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Avions radiocommandés de la NASA : les MINI-SNIFFERS

30 novembre 1976, photo de la troisième version du véhicule de recherche téléguidé Mini-Sniffer (RPRV) sur le lac Rogers Dry, à côté du Dryden Flight Research Center de la NASA, à Edwards, en Californie. Le moteur de cette troisième version du Mini-Sniffer était propulsé par l'hydrazine, une matière très dangereuse. Photo NASA.

La série des Mini-Sniffer, l’étude de la haute atmosphère

Les Mini-Sniffers (littéralement « Petits Renifleurs » ) de la NASA étaient une série de drones sous forme d’avions radiocommandé de type RPRV (Remotely Piloted Research Vehicle) conçue pour échantillonner l’air à haute altitude pour soutenir diverses études scientifiques.

Étudier la haute atmosphère et anticiper l’impact du transport supersoniques

Au début des années 1970, l’ingénieur de la NASA, Dale Reed, cherchait des méthodes pour prélever des échantillonnages de l’atmosphère à très haute altitude, jusqu’à 21 kilomètres (70 000 pieds) pour étudier entre autre la pollution. Les études de la NASA sur les avions de transport supersoniques avaient soulevé des questions quant à leur impact possible sur la haute atmosphère, et Reed conçu une série de drones « Mini-Sniffer » pour prélever des échantillons d’air à haute altitude. La NASA les a également envisagés pour des vols d’échantillonnage atmosphérique planétaire au-dessus de Mars. Trois mini-sniffer ont été construits par le centre de recherche en vol de Dryden de la NASA et ont volé de 1975 à 1982.

Le Mini-Sniffer dans sa version original, véhicule radiocommandé de recherche (RPRV – Remotely Piloted Research Vehicle) sur le lac salé  Rogers Dry Lake, adjacent au Flight Research Center de la NASA, Edwards, en Californie. Photo : NASA.

Le Mini-Sniffer était un véhicule à hélice contrôlé à distance développé au NASA Flight Research Center (qui est devenu le Dryden Flight Research Center, Edwards, Californie, en 1976). Le véhicule, piloté de 1975 à 1977, était une des premières tentatives de la NASA pour développer un avion capable de détecter les turbulences et de mesurer les polluants atmosphériques d’origine naturelle et humaine à des altitudes supérieures à 80000 pieds.  Il fût question également d’une hélice à pas variable qui n’a jamais été en vol testé.

Le Mini-Sniffer I

Le Mini-Sniffer initial (Mini-Sniffer 1, cf photo ci dessus) avait une envergure de 5,5 mètres (18 pieds). L’aile possédait des dérives sur les extrémités et le fuselage était équipé d’un canard sur le nez. Il a utilisé un moteur à piston à essence et a effectué une douzaine de vols à basse altitude pour valider la conception.  Il a effectué 12 vols avec le moteur à essence à basse altitude d’environ 2 500 pieds.

Le Mini-Sniffer II

Le Mini-Sniffer I a ensuite été transformé en Mini-Sniffer II en retirant les canards et les gouvernails de voilure, puis en ajoutant des perches de queue et en étendant les ailes, lui donnant une envergure de 6,7 mètres (22 pieds). Il était toujours propulsé par un moteur à essence et hélice. Vingt vols ont été effectués avec cette version, jusqu’à des altitudes de 6 100 mètres (20 000 pieds).

Cette photographie montre le Mini-Sniffer 2 en cours de test en vol au-dessus du lac Rogers Dry à Edwards, en Californie. Cette version du Mini-Sniffer n’avait pas le canard de la version originale et avait des bouts d’aile et des bômes de queue ajoutés. Photo : NASA, 8 octobre 1975.

Pour atteindre des altitudes beaucoup plus élevées, Reed avait prévu d’utiliser un moteur inhabituel qui brûlait de l’hydrazine. Un moteur à combustion interne normal brûle de l’essence avec de l’air pour produire de l’énergie, mais à 21 kilomètres, la densité de l’air est faible pour le faire fonctionner. Au lieu de l’essence, Reed prévoyait d’utiliser de l’hydrazine, ou (NH2) 2, qui se décompose spontanément lorsqu’elle passe sur un catalyseur, générant de la chaleur pour produire de la vapeur pour entraîner le moteur. L’hydrazine est un propulseur corrosif, toxique et instable, mais sa capacité à « brûler » sans oxygène le rend utile pour les propulseurs d’engins spatiaux et pour de telles applications de moteurs à haute altitude.

L’hydrazine, carburant pour les fusées

Fabriquer l’hydrazine : la réduction de Wolff-Kishner
La réduction de Wolff-Kishnerpermet la réduction d’un groupement carbonyle en hydrocarbure saturé en deux étapes. La condensation du groupement carbonyle avec de l’hydrazine permet la formation d’une hydrazone intermédiaire, qui est ensuite déprotonée sous l’action d’une base forte (NaOH, KOH, NaOEt…) pour conduire à l’hydrocarbure saturé attendu. Cette réaction a été découverte indépendamment par le russe Nikolai Kischner (en)1 et l’allemand Ludwig Wolff2, respectivement en 1911 et 1912.

Premières utilisation : l’hydrazine fut d’abord utilisée comme carburant pour fusées lors de la Seconde Guerre mondiale pour les avions Messerschmitt Me 163 (le premier avion-fusée), sous le nom de B-Stoff (en fait, de l’hydrate d’hydrazine). Ce B-Stoff était mélangé à du méthanol (M-Stoff) pour donner du C-Stoff, lequel était utilisé comme carburant avec du T-Stoff, un concentré de peroxyde d’hydrogène, utilisé comme comburant au contact duquel il s’enflammait spontanément en une réaction très énergétique.

Aujourd’hui, l’hydrazine est utilisée généralement seule comme monergol dans les moteurs à faible poussée (mais grande précision) permettant le positionnement sur orbite des satellites et des sondes spatiales ; dans ce cas, la poussée est assurée par décomposition catalytique de l’hydrazine et non par combustion. Cette décomposition est en effet une réaction très exothermique. Elle est obtenue en faisant passer l’hydrazine sur un catalyseur dont le composant actif est l’iridium métallique déposé sur une grande surface d’alumine (oxyde d’aluminium), ou de nanofibres de carbone34, ou plus récemment le nitrure de molybdène sur l’alumine35, voire du nitrate de molybdène. Sa décomposition en ammoniac, diazote et dihydrogène résulte des réactions suivantes :

3 N2H4 → 4 NH3 + N2.
N2H4 → N2 + 2 H2.
4 NH3 + N2H4 → 3 N2 + 8 H2.

Cette décomposition se déclenche en quelques millisecondes et permet de doser la poussée de façon très précise. Ces réactions sont très exothermiques (le catalyseur de la chambre peut atteindre 800 °C en quelques millisecondes34), et produisent un gros volume de gaz chauds à partir d’un faible volume d’hydrazine liquide35, ce qui en fait un bon propergol pour la propulsion spatiale.

Certains dérivés de l’hydrazine sont également employés comme ergols liquides : la monométhylhydrazine H2N–NHCH3 (ou MMH), et la diméthylhydrazine asymétrique, H2N–N(CH3)2 (ou UDMH). Ils sont généralement utilisés avec le peroxyde d’azote N2O4 comme oxydant, avec lequel ils forment un propergol liquide stockable hypergolique.

L’hydrate d’hydrazine

L’hydrate d’hydrazine est le composé chimique de formule H2N-NH2·H2O. Il contient 61 % d’hydrazine en masse et 39 % d’eau.

Utilisé par les Allemands dès les années 1940 dans les B-Stoff et C-Stoff pour la propulsion de certains avions (Messerschmitt 163B), l’hydrate d’hydrazine est employé jusqu’à nos jours comme ergol réducteur dans les propergols liquides de certains lanceurs spatiaux. Il a notamment été référencé par Arianespace pour ses lanceurs Ariane 2 à Ariane 4 dans un mélange de 75 % UDMH – 25 % hydrate d’hydrazine, appelé UH 25. Son point de fusion est en effet sensiblement plus bas que celui de l’hydrazine pure : −51,7 °C, contre 1 °C pour l’hydrazine, et sa densité légèrement plus élevée : 1 032 kg·m-3 contre 1 004,5 kg·m-3, sans dégradation des performances énergétiques de ce carburant, ce qui en fait un ergol efficace pour les lanceurs.

Sources : wikipedia.

 

Mini-Sniffer III

Le Mini-Sniffer III était un avion de conception entièrement nouvelle, similaire au Mini-Sniffer II mais avec un fuselage plus long. Il avait la particularité d’être équipé d’un moteur à hydrazine conçu par le Johnson Space Center de la NASA à Houston, au Texas. C’est certainement le seul avion radiocommandé à ce jour à avoir utilisé ce type de carburant !

Il a été conçu pour transporter une charge utile de 11,3 kilogrammes (25 livres) à 70 000 pieds pendant une heure ou pour grimper à 90 000 pieds pour redescendre en planant.

nasa avion rc
30 novembre 1976, photo de la troisième version du véhicule de recherche radiocommandé « Mini-Sniffer 3«  de type RPRV sur le lac Rogers Dry, à côté du Dryden Flight Research Center de la NASA, à Edwards, en Californie. Le moteur de cette troisième version du Mini-Sniffer était propulsé par l’hydrazine, une matière très dangereuse expliquant les précautions de rigueur prisent autour de l’avion. Photo NASA.

 

16 décembre 1976, le troisième véhicule de recherche « Mini-Sniffer 3 » radiocommandé repose sur le lit du lac adjacent au Dryden Flight Research Center, à Edwards, en Californie. Cette vue montre la forme des ailes, le moteur à hydrazine et sa configuration avec double longeron. Notez les mini winglets posé vers l’extérieur sur les dérives.

Le Mini-Sniffer III n’a effectué qu’un seul vol à 6 100 mètres (20 000 pieds) et n’a jamais revolé en raison d’une fuite d’hydrazine qui rendaient sa manipulation dangereuse. La NASA s’est désintéressée de l’idée et le concept d’un drone à haute altitude a été abandonné jusqu’à la venue du programme « NASA ERAST » qui a ressuscité l’idée.`

Le Mini-Sniffer sur Mars ?

À plusieurs reprises, grâce à son moteur ne nécessitant pas d’oxygène, le Mini-Sniffer a été envisagé pour l’exploration dans l’atmosphère de dioxyde de carbone de la planète Mars, où la gravité (38% de celle sur Terre) réduirait la puissance nécessaire au vol. Ceci est resté à l’état de projet à la NASA.

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