les valeurs de coefficient de poussée, qui sont plus hautes pour le 60/40. Ceci pourrait, peut-être, être dû aux pertes biphasées inférieures d'écoulement, car le pourcentage des particules de condenser-phase dans les produits d'échappement sont considérablement inférieure, étant de 40.9% pour le rapport de 60/40, contre 42.5% pour le 65/35 rapport standard (basé sur l'analyse de GUIPEP). Notez que les valeurs de coefficient de poussée montrées sont la moyenne, valeurs équilibrées.

Les chiffres d'exécution pour le propulseur de KNSB souffrent car le moteur était optimisé pour le propulseur au KNDX. En tant que tel, le KNSB fonctionne à une pression inférieure de chambre, avec une poussée résultante inférieure de moyenne, avec un plus long temps de combustion, et abaisse l'impulsion spécifique. Si l'A-100M devait être optimisé pour KNSB, la taille de la gorge de la tuyère devrait être réduite à la bosse vers le haut de la pression de chambre à une valeur semblable à cela constatée pour le KNDX.

Il est intéressant de comparer les résultats d'essai réels à ceux prévus par le logiciel de conception de moteur de SRM. Le schéma 7 montre une comparaison des courbes réelles de poussée et de pression pour la mise à feu de KNDX présentée dans le tableau 3 et des courbes correspondantes prévues par SRM. Les efficacités assumées sont : 95% de valeurs d'efficacité de combustion de la "norme" et 28% d’efficacité de la tuyère. La corrélation est très bonne, particulièrement pour la pression de chambre. La poussée est vue pour être sous-prévue. C'est probablement dû à l'approche simplifiée adoptée par SRM en ce qui concerne l'efficacité de tuyère, avec toutes les pertes de tuyère étant considérée comme entité simple. Le résultat est une sous-évaluation du coefficient de poussée, avec SRM indiquant des Cf = 1.50, alors que la valeur basée sur des essais était Cf = 1.59.

Le schéma 7 - Mesure contre la prévision de SRM