En astronautique, on appelle propergol liquide tout système chimique composé d'un ou plusieurs ergols stockés à l'état liquide pour produire, par décomposition ou par combustion, un mélange gazeux dont la détente à travers une tuyère fournit une force de poussée. De tels propergols ne permettent pas d'atteindre des vitesses très élevées mais offrent une poussée suffisante pendant le temps nécessaire pour s'affranchir de la pesanteur et placer des charges utiles en orbite. Ils sont donc couramment utilisés pour fournir l'impulsion nécessaire au décollage des lanceurs et pour les manœuvrer dans l'espace. 375px|droite|vignette|Lanceur russe Proton, propulsé au NTO/UDMH.

Grandeurs caractérisant un propergol

Ces grandeurs sont introduites dans l'article « Moteur-fusée ».

Impulsion spécifique

Notée I et mesurée en secondes, l'impulsion spécifique indique la durée pendant laquelle une masse d'un kilogramme de propergol peut fournir une force de poussée d'un kilogramme-force, soit : , d'où avec : I l'impulsion spécifique exprimée en secondes F la force de poussée du propergol, mesurée en newtons g l'accélération de la gravité moyenne au niveau du sol (pesanteur normale), soit le débit massique d'éjection des gaz d'échappement, mesuré en kilogrammes par seconde

Cette équation souligne que, à poussée égale, l'impulsion spécifique sera d'autant plus élevée que le débit massique sera faible, ce qui signifie qu'on privilégiera des ergols dont les produits de combustion ont une masse molaire faible.

L'impulsion spécifique n'est pas une grandeur absolue d'un propergol, mais dépend des performances du moteur-fusée, et tout particulièrement de la pression atteinte dans la chambre de combustion, qui peut affecter les performances du système de 10 à 15 %. Elle dépend également de la détente des gaz d'échappement dans la tuyère, dont la géométrie doit être optimale pour maximiser la poussée, et elle dépend donc aussi de la pression à l'extérieur de la fusée : l'impulsion spécifique est maximale dans le vide, mais est inférieure de près de 15 % au décollage au niveau de la mer.

Dans la littérature, les valeurs d'impulsion spécifique sont données dans le vide et dans les conditions thermodynamiques idéales, de sorte qu'elles constituent des bornes supérieures auxquelles les valeurs pratiques sont généralement inférieures de 5 à 10 %.

Vitesse d'éjection des gaz d'échappement

Dans la mesure où le rapport de la force de poussée au débit massique est égal à la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, on peut également exprimer l'impulsion spécifique d'un propergol au moyen de la vitesse d'échappement, exprimée en mètres par seconde, selon l'égalité :

avec : v la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, exprimée en g la pesanteur normale, soit I l'impulsion spécifique mesurée en secondes

Fraction massique du propergol, delta V, densité d'impulsion

Fraction massique On appelle fraction massique du propergol le rapport entre la masse finale du lanceur (après combustion du propergol) et sa masse initiale (avec le propergol avant sa combustion) :

avec : la fraction massique du propergol consommé ; la masse de propergol consommé, mesurée en kg ; la masse initiale de l'engin spatial (avec le propergol consommé), mesurée en kg.

C'est une grandeur qui dépend à la fois de la conception du lanceur et de la masse volumique du propergol employé.

Delta V

Par ailleurs, on désigne couramment par « delta V » le surcroît de vitesse imprimé à un engin spatial par la combustion d'une quantité donnée de propergol. En l'absence de champ de gravité et de frottements, l'équation de Tsiolkowski permet d'exprimer simplement le delta V à partir de la fraction massique du propergol :

avec : Δv la variation de vitesse de l'engin spatial exprimée en m/s v la vitesse d'éjection des gaz d'échappement, mesurée en m/s M la masse de l'engin spatial au décollage, mesurée en kg M la masse hors propergol de l'engin spatial, mesurée en kg

On voit clairement avec cette expression que, pour maximiser le delta V, il faut : utiliser un propergol qui permette d'éjection des gaz d'échappement à une vitesse v aussi élevée que possible maximiser le rapport M / M, ce qui signifie : construire un astronef aussi léger que possible utiliser un propergol aussi dense que possible

Le delta V dépend donc à la fois de la masse du véhicule spatial et des qualités intrinsèques (masse volumique et vitesse d'éjection) du propergol utilisé.

Densité d'impulsion

La masse volumique apparente du propergol étant une donnée aussi déterminante que son impulsion spécifique, on définit l'impulsion-densité (ou densité d'impulsion) comme le produit de ces deux grandeurs :

avec : I l'impulsion-densité exprimée en d la masse volumique apparente du propergol mesurée en I l'impulsion spécifique mesurée en secondes

C'est parfois le couple (I, I) plutôt que le couple (v, d) qui est indiqué dans les tables de valeurs numériques sur les propergols liquides.

Qualités d'un propergol liquide

Hypergolique / non-hypergolique

On qualifie d'hypergolique un couple d'ergols qui, lorsqu'ils sont mis en contact l'un avec l'autre, autocatalysent leur propre oxydoréduction : la combustion s'initie spontanément, sans qu'il y ait besoin d'un système d'allumage, ce qui simplifie la réalisation du moteur-fusée. La fiabilité de la propulsion s'en trouve améliorée, car il devient possible de contrôler la poussée à l'aide de deux valves (une par ergol) sans devoir recourir à des systèmes de contrôle d'allumage complexes et fragiles. De plus, la nature même des ergols empêche qu'ils ne s'accumulent sous forme d'un mélange explosif à l'origine de surpressions dommageables au moment de l'allumage (). En contrepartie, de tels hypergols sont généralement dangereux à manipuler en raison de leur grande réactivité chimique.

Cryogénique / stockable

On qualifie de cryogénique un propergol dont l'un au moins des ergols doit être maintenu à une température inférieure à , température à partir de laquelle certains gaz de l'air se condensent à pression ambiante. De tels propergols sont généralement très performants mais ne peuvent être utilisés qu'au décollage depuis la Terre, car ils ne peuvent être maintenus longtemps à la température requise une fois chargés dans le lanceur. C'est tout particulièrement le cas de l'hydrogène liquide, qui commence à s'évaporer dès qu'il est en réservoir.

À l'opposé, les propergols stockables peuvent être maintenus liquides sur de longues périodes de temps sans nécessiter d'installations particulières pour les conserver.

Développement et utilisation des propergols liquides

droite|vignette|Peenemünde : un V2 quatre secondes après son décollage du pas de tir d', été 1943.

Dans les années 1940

Les bases de l'astronautique ont été jetées par les ingénieurs allemands durant la Seconde Guerre mondiale à travers une série d'innovations techniques supportées par toute une gamme de substances chimiques conventionnellement désignées au moyen d'une lettre, notamment (compositions approximatives en fraction massique) : A-Stoff : oxygène liquide (ergol cryogénique utilisé avec le B-Stoff dans les fusées V-2) B-Stoff : hydrate d'hydrazine • ou (75 % éthanol + 25 % eau utilisé avec le A-Stoff dans les fusées V-2) C-Stoff : 57 % méthanol + 43 % hydrate d'hydrazine • (utilisé avec le T-Stoff dans le Messerschmitt Me 163B) M-Stoff : méthanol N-Stoff : trifluorure de chlore R-Stoff : 57 % xylidine + 43 % triéthylamine S-Stoff : 90-97 % acide nitrique + 3-10 % (acide sulfurique ou perchlorure de fer ) SV-Stoff : (85-90 % acide nitrique + 10-15 % acide sulfurique ) ou (95 % acide nitrique + 5 % peroxyde d'azote ) T-Stoff : 72-76 % peroxyde d'hydrogène + 18-19 % eau + 5-10 % (8-hydroxyquinoléine + phosphate de sodium + acide phosphorique ), hypergolique avec le C-Stoff

Après la Seconde Guerre mondiale

250px|droite|vignette|Tir d'un missile américain PGM-11 Redstone (numéro de série 56) à Cap Canaveral, . Comme le Redstone est un dérivé direct du V-2 allemand, il utilise donc comme propergol de l'éthanol éthylique coupé à 25% et de l'oxygène liquide.

Développée notamment au prix de la vie de nombreux prisonniers de guerre, la technologie allemande en matière de propulsion chimique a été reprise dans les par les ingénieurs américains et soviétiques, qui expérimentèrent d'autres substances, parfois exotiques, telles que la tétrafluorohydrazine avec le pentaborane .

L'éthanol a été très utilisé, pur ou mélangé avec d'autres combustibles, par les ingénieurs allemands puis alliés dans les en raison de sa chaleur latente de vaporisation élevée, qui permettait de l'utiliser pour refroidir les moteurs. Ses performances sont néanmoins inférieures à celles permises par les hydrocarbures, plus denses et plus énergétiques. Le principal obstacle à l'utilisation d'hydrocarbures comme combustible pour fusées était leur mauvais comportement thermique : en passant dans les circuits de refroidissement des moteurs, les fractions les plus lourdes avaient tendance à polymériser et à bloquer les bulles issues de la vaporisation des fractions les plus légères, ce qui finissait par obstruer les circuits.

Ces problèmes ont été résolus au milieu des , en réduisant sévèrement la teneur en soufre, qui favorise la polymérisation, ainsi que celle en hydrocarbures insaturés (les plus susceptibles de polymériser), tout en privilégiant les alcanes ramifiés et cycliques, plus résistants à la chaleur que les alcanes linéaires. Les espèces recherchées sont de type ladderane en . Ceci a conduit au développement du RP-1, ou selon les versions. Avec le développement de l'industrie pétrolière et des techniques de raffinage, le RP-1 et l'hydrogène liquide se sont imposés depuis comme combustibles de puissance, tandis que l'hydrate d'hydrazine • (B-Stoff) était remplacé par des formes anhydres méthylées, monométhylhydrazine (MMH) et diméthylhydrazine asymétrique (UDMH) pour en accroître les performances dans les manœuvres de précision.

Côté oxydant, l'oxygène liquide est resté le comburant des applications de puissance avec le kérosène (RP-1) et l'hydrogène liquide, tandis que les recherches sur le SV-Stoff ont visé à stabiliser l'acide nitrique pour limiter les effets nocifs des vapeurs de dioxyde d'azote abondamment libérées par l'acide nitrique (ces vapeurs sont d'ailleurs la raison pour laquelle concentré est appelé acide nitrique fumant, WFNA en anglais, pour ). Ceci fut réalisé en diluant dans le peroxyde d'azote , ce qui donnait à l'ensemble une coloration rougeâtre (d'où le nom acide nitrique fumant rouge, RFNA en anglais), tandis que le problème de la corrosion des réservoirs était résolu en ajoutant de l'acide fluorhydrique HF pour passiver la surface intérieure des réservoirs en y déposant une couche de fluorure métallique : c'est ce qu'on appelle l’acide nitrique fumant rouge inhibé, ou IRFNA en anglais.

Aujourd'hui

On a coutume de distinguer formellement trois types de propergols liquides selon le nombre d'ergols qui les constituent : les monergols (ou monoergols), qui ne sont composés que d'un seul ergol ; les diergols (ou biergols), qui sont composés de deux ergols ; les triergols, qui sont composés de trois ergols.

Cette nomenclature est en fait assez artificielle car la différence fondamentale réside entre les monergols et les autres propergols liquides : les monergols fonctionnent sur la base d'une décomposition exothermique catalysée ; les autres propergols reposent sur la combustion d'un ou plusieurs carburants dans un ou plusieurs comburants.

Hydrazine