EP2516324A1 - Procede et dispositif de propulsion comprenant un liquide oxydant et un compose solide - Google Patents

Procede et dispositif de propulsion comprenant un liquide oxydant et un compose solide

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Publication number
EP2516324A1
EP2516324A1 EP10810862A EP10810862A EP2516324A1 EP 2516324 A1 EP2516324 A1 EP 2516324A1 EP 10810862 A EP10810862 A EP 10810862A EP 10810862 A EP10810862 A EP 10810862A EP 2516324 A1 EP2516324 A1 EP 2516324A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
combustion chamber
combustion
solid compound
propulsion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10810862A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Yvart
Pierre-Guy Amand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Ceramics SA
Original Assignee
Herakles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Herakles SA filed Critical Herakles SA
Publication of EP2516324A1 publication Critical patent/EP2516324A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/72—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid and solid propellants, i.e. hybrid rocket-engine plants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/065—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents from a hydride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B47/00—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase
    • C06B47/02—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase the components comprising a binary propellant
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C06D5/06—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more solids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44—Feeding propellants
    • F02K9/50—Feeding propellants using pressurised fluid to pressurise the propellants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/08—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a propulsion method generally implemented with thrust modulation. Said method is based on the injection, into a combustion chamber, of an oxidizing liquid and hydrogen and the combustion of said oxidizing liquid and hydrogen, said combustion generating the propellant gases.
  • the present invention also relates to a propulsion device.
  • Said device is particularly adapted to the implementation of said method.
  • Said device is likely to exist according to several variants.
  • the technical field of the invention is that of the engines for the propulsion of rockets and missiles, that of the propellant modules for the correction of trajectory and / or that of the modulation of the main thrust of missiles or rockets. It also concerns the propulsion of drones and micro-drones.
  • a solid propellant propellant charge (ammonium perchlorate / metal charge / binder type) generally occurs in these systems.
  • Thrust modulation engines have been widely studied and come in many forms.
  • Solid propellant engines have significant thrust for reduced footprint. Their simplicity of design and their availability of use are also advantages. Those skilled in the art have therefore developed pyrotechnic propulsion devices using solid propellant engines, with thrust modulation by throttling of the neck of the nozzle.
  • the device as described in US Pat. No. 3,948,042, thus uses a solid propellant charge discharging via a controlled variable-section nozzle. The variation of the area at the nozzle neck changes the pressure in the chamber propellant combustion, and therefore the propellant flow and engine thrust.
  • Hybrid propulsion methods comprising the injection of an oxidant such as oxygen, nitrogen peroxide, hydrogen peroxide or, more commonly, nitrous oxide, liquid or gaseous, into a combustion chamber containing a solid fuel, most often a hydrocarbon polymer, such as a polyester, polycarbonate, polyether, polyurethane, have also been described.
  • a hydrocarbon polymer such as a polyester, polycarbonate, polyether, polyurethane
  • US Pat. No. 6,250,072 and US patent application 2003/0136110 also describe the injection of an oxidizing liquid into a chamber of a hybrid propellant device containing a polymeric solid fuel.
  • US Pat. No. 4,835,959 relates to an architecture guidance of oxidizing liquid in a hybrid engine.
  • biliquid storable e.g. MMH (monomethylhydrazine) / N 2 O4 (dinitrogen tetroxide), H 2 O 2 / hydrocarbon such as kerosene or methane, which ensure a high level of specific impulse and a thrust modulation capability.
  • MMH monomethylhydrazine
  • N 2 O4 dinitrogen tetroxide
  • H 2 O 2 / hydrocarbon such as kerosene or methane
  • hybrid or biliquid generate combustion products more or less polluting (HCI, Ox, CO, NH 3 , particles). It would be appropriate to have devices that do not generate such products.
  • the hybrid processes use a solid fuel, such as a hydrocarbon polymer, which, when the device (not used) associated with the process is dismantled at the end of its life, is difficult to recycle and the biliquid processes use a reducing compound, such as the MMH or a hydrocarbon, which may present dangers for man and the environment.
  • cryogenic propulsion H 2/0 2
  • cryogenics requires heavy refrigeration devices, not compatible with most applications concerned by the present invention.
  • the storage of pressurized hydrogen in a metal tank or more recently in carbon fibers has a low constructive index and a dangerousness that reasonably excludes its use in storable propellant systems.
  • a propulsion device using a solid hydrogen generating compound is described in US Pat. No. 3,350,887. It is a rocket engine consisting of a combustion chamber comprising, in its interior, on the one hand, an oxidizing liquid reservoir and, on the other hand, a solid hydrogen generator, both discharging in said combustion chamber via respectively a first pipe and a nozzle.
  • Said solid hydrogen generator also directly discharges (without means of winnowing) into said reservoir by a second pipe, allowing the pressurization of said reservoir, in order to push the oxidizing liquid into the combustion chamber via said first pipe.
  • Said solid hydrogen generator contains a central channel cylindrical charge of a metal hydride.
  • a solid propellant charge is disposed within the loading channel. Its role is to initiate the endothermic decomposition of said loading, the pressurization of the oxidizing liquid reservoir, and also to bring hot gases into the combustion chamber, in order to ignite the mixture injected into the chamber by the reservoir and the solid generator of hydrogen.
  • solid compounds used as a source of hydrogen, for the fuel cells.
  • Said solid compounds capable of supplying fuel cells, are compounds with a high hydrogen content (borohydrides, borazane, etc.) releasing their hydrogen by hydrolysis, thermal decomposition or combustion reactions. Hydrogen generators using these solid compounds have a better constructive index of hydrogen production than pressurized hydrogen tanks.
  • Such solid compounds are in particular described in the patent application WO 2009/138629 (borazane and polyaminoboranes capable of generating hydrogen by combustion or thermal decomposition), in patent applications EP 1 249 427, EP 1 405 824, EP 1,496,035 and EP 2,014,631 (alkaline and alkaline earth borohydrides capable of generating hydrogen by combustion with an inorganic oxidant), in the patent applications US 2007/0189960, US 2008/216906 and US Pat. No. 6,746,496 ( alkaline and alkaline earth borohydrides capable of generating hydrogen by hydrolysis).
  • the invention relates to an original method of propulsion.
  • Said original propulsion method comprises, in a conventional manner:
  • the combustion reaction between said at least one solid compound and said oxidizing charge, once initiated, is a self-combustion reaction identical to that obtained for the usual solid propellants containing within them the oxidizing and reducing elements allowing their self-combustion without external heat input and without additional injection of oxidant and / or fuel.
  • Said oxidizing charge is advantageously chosen from strontium nitrate (Sr (NO 3 ) 2 ), ammonium dinitroamide (ADN: NH 4 N (NO 2 ) 2), ammonium perchlorate (NH 4 ClO 4 ), ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ) and mixtures thereof.
  • the process of the invention is characterized by at least one of its sources of hydrogen, by, advantageously, its source (its sole source) in hydrogen.
  • Said hydrogen is generated, at least partly, advantageously in whole, from at least one solid compound. It is thus stored, at least in part, advantageously in its entirety, in solid form, more precisely in the form of at least one solid precursor.
  • the said solid precursor (s) is (are) suitable for generating hydrogen. It (s) generally agree to generate a fluid reducing gas, mainly (by volume) consisting of hydrogen.
  • a single solid compound severeal solid compounds, of the same nature or of different natures
  • Part of the injected hydrogen, when it is not entirely generated from at least one solid compound, may come, for example, from a storage of hydrogen gas under pressure or storage cryogenic liquid hydrogen.
  • the hydrogen generated from at least one solid compound in the context of the implementation of the process of the invention, is generated from borazane (hydrogen precursor), put into combustion with an oxidizing charge, preferably consisting of Sr (NO 3 ) 2 .
  • the generation of hydrogen from at least one solid compound (source or precursor of hydrogen) is generally accompanied by the generation of other gaseous species such as H 2 O, HCl, NO 2 , NH 3 , N 2
  • a reducing gas stream generally comprising at least 85% by volume of hydrogen and at most 5% by volume of other gaseous species such as H 2 O, HCl, NO 2 , NH 3 / N 2 ....
  • the solid products generated, together with said hydrogen (said reducing gas stream), from said at least one solid compound are also injected into the combustion chamber to be ejected with the combustion gases.
  • the solid products resulting from the hydrogen generation are disposed of. This reduces the inert mass of the device as and when the consumption of hydrogen.
  • Said at least one oxidizing liquid is advantageously chosen from aqueous solutions of nitric acid, hydrogen peroxide, nitrogen peroxide, hydroxylammonium nitrate (HAN), ammonium dinitroamide (DNA), nitroformate ammonium and mixtures thereof (when the compounds are compatible with each other); said at least one oxidizing liquid is very advantageously an aqueous solution of hydrogen peroxide.
  • Aqueous solutions of hydrogen peroxide are particularly preferred, especially because of their safety for humans and their environment. Indeed, the combustion of hydrogen peroxide with hydrogen generates water and therefore has no environmental impact.
  • Said aqueous solutions of hydrogen peroxide advantageously have a hydrogen peroxide content greater than 30% in mass; they have very advantageously such a content greater than 80, or even 95, 98% by weight.
  • the propulsion process of the invention comprises the generation of hydrogen from borazane, borazane which is combusted with an oxidizing charge, advantageously consisting of strontium nitrate, and the injection said generated hydrogen and an aqueous solution of hydrogen peroxide in at least one combustion chamber.
  • the propulsion method of the invention is particularly suitable for implementation with thrust modulation.
  • Said thrust modulation is advantageously obtained by regulating the injection rate of the at least one oxidizing liquid in the combustion chamber and / or the hydrogen injection flow rate, generated (at least partly, advantageously in all) at from the at least one solid compound in the combustion chamber.
  • the method of the invention finds its interest in modulation propulsion applications. Indeed, the production by self-combustion of gas at high temperature (for example at 1360 K for a compound based on 60% borazane and 40% nitrate strontium) by the solid compound, essentially hydrogen, allows a hypergolic combustion operation of the combustion chamber in the presence of the oxidizing liquid. Thus, even if the supply of the combustion chamber is stopped for a long time, during a modulation phase without thrust, the re-ignition of the combustion in the combustion chamber is then possible by contact between the high-pressure gases. temperature generated by the solid compound and the oxidizing liquid injected again into the combustion chamber.
  • high temperature for example at 1360 K for a compound based on 60% borazane and 40% nitrate strontium
  • an increase in pressure in the combustion chamber induces an increase (pressure) of the self-combustion for the hydrogen generation: the burning rate of the solid compound and the oxidizing charge, and therefore the production of hydrogen, increase accordingly (the propellant loading rate of combustion being controlled by the pressure, according to the so-called Paul Dahlle operating law).
  • the present invention relates to a propulsion device which comprises:
  • At least one combustion chamber provided with at least one nozzle
  • said device for feeding said at least one hydrogen combustion chamber comprises at least one hydrogen generator containing at least one selected solid compound from alkali borohydrides, alkaline earth borohydrides, borazane, polyaminoboranes and mixtures thereof and an oxidizing charge suitable for combustion of said solid compound (thereby generating said hydrogen); said hydrogen generator being connected, on the one hand, to said at least one combustion chamber via a valve, and, on the other hand, to the outside via a leakage means, advantageously controlled.
  • Said device for feeding said at least one hydrogen combustion chamber thus comprises at least one hydrogen generator containing at least one solid compound capable of generating hydrogen by self-combustion (reaction between said at least one compound solid selected from alkaline borohydrides, alkaline earth borohydrides, borazane, polyaminoboranes and mixtures thereof and an oxidizing charge).
  • Said at least one hydrogen generator delivers (is connected by a pipe), via a valve, into (a) at least one combustion chamber.
  • Advantageously controlled hydrogen leakage means is associated with said at least one solid hydrogen generator. It can be arranged on the pipe connecting said gas generator to said combustion chamber. It may be an additional member provided in the structure of the valve mentioned above.
  • said gas leakage means (mainly H 2 ) is provided so as to be able to manage the internal pressure of said at least one generator when said valve (the delivery valve of said at least one generator in the combustion chamber) is partially or completely closed, in the modulation phases, then not allowing all of the hydrogen, generated by the solid compound in auto-fuel, to flow into the combustion chamber.
  • the device of the invention as specified above, is suitable for implementing the propulsion method with thrust modulation.
  • the device for supplying the at least one hydrogen combustion chamber may exist according to many embodiments: a single generator containing a single solid compound, hydrogen source, a single generator containing a mixture of compounds solids, hydrogen sources, several generators containing the same solid compound, several generators containing different solid compounds ... It may also comprise at least one hydrogen gas reservoir under pressure and / or at least one liquid hydrogen reservoir cryogenic pump equipped with an injection pump, possibly discharging, via a valve, into at least one combustion chamber.
  • the at least one hydrogen generator may or may not be equipped with a particulate filter.
  • a filter aims to prevent the passage of the solid reaction products of the at least one generator to the combustion chamber (s).
  • the device for supplying the at least one combustion chamber with at least one oxidizing liquid generally consists of one or more pressurized reservoirs that flow via a valve into the at least one combustion chamber. It is also likely to exist according to several embodiments: a single tank containing an oxidant or a mixture of oxidants, several reservoirs containing the same oxidant or oxidants of different kinds ...
  • the pressurization of at least one reservoir of oxidizing liquid is provided by a portion of the gases produced (predominantly hydrogen) in said at least one hydrogen generator, then connected to said at least one reservoir via a valve.
  • a reservoir preferably has a deployable membrane separating, in said reservoir of oxidizing liquid, the injection volume of the gases produced (predominantly hydrogen) in said at least one hydrogen generator and the volume containing said oxidant.
  • Said deployable membrane ensures a physical separation, in said reservoir of oxidizing liquid, between a portion of the gases produced (predominantly hydrogen) in said at least one hydrogen generator and said oxidizing liquid; it makes it possible to avoid any untimely reaction in the tank between said gases and said oxidizing liquid.
  • the basic device of the invention comprises a combustion chamber, a hydrogen generator and an oxidizing liquid reservoir connected to said combustion chamber.
  • Said hydrogen generator is connected, according to a first variant, only to (discharges only in) said combustion chamber. According to a second variant, it is connected (it flows) to both said chamber and the oxidizing liquid reservoir.
  • the device is suitable for the implementation of the propulsion method
  • At least one ignition means is included on said combustion chamber to better control the moment of at least one ignition, for example during take-off of the machine equipped with the ignition device. the invention, where it is necessary to achieve in a very short time and perfectly synchronized maximum thrust.
  • the device includes one or more ignition means for initiating the reaction in the at least one hydrogen generator.
  • valves present are advantageously controlled by the control unit of the machine (rocket, missile ...) equipped with the device of the invention. Said valves allow the implementation of propulsion with thrust modulation. They are more or less open depending on the levels or thrust orientations required. According to its third object, the invention relates to a thruster whose structure includes at least one propulsion device of the invention.
  • Figure 1 shows schematically a propulsion device of the invention (first variant).
  • Figure 2 shows schematically a propulsion device of the invention (second variant).
  • Figure 3 shows the specific pulse curves calculated as a function of the mixing ratio, injected into the combustion chamber; mixture MMH / N 2 O 4 of the prior art (curve without marker), gas mixture produced (mainly H 2 ) by the combustion of a solid compound (borazane (NH 3 BH 3 )) with Sr (NO 3 ) 2 / N 2 O 4 (curve with triangular markers (Example 2)) and gas mixture produced (mainly H 2 ) by the combustion of a solid compound (borazane (NH 3 BH 3 )) with Sr (NO 3 ) 2 / a aqueous solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 / H 2 O at 85% by weight of H 2 O 2 )) (curve with solid round markers (Example 1))
  • Figure 4 shows the combustion temperature curves for the same mixtures as those of Figure 1.
  • the device 50 in its preferred basic variant shown in Figure 1, comprises a combustion chamber 1 provided with a nozzle 2, a device 20 (with hydrogen generator 4) for feeding said combustion chamber 1 in hydrogen and a device 30 (with reservoir 9 of oxidizing liquid OX) for supplying said combustion chamber 1 with oxidizing liquid OX.
  • the pipe 6 also comprises a leakage control means T (in the variant shown, another valve) to the outside, hydrogen produced by the generator hydrogen 4, for controlling the pressure inside said hydrogen generator 4 when the valve 7 is partially or completely closed, said hydrogen generator 4 is equipped with an ignition device 8 for the combustion of the block 5.
  • a leakage control means T in the variant shown, another valve
  • hydrogen produced by the generator hydrogen 4 for controlling the pressure inside said hydrogen generator 4 when the valve 7 is partially or completely closed
  • said hydrogen generator 4 is equipped with an ignition device 8 for the combustion of the block 5.
  • the hydrogen generator 4 and the pipe 6 are not provided with a nozzle or the like and the operating pressure of said hydrogen generator 4 is related to the pressure prevailing in said combustion chamber 1 (when valve 7 is open). It is then possible to control the operation of the hydrogen generator 4 by varying the flow of oxidizing liquid OX injected into the combustion chamber 1.
  • the hydrogen generator or the pipe are provided with a nozzle or equivalent, that is to say that the operation of the hydrogen generator is independent of the pressure conditions prevailing in the combustion chamber.
  • the reservoir 9 of oxidizing liquid OX comprises a gas sky 11 (for example nitrogen or helium). It is kept under pressure. It is connected to the combustion chamber 1 via a pipe 12 and a valve 13, for injecting the oxidizing liquid OX into said combustion chamber 1.
  • Figure 2 shows another device of the invention. All of the elements of the device of FIG. 1 are found in said device, except for the gas head 11 which is replaced by a deployable membrane 14.
  • an additional pipe 15 provided with a valve 16 makes it possible to inject a part produced gases (mainly hydrogen) by the hydrogen generator 4 in the space separating the deployable membrane 14 of the oxidizing liquid OX contained in the reservoir 9 (said space being called to be created and to develop).
  • the deployment of the membrane 14 under the effect of pressurizing the gases injected via the valve 16 ensures the injection of the oxidizing liquid OX into the combustion chamber 1.
  • thermodynamic calculations show the interest of the invention (of the method of the invention) in terms of ballistic performance (method of the invention compared to biliquid methods of the prior art).
  • thermodynamic calculations were carried out for the following thermodynamic conditions:
  • Example 1 relates to a propulsion method implemented according to the preferred variant of the invention in a device of the type of that of Figure 1.
  • Said device comprises on the one hand, a hydrogen generator (in which said hydrogen is generated by combustion of NH 3 BH 3 (60% by mass) (solid hydrogen source compound) with Sr (N0 3 ) 2 (40% by mass) (oxidizing)) and, on the other hand, a reservoir oxidizing liquid (said oxidizing liquid consisting of an aqueous solution of hydrogen peroxide, 85% by weight of H 2 O 2 ).
  • Said method therefore comprises said generation of hydrogen (more precisely that of combustion gases mainly consisting of hydrogen) and the injection of said hydrogen and oxidizing liquid.
  • gaseous product A gaseous product A
  • gaseous product A gaseous product A
  • This table also indicates the mass percentages of said species, as introduced into the calculation of ballistic performance, during combustion with the oxidizing liquid (the most minority species, measured as a gas generator, having been neglected in said calculation).
  • FIG. 3 shows that the maximum specific impulse obtained, by injecting the gaseous product A (mainly consisting of hydrogen) and the oxidizing liquid, composed of an 85% H 2 O 2 aqueous hydrogen peroxide solution. mass, in the combustion chamber, is 351 s, for a mixing ratio between said oxidizing liquid and said gaseous product A (mixture ratio named OX / RED on the abscissa axis of said FIG. 3) of 7.
  • the maximum 2% specific pulse rate is obtained for a wide range of the OX / RED mixing ratio between 3 and 10. This is particularly interesting both in terms of the maximum accessible pulse value and the low sensitivity to the mixing ratio to obtain a maximum pulse.
  • the specific pulse modulation from the maximum pulse value can advantageously be obtained by decreasing the ratio OX / RED, by following the decreasing part of the specific pulse curve.
  • a biliquid MMH / N 2 0 4 mixture has a narrow specific pulse peak, of maximum level of 351 s, equivalent to that obtained according to the present example of the invention, maximum level obtained for a mixing ratio MMH / N 2 0 4 (mixing ratio named OX / RED on the abscissa of Figure 1) of 2.33.
  • the maximum specific pulse at 2% is obtained for a narrow range of values of the mixing ratio ranging from 1.83 to 2.69, followed on either side by a rapid decay of the specific pulse. which requires a fine adjustment of the combustion chamber supply valves to obtain a specific target pulse value.
  • FIG. 4 shows that the combustion temperature obtained according to the present example of the invention does not exceed 2800 K whereas it reaches about 3361 K for the specific pulse maximum, in the case of a MMH biliquid mixture / N 2 O 4 .
  • a lower combustion temperature makes it possible to reduce the stresses on the thermal resistance of the internal construction materials of the combustion chamber and the nozzle.
  • the present example therefore shows the advantage of the method of the invention which leads to a maximum specific pulse, equivalent to that obtained according to the prior art (the closest: MH / N2O 4 ), for a lower combustion temperature than according to said prior art, with products that are harmless to humans and the environment.
  • Example 2 even if it does not lead to levels of performance as interesting as those obtained in Example 1, shows the possibility of using another oxidizing liquid, in combination with the solid hydrogen generating compound of Example 1, to implement the method of the invention.
  • the liquid oxidant chosen for Example 2 is N 2 O 4 .
  • thermodynamic calculations of the ballistic performances are identical to those of example 1, in particular with regard to the gaseous products generated by said solid hydrogen generating compound (see the "gaseous product A" of Table 1).
  • FIG. 3 shows that the maximum specific impulse obtained by injecting the gaseous product A of said solid compound and the oxidizing liquid N 2 0 4 into the combustion chamber is 330 s and this, for a mixing ratio between the oxidizing liquid and the gaseous product A (mixing ratio named OX / RED on the x-axis of FIG. 3) of 1.78.
  • FIG. 4 shows that the combustion temperature obtained according to the present example of the invention does not exceed 3271 K.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de propulsion comprenant; l'injection, dans au moins une chambre de combustion (1), d'au moins un liquide oxydant (OX) et d'hydrogène (H2); la combustion desdits au moins un liquide oxydant (OX) et hydrogène (H2), dans ladite au moins une chambre de combustion (1), pour la génération de gaz de combustion; et l'éjection desdits gaz de combustion. Ledit procédé comprend, en amont de ladite injection : la génération d'au moins une partie dudit hydrogène (H2), avantageusement de la totalité dudit hydrogène (H2), à partir d'au moins un composé solide (5'); ladite génération à partir dudit au moins un composé solide (5') comprenant une réaction de combustion entre ledit au moins un composé solide (5') choisi parmi les borohydrures alcalins, les borohydrures alcalino-terreux, le borazane, les polyaminoboranes et leurs mélanges et une charge oxydante (5"). La présente invention a également pour objet un dispositif de propulsion convenant à la mise en œuvre dudit procédé.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PROPULSION COMPRENANT UN LIQUIDE OXYDANT ET UN COMPOSE SOLIDE
La présente invention a pour objet un procédé de propulsion mis en oeuvre généralement avec modulation de poussée. Ledit procédé est basé sur l'injection, dans une chambre de combustion, d'un liquide oxydant et d'hydrogène et la combustion desdits liquide oxydant et hydrogène, ladite combustion générant les gaz propulsifs.
La présente invention a également pour objet un dispositif de propulsion. Ledit dispositif est particulièrement adapté à la mise en œuvre dudit procédé. Ledit dispositif est susceptible d'exister selon plusieurs variantes de réalisation.
Le domaine technique de l'invention est celui des moteurs pour la propulsion de fusées et missiles, celui des modules propulsifs pour la correction de trajectoire et/ou celui de la modulation de la poussée principale de missiles ou fusées. Il concerne aussi la propulsion des drones et micro-drones. Un chargement propulsif en propergol solide (de type perchlorate d'ammonium/charge métallique/liant) intervient généralement dans ces systèmes.
Les moteurs à modulation de poussée ont été largement étudiés et se présentent sous plusieurs formes.
Les moteurs à propergol solide présentent des poussées importantes pour des encombrements réduits. Leur simplicité de conception et leur disponibilité d'emploi constituent aussi des avantages. L'homme du métier a donc développé des dispositifs de propulsion pyrotechnique utilisant des moteurs à propergol solide, avec modulation de poussée par vannage du col de la tuyère. Le dispositif, tel que décrit dans le brevet US 3,948,042, utilise ainsi un chargement de propergol solide débitant par l'intermédiaire d'une tuyère à section variable pilotée. La variation de l'aire au col de tuyère modifie la pression dans la chambre de combustion du propulseur, et par conséquent, le débit du propergol et la poussée du moteur.
Des procédés de propulsion dits hybrides, comprenant l'injection d'un oxydant tel que l'oxygène, le peroxyde d'azote, l'eau oxygénée ou plus communément le protoxyde d'azote, liquide ou gazeux, dans une chambre de combustion contenant un combustible solide, le plus souvent un polymère hydrocarboné, tel qu'un polyester, polycarbonate, polyéther, polyuréthane, ont par ailleurs été décrits. La demande de brevet US 2005/0034447 décrit ainsi l'utilisation du polyoxyméthylene en tant que combustible solide. La demande de brevet WO 00/09880 décrit un autre type de combustible solide comprenant un hydrure métallique et un liant polymérique spécifique ("ROMP-based polymer") dudit hydrure. La combustion de ce combustible solide est étudiée en présence d'oxygène et comparée à celle d'un hydrure métallique incorporant un liant à base de PBHT.
Le brevet US 6,250,072 et la demande de brevet US 2003/0136110 décrivent aussi l'injection d'un liquide oxydant dans une chambre d'un dispositif propulsif hybride contenant un combustible solide polymérique.
Le brevet US 4,835,959 concerne quant à lui une architecture directeurs de liquide oxydant dans un moteur hybride.
Il existe aussi des procédés et dispositifs biliquides stockables, par exemple MMH (monométhylhydrazine)/N2O4 (tétroxyde d'azote), H2O2/hydrocarbure tel que le kérosène ou méthane, qui assurent un niveau d'impulsion spécifique élevé et une capacité de modulation de poussée. Ces dispositifs sont souvent préférés à ceux des deux types précédents (moteurs à propergol solide avec vannage du col de la tuyère et dispositifs propulsifs hybrides) pour des applications de propulsion avec modulation de poussée.
La mise en œuvre des procédés (l'utilisation des dispositifs) de l'art antérieur, hybrides ou biliquides, génèrent des produits de combustion plus ou moins polluants (HCI, Ox, CO, NH3, particules). Il serait opportun de disposer de dispositifs ne générant pas de tels produits. Par ailleurs, les procédés hybrides utilisent un combustible solide, tel un polymère hydrocarboné, qui, lorsque le dispositif (non utilisé) associé au procédé est 5 démantelé en fin de vie, est difficilement recyclable et les procédés biliquides utilisent un composé réducteur, tel le MMH ou un hydrocarbure, pouvant présenter des dangers pour l'homme et l'environnement.
Certes, l'homme du métier sait aussi que l'hydrogène peut être utilisé à titre d'agent réducteur (non polluant) pour des applications de l() propulsion. Ledit hydrogène présente en effet l'avantage d'être non toxique et sans danger pour l'environnement. Ainsi, la propulsion cryogénique (H2/02) est une alternative bien connue, permettant d'atteindre de haut niveau d'impulsion spécifique. Néanmoins, la cryogénie nécessite des dispositifs de réfrigération lourds, non compatibles avec la 5 plupart des applications concernées par la présente invention. Par ailleurs, le stockage d'hydrogène sous pression en réservoir métallique ou plus récemment en fibres de carbone présente un faible indice constructif et une dangerosité qui exclut raisonnablement son utilisation dans des systèmes propulsifs stockables.
0 Un dispositif de propulsion utilisant un composé solide générateur d'hydrogène est décrit dans le brevet US 3,350,887. Il s'agit d'un moteur pour fusée constitué d'une chambre de combustion comprenant, en son sein, d'une part, un réservoir de liquide oxydant et, d'autre part, un générateur solide d'hydrogène, tous deux débitant dans ladite chambre de5 combustion via respectivement une première canalisation et une tuyère.
Ledit générateur solide d'hydrogène débite aussi directement (sans moyen de vannage) dans ledit réservoir par une seconde canalisation, permettant la pressurisation dudit réservoir, afin de pousser le liquide oxydant dans la chambre de combustion via ladite première canalisation. Ledit générateur0 solide d'hydrogène contient un chargement cylindrique à canal central d'un hydrure métallique. Une charge de propergol solide est disposée à l'intérieur du canal du chargement. Son rôle est d'initier la décomposition endothermique dudit chargement, la pressurisation du réservoir de liquide oxydant, et aussi d'apporter des gaz chauds dans la chambre de combustion, ce afin d'allumer le mélange injecté dans la chambre par le réservoir et le générateur solide d'hydrogène. La chaleur produite par la combustion dudit mélange injecté assure ensuite l'apport énergétique (par conduction thermique à travers la paroi du générateur) nécessaire à la décomposition endothermique du chargement solide (ce chargement solide ne convient pas pour une auto-combustion). Il est pour l'homme du métier évident que le fonctionnement d'un tel dispositif est difficile à régler. Ledit fonctionnement est par ailleurs susceptible de conduire à un emballement divergent du dispositif. En outre, ledit dispositif n'est pas adapté à un fonctionnement en modulation de poussée. Il n'est tout d'abord pas équipé de vanne permettant de réguler les débits sortant de fluide. Ensuite, après la combustion de la charge de propergol solide (initiateur), c'est donc la chaleur produite par la chambre de combustion qui assure la décomposition endothermique du chargement d'hydrure. Dans ces conditions, une baisse de la température de la chambre de combustion, qui serait liée à une phase de modulation à faible poussée, pourrait induire un arrêt de la décomposition endothermique du chargement, chargement qu'il serait par la suite impossible de ré-initier, la charge de propergol ayant été consommée. Il est clair que ce phénomène d'extinction du moteur, sans réallumage possible, est encore plus inéxorable, si le moteur est sujet à une extinction à poussée nulle induisant une chute rapide de la température dans la chambre de combustion. Enfin, le dispositif ne permet pas, par exemple, d'accéder à des phases à faible poussée en stoppant l'alimentation en liquide oxydant tout en continuant à produire de l'hydrogène chaud contribuant à la poussée. Dans un tout autre contexte relatif à la production d'électricité, l'homme du métier connaît des composés solides, utilisés comme source d'hydrogène, pour l'alimentation des piles à combustible. Lesdits composés solides, aptes à alimenter les piles à combustible, sont des composés à forte teneur en hydrogène (borohydrures, borazane...) libérant leur hydrogène par des réactions d'hydrolyse, de décomposition thermique ou de combustion. Les générateurs d'hydrogène utilisant ces composés solides ont un meilleur indice constructif de production en hydrogène que les réservoirs d'hydrogène sous pression. De tels composés solides sont notamment décrits dans la demande de brevet WO 2009/138629 (borazane et polyaminoboranes aptes à générer de l'hydrogène par combustion ou décomposition thermique), dans les demandes de brevet EP 1 249 427, EP 1 405 824, EP 1 496 035 et EP 2 014 631 (borohydrures alcalins et alcalino-terreux aptes à générer de l'hydrogène par combustion avec un oxydant inorganique), dans les demandes de brevets US 2007/0189960, US 2008/216906 et le brevet US 6,746,496 (borohydrures alcalins et alcalino-terreux aptes à générer de l'hydrogène par hydrolyse).
L'homme du métier est à la recherche de procédés et dispositifs de propulsion, convenant notamment à un fonctionnement avec poussée modulable sur une forte amplitude, à fort indice constructif, sans danger et peu ou pas toxique pour l'homme et l'environnement, utilisant des composés combustible/comburant stockables.
En référence à ce cahier des charges, selon son premier objet, l'invention concerne un procédé original de propulsion.
Ledit procédé original de propulsion comprend, de façon classique :
- l'injection, dans au moins une chambre de combustion, d'au moins un liquide oxydant et d'hydrogène ; - la combustion desdits au moins un liquide oxydant et hydrogène, dans ladite au moins une chambre de combustion, pour la génération de gaz de combustion ; et
- l'éjection desdits gaz de combustion.
De façon originale, il comprend, en amont de ladite injection :
- la génération d'au moins une partie dudit hydrogène, avantageusement de la totalité dudit hydrogène, à partir d'au moins un composé solide ; ladite génération à partir dudit au moins un composé solide comprenant une réaction de combustion entre ledit au moins un composé solide choisi parmi les borohydrures alcalins, les borohydrures alcalino-terreux, le borazane, les polyaminoboranes et leurs mélanges et une charge oxydante.
La réaction de combustion entre ledit au moins composé solide et ladite charge oxydante, une fois initiée, est une réaction d'auto- combustion à l'identique de celle obtenue pour les propergols solides usuels contenant en leur sein les éléments oxydants et réducteurs permettant leur auto-combustion sans apport thermique extérieur et sans injection supplémentaire de comburant et/ou de combustible.
Ladite charge oxydante est avantageusement choisie parmi le nitrate de strontium (Sr(N03)2), le dinitroamidure d'ammonium (ADN : NH4N(N02)2), le perchlorate d'ammonium (NH4CI04), le nitrate d'ammonium (NH4N03) et leurs mélanges.
Le procédé de l'invention est caractérisé par au moins l'une de ses sources en hydrogène, par, avantageusement, sa source (son unique source) en hydrogène. Ledit hydrogène est généré, au moins en partie, avantageusement en totalité, à partir d'au moins un composé solide. Il est ainsi, stocké, au moins en partie, avantageusement en totalité, sous forme solide, plus précisément sous la forme d'au moins un précurseur solide. Le(s)dit(s) précurseur(s) solide(s) convien(nen)t pour générer de l'hydrogène. Il(s) convien(nen)t généralement pour générer un fluide gazeux réducteur, majoritairement (en volume) constitué d'hydrogène. Un unique composé solide (plusieurs composés solides, de même nature ou de natures différentes) est (sont) ainsi susceptible(s) d'intervenir comme précurseur(s) d'hydrogène,
II est du mérite des inventeurs de proposer, dans le contexte de la propulsion, des composés solides comme source d'hydrogène, notamment des composés solides d'ores et déjà utilisés comme source d'hydrogène, mais dans un tout autre contexte (celui de l'alimentation des piles à combustible pour la production d'électricité (voir ci-dessus)). Le nouveau procédé de propulsion en résultant est performant. Il répond aux critères recherchés, concurrençant ainsi les procédés de propulsion, notamment avec modulation de poussée, de l'art antérieur.
Il est plus précisément du mérite des inventeurs de proposer, comme source d'hydrogène, des composés solides (choisi parmi les borohydrures alcalins, les borohydrures alcali no-terreux, le borazane, les polyaminoboranes et leurs mélanges) qui par auto-combustion avec une charge oxydante génèrent des gaz à haute température ; la chambre de combustion fonctionnant alors avec lesdits gaz et le liquide oxydant en combustion hypergolique, d'où la possibilité d'extinction et de ré-allumage à volonté, d'où la possibilité de gérer aisément la modulation de poussée (voir ci-après).
Une partie de l'hydrogène injecté, lorsque celui-ci n'est pas en totalité généré à partir d'au moins un composé solide, peut provenir, par exemple, d'un stockage d'hydrogène gazeux sous pression ou d'un stockage d'hydrogène liquide cryogénique.
De façon préférée, l'hydrogène généré à partir d'au moins un composé solide, dans le cadre de la mise en œuvre du procédé de l'invention, est généré à partir de borazane (précurseur d'hydrogène), mis en combustion avec une charge oxydante, consistant avantageusement en le Sr(N03)2. La génération d'hydrogène à partir d'au moins un composé solide (source ou précurseur d'hydrogène) s'accompagne généralement de la génération d'autres espèces gazeuses telles que H2O, HCI, NO2, NH3, N2.... Dans le cadre de la mise en œuvre du procédé de l'invention, notamment à partir des précurseurs d'hydrogène identifiés ci-dessus, on génère un flux gazeux réducteur comprenant généralement au moins 85% en volume d'hydrogène et au plus 5 % en volume d'autres espèces gazeuses telles que H2O, HCI, NO2, NH3/ N2....
Il n'est pas exclu que les produits solides générés, conjointement audit hydrogène (audit flux gazeux réducteur), à partir dudit au moins un composé solide, soient aussi injectés dans la chambre de combustion pour en être éjectés avec les gaz de combustion. On se débarrasse ainsi, au fur et à mesure, des produits solides résultant de la génération d'hydrogène. On réduit ainsi la masse inerte du dispositif au fur et à mesure de la consommation d'hydrogène.
Ledit au moins un liquide oxydant est avantageusement choisi parmi les solutions aqueuses d'acide nitrique, de peroxyde d'hydrogène, de peroxyde d'azote, de nitrate d'hydroxylammonium (HAN), de dinitroamidure d'ammonium (ADN), de nitroformiate d'ammonium et leurs mélanges (lorsque les composés sont compatibles entre eux); ledit au moins un liquide oxydant consiste très avantageusement en une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène.
Les solutions aqueuses de peroxyde d'hydrogène sont particulièrement préférées, notamment en raison de leur innocuité pour l'homme et son environnement. En effet, la combustion du peroxyde d'hydrogène avec l'hydrogène génère de l'eau et donc n'a pas d'impact environnemental.
Lesdites solutions aqueuses de peroxyde d'hydrogène présentent avantageusement une teneur en peroxyde d'hydrogène supérieure à 30 % en masse ; elles présentent très avantageusement une telle teneur supérieure à 80, voire 95, 98% en masse.
Selon une variante de mise en œuvre particulièrement préférée, le procédé de propulsion de l'invention comprend la génération d'hydrogène à partir de borazane, borazane mis en combustion avec une charge oxydante, consistant avantageusement en du nitrate de strontium, et l'injection dudit hydrogène généré et d'une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène dans au moins une chambre de combustion.
Le procédé de propulsion de l'invention convient particulièrement pour une mise en œuvre avec modulation de poussée. Ladite modulation de poussée est avantageusement obtenue en réglant le débit d'injection du au moins un liquide oxydant dans la chambre de combustion et/ou le débit d'injection de l'hydrogène, généré (au moins en partie, avantageusement en totalité) à partir du au moins un composé solide, dans la chambre de combustion.
Le procédé de l'invention trouve tout son intérêt dans des applications de propulsion avec modulation. En effet, la production par auto-combustion de gaz à haute température (par exemple à 1360 K pour un composé à base de 60% de borazane et 40% de nitrate se strontium) par le composé solide, essentiellement de l'hydrogène, permet un fonctionnement en combustion hypergolique de la chambre de combustion en présence du liquide oxydant. Ainsi, même si l'alimentation de la chambre de combustion est arrêtée pendant un temps long, lors d'une phase modulation sans poussée, le ré-allumage de la combustion dans la chambre de combustion est ensuite possible par contact entre les gaz à haute température générés par le composé solide et le liquide oxydant à nouveau injectés dans la chambre de combustion.
De plus, il est aussi intéressant de pouvoir gérer des phases à faible poussée, en arrêtant le débit de liquide oxydant dans la chambre de combustion ; la poussée résiduelle étant alors assurée par la génération d'hydrogène par le composé solide.
Par ailleurs, lorsque la chambre de combustion est allumée (i.e. que le liquide oxydant se vaporise lorsqu'il est injecté dans ladite chambre de combustion), si l'injection de l'hydrogène dans ladite chambre de combustion n'est pas sonique (i.e. que la pression à laquelle a lieu l'auto- combustion pour la production d'hydrogène est liée à la pression dans la chambre de combustion), il est possible de piloter le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion en faisant varier la pression dans ladite chambre de combustion, par exemple, en modifiant le débit d'injection du liquide oxydant dans ladite chambre de combustion ou en modulant le débit d'éjection des gaz de ladite chambre de combustion. Ainsi, une augmentation de pression dans la chambre de combustion induit une augmentation (de la pression) de l'auto-combustion pour la génération d'hydrogène : la vitesse de combustion du composé solide et de la charge oxydante, et donc la production d'hydrogène, augmentent en conséquence (la vitesse de combustion des chargements propergoliques étant pilotée par la pression, selon la loi de fonctionnement dite de Paul Vielle).
Selon son second objet, la présente invention concerne un dispositif de propulsion qui comprend :
- au moins une chambre de combustion munie d'au moins une tuyère,
- un dispositif pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion en au moins un liquide oxydant, et
- un dispositif pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion en hydrogène.
De façon caractéristique, ledit dispositif pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion en hydrogène comprend au moins un générateur d'hydrogène renfermant au moins un composé solide choisi parmi les borohydrures alcalins, les borohydrures alcalino-terreux, le borazane, les polyaminoboranes et leurs mélanges et une charge oxydante convenant pour une combustion dudit composé solide (générant ainsi ledit hydrogène) ; ledit générateur d'hydrogène étant relié, d'une part, à ladite au moins une chambre de combustion via une vanne, et, d'autre part, à l'extérieur, via un moyen de fuite, avantageusement commandé.
Ledit dispositif pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion en hydrogène comprend donc au moins un générateur d'hydrogène renfermant au moins un composé solide apte à générer de l'hydrogène par auto-combustion (réaction entre ledit au moins un composé solide choisi parmi les borohydrures alcalins, les borohydrures alcalino-terreux, le borazane, les polyaminoboranes et leurs mélanges et une charge oxydante). Ledit au moins un générateur d'hydrogène débite (est relié par une canalisation), via une vanne, dans (à) au moins une chambre de combustion. Un moyen de fuite d'hydrogène vers l'extérieur, avantageusement commandé, est associé audit au moins un générateur solide d'hydrogène. Il peut être agencé sur la canalisation reliant ledit générateur de gaz à ladite chambre de combustion. Il peut s'agir d'un organe supplémentaire prévu dans la structure de la vanne mentionnée ci- dessus. Il peut encore s'agir d'une soupape agencée sur ledit générateur ou sur la canalisation dans laquelle débite ledit générateur. Quel que soit son mode de réalisation exact, ledit moyen de fuite de gaz (principalement H2) est prévu de façon à pouvoir gérer la pression interne dudit au moins un générateur lorsque ladite vanne (la vanne de délivrance dudit au moins un générateur dans la chambre de combustion) est partiellement ou totalement fermée, dans les phases de modulation, ne permettant pas alors à la totalité de l'hydrogène, généré par le composé solide en autocombustion, de s'écouler dans la chambre de combustion. On a compris que le dispositif de l'invention, tel que précisé ci- dessus, convient pour la mise en œuvre du procédé de propulsion avec modulation de poussée.
Le dispositif pour l'alimentation de la au moins une chambre de combustion en hydrogène est susceptible d'exister selon de nombreux modes de réalisation : un unique générateur renfermant un unique composé solide, source d'hydrogène, un unique générateur renfermant un mélange de composés solides, sources d'hydrogène, plusieurs générateurs renfermant le même composé solide, plusieurs générateurs renfermant des composés solides différents... Il peut aussi comprendre au moins un réservoir d'hydrogène gazeux sous pression et/ou au moins un réservoir d'hydrogène liquide cryogénique muni d'une pompe d'injection, débitant, éventuellement via une vanne, dans au moins une chambre de combustion..
Le au moins un générateur d'hydrogène peut ou non être muni d'un filtre à particules. Un tel filtre vise à empêcher le passage des produits solides de réaction dudit au moins un générateur vers la(les) chambre(s) de combustion.
Le dispositif pour l'alimentation de la au moins une chambre de combustion en au moins un liquide oxydant est généralement constitué d'un ou plusieurs réservoirs pressurisés, débitant via une vanne dans ladite au moins une chambre de combustion. Il est également susceptible d'exister selon plusieurs modes de réalisations : un unique réservoir renfermant un oxydant ou un mélange d'oxydants, plusieurs réservoirs renfermant le même oxydant ou des oxydants de différente nature...
Selon une variante avantageuse, la pressurisation d'au moins un réservoir de liquide oxydant est assurée par une partie des gaz produits (hydrogène majoritairement) dans ledit au moins un générateur d'hydrogène, relié alors audit au moins un réservoir via une vanne. Ledit un réservoir comporte, dans ce contexte, avantageusement une membrane déployable séparant, dans ledit réservoir de liquide oxydant, le volume d'injection des gaz produits (hydrogène majoritairement) dans ledit au moins un générateur d'hydrogène et le volume contenant ledit oxydant. Ladite membrane déployable assure une séparation physique, dans ledit réservoir de liquide oxydant, entre une partie des gaz produits (hydrogène majoritairement) dans ledit au moins un générateur d'hydrogène et ledit liquide oxydant ; elle permet d'éviter toute réaction intempestive dans le réservoir entre lesdits gaz et ledit liquide oxydant.
Le dispositif de base de l'invention comprend une chambre de combustion, un générateur d'hydrogène et un réservoir de liquide oxydant reliés à ladite chambre de combustion. Ledit générateur d'hydrogène n'est relié, selon une première variante, qu'à (ne débite que dans) ladite chambre de combustion. Selon une seconde variante, il est relié (il débite) à la fois à ladite chambre et au réservoir de liquide oxydant.
Le dispositif convient à la mise en œuvre du procédé de propulsion
(à combustion hypergolique) décrit ci-dessus et ne nécessite donc pas de moyen d'allumage monté sur la au moins une chambre de combustion. Il n'est cependant pas exclu qu'au moins un moyen d'allumage soit inclus sur ladite chambre de combustion pour contrôler au mieux l'instant d'au moins un allumage, par exemple lors du décollage de l'engin équipé du dispositif de l'invention, où il est nécessaire d'atteindre en un temps très bref et parfaitement synchronisé une poussée maximale.
Le dispositif inclus un ou des moyens d'allumage pour initier la réaction dans le au moins un générateur d'hydrogène.
Les vannes présentes sont avantageusement commandées par la centrale de pilotage de l'engin (fusée, missile...) équipé du dispositif de l'invention. Lesdites vannes permettent la mise en œuvre de la propulsion avec modulation de poussée. Elles sont plus ou moins ouvertes selon les niveaux ou les orientations de poussée requis. Selon son troisième objet, l'invention concerne un propulseur dont la structure inclut au moins un dispositif de propulsion de l'invention.
On se propose maintenant d'illustrer, de façon nullement limitative, l'invention, sous ses aspects dispositif et procédé, par les figures annexées et exemples ci-après. Deux exemples de mise en œuvre du procédé de l'invention sont plus particulièrement décrits en référence aux figures 3 et 4.
La figure 1 montre schématiquement un dispositif de propulsion de l'invention (première variante).
La figure 2 montre schématiquement un dispositif de propulsion de l'invention (seconde variante).
La figure 3 montre les courbes d'impulsion spécifique calculée en fonction du rapport de mélange, injecté dans la chambre de combustion ; mélange MMH/N2O4 de l'art antérieur (courbe sans marqueur), mélange gaz produits (majoritairement H2) par la combustion d'un composé solide (borazane (NH3BH3)) avec Sr(NO3)2 /N2O4 (courbe avec marqueurs triangulaires (exemple 2)) et mélange gaz produits (majoritairement H2) par la combustion d'un composé solide (borazane (NH3BH3)) avec Sr(NO3)2 /une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène (H2O2/H2O à 85 % en masse de H2O2)) (courbe avec marqueurs ronds pleins (exemple 1))
La figure 4 montre les courbes de température de combustion pour les mêmes mélanges que ceux de la figure 1.
Le dispositif 50 selon l'invention, dans sa variante préférée de base montrée sur la figure 1 , comprend une chambre de combustion 1 munie d'une tuyère 2, un dispositif 20 (avec générateur d'hydrogène 4) pour l'alimentation de ladite chambre de combustion 1 en hydrogène et un dispositif 30 (avec réservoir 9 de liquide oxydant OX) pour l'alimentation de ladite chambre de combustion 1 en liquide oxydant OX. Le générateur d'hydrogène 4 comprend un bloc solide 5 constitué d'un composé solide 5' apte à générer de l'hydrogène en mélange avec une charge oxydante 5" (5 = 5' + 5"), la combustion du bloc 5 (la combustion du composé solide 5' avec la charge oxydante 5") génère de l'hydrogène. Ledit générateur d'hydrogène 4 est relié à ladite chambre de combustion 1 par l'intermédiaire d'une canalisation 6 comprenant une vanne 7, permettant ainsi à l'hydrogène généré d'être injecté dans la chambre de combustion 1. La canalisation 6 comprend aussi un moyen commandé de fuite T (dans la variante représentée, une autre vanne) vers l'extérieur, de l'hydrogène produit par le générateur d'hydrogène 4, permettant de gérer la pression à l'intérieur dudit générateur d'hydrogène 4 lorsque la vanne 7 est partiellement ou totalement fermée. Ledit générateur d'hydrogène 4 est équipé d'un dispositif d'allumage 8 de la combustion du bloc 5.
Selon la variante représentée, le générateur d'hydrogène 4 et la canalisation 6 ne sont pas munis d'une tuyère ou équivalent et la pression de fonctionnement dudit générateur d'hydrogène 4 est liée à la pression régnant dans ladite chambre de combustion 1 (lorsque la vanne 7 est ouverte). Il est alors possible de piloter le fonctionnement du générateur d'hydrogène 4 en faisant varier le débit de liquide oxydant OX injecté dans la chambre de combustion 1. Selon une autre variante non représentée, le générateur d'hydrogène ou la canalisation sont munis d'une tuyère ou équivalent, c'est-à-dire que le fonctionnement du générateur d'hydrogène est indépendant des conditions de pression régnant dans la chambre de combustion.
Le réservoir 9 de liquide oxydant OX comporte un ciel gazeux 11 (par exemple de l'azote ou de l'hélium). Il est maintenu sous pression. Il est relié à la chambre de combustion 1 par l'intermédiaire d'une canalisation 12 et d'une vanne 13, permettant d'injecter le liquide oxydant OX dans ladite chambre de combustion 1. La figure 2 montre un autre dispositif de l'invention. On retrouve dans ledit dispositif l'ensemble des éléments du dispositif de la figure 1, excepté le ciel gazeux 11 qui est remplacé par une membrane déployable 14. De plus, une canalisation supplémentaire 15 munie d'une vanne 16 permet d'injecter une partie des gaz produits (majoritairement de l'hydrogène) par le générateur d'hydrogène 4 dans l'espace séparant la membrane déployable 14 du liquide oxydant OX contenu dans le réservoir 9 (ledit espace étant appelé à se créer et à se développer). Le déploiement de la membrane 14 sous l'effet de la pressurisation des gaz injectés via la vanne 16 assure l'injection du liquide oxydant OX dans la chambre de combustion 1.
Les exemples suivants, avec calculs thermodynamiques, montrent l'intérêt de l'invention (du procédé de l'invention) sur le plan des performances balistiques (procédé de l'invention par rapport aux procédés biliquides de l'art antérieur).
Lesdits calculs thermodynamiques ont été effectués pour les conditions thermodynamiques suivantes :
- pression dans la chambre de combustion : 5 MPa,
- rapport de détente de la tuyère : 80,
- pression extérieure : 0,06 MPa (quasi vide).
Exemple 1
L'exemple 1 concerne un procédé de propulsion mis en œuvre selon la variante préférée de l'invention dans un dispositif du type de celui de la figure 1. Ledit dispositif comprend d'une part, un générateur d'hydrogène (au sein duquel ledit hydrogène est généré par combustion de NH3BH3 (60 % en masse) (composé solide source d'hydrogène) avec Sr(N03)2 (40 % en masse) (oxydant)) et, d'autre part, un réservoir de liquide oxydant (ledit liquide oxydant consistant en une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène, à 85% en masse de H202). Ledit procédé comprend donc ladite génération d'hydrogène (plus exactement celle de gaz de combustion majoritairement constitués d'hydrogène) et l'injection desdits hydrogène et liquide oxydant.
On considère que seuls les produits gazeux générés par la combustion : composé solide borazane avec Sr(NO3)2 sont introduits dans la chambre de combustion.
Le tableau 1 ci-dessous indique les espèces gazeuses produites (nommées par la suite " produit gazeux A ") dans le générateur d'hydrogène, leurs proportions molaires mesurées par des essais de combustion en générateur de gaz avec analyse des gaz. Ce tableau indique aussi les pourcentages massiques desdites espèces, tels qu'introduits dans le calcul des performances balistiques, lors de la combustion avec le liquide oxydant (les espèces les plus minoritaires, mesurées en générateur de gaz, ayant été négligées dans ledit calcul).
Tableau 1
La figure 3 montre que le maximum d'impulsion spécifique obtenu, en injectant le produit gazeux A (majoritairement constitué d'hydrogène) et le liquide oxydant, composé d'une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène à 85 % H202 en masse, dans la chambre de combustion, est 351 s, pour un rapport de mélange entre ledit liquide oxydant et ledit produit gazeux A (rapport de mélange nommé OX/RED sur l'axe des abscisses de ladite figure 3) de 7. Le maximum d'impulsion spécifique à 2% près est obtenu pour une plage étendue du rapport de mélange OX/RED entre 3 et 10. Ceci est particulièrement intéressant, tant sur le plan de la valeur d'impulsion maximale accessible que sur la faible sensibilité au rapport de mélange pour obtenir une impulsion maximale. Il n'est donc pas nécessaire de disposer d'un réglage fin des vannes d'alimentation de la chambre de combustion pour rejoindre le maximum d'impulsion spécifique. La modulation d'impulsion spécifique à partir de la valeur maximale d'impulsion peut avantageusement être obtenue en diminuant le rapport OX/RED, en suivant la partie décroissante de la courbe d'impulsion spécifique.
En comparaison, un mélange biliquide MMH/N204 présente un pic d'impulsion spécifique étroit, de niveau maximum de 351 s, équivalent à celui obtenu selon le présent exemple de l'invention, niveau maximum obtenu pour un rapport de mélange MMH/N204 (rapport de mélange nommé OX/RED sur l'axe des abscisses de la figure 1) de 2,33. Le maximum d'impulsion spécifique à 2% près est obtenu pour une plage étroite de valeurs du rapport de mélange allant de 1,83 à 2,69, suivi de part et d'autre d'une rapide décroissance de l'impulsion spécifique, ce qui nécessite un réglage fin des vannes d'alimentation de la chambre de combustion pour obtenir une valeur cible d'impulsion spécifique.
La figure 4 montre que la température de combustion obtenue selon le présent exemple de l'invention n'excède pas 2800 K alors qu'elle atteint environ 3361 K pour le maximum d'impulsion spécifique, dans le cas d'un mélange biliquide MMH/N2O4. Une plus faible température de combustion permet d'alléger les contraintes sur la tenue thermique des matériaux d'aménagement interne de la chambre de combustion et de la tuyère.
II est aussi intéressant de comparer les performances obtenues selon le présent exemple de l'invention avec celles d'un propergol composite aluminisé (68% en masse de perchlorate d'ammonium, 20% en masse d'aluminium, 12% en masse de liant et additifs). Un tel propergol présente une température de combustion de 3558 K pour une impulsion spécifique de 329 s, dans les conditions de fonctionnement de la chambre de combustion du présent exemple.
Le présent exemple montre donc l'intérêt du procédé de l'invention qui conduit à une impulsion spécifique maximale, équivalent à celle obtenue selon l'art antérieur (le plus proche : MH/N2O4), pour une température de combustion plus faible que selon ledit art antérieur, et ce avec des produits inoffensifs pour l'homme et l'environnement.
L'exemple 2, même s'il ne conduit pas à des niveaux de performance aussi intéressants que ceux obtenus à l'exemple 1, montre la possibilité d'utiliser un autre liquide oxydant, en association avec le composé solide générateur d'hydrogène de l'exemple 1, pour mettre en œuvre le procédé de l'invention. L'oxydant liquide choisi pour l'exemple 2 est N204.
Les conditions de calculs thermodynamiques des performances balistiques sont identiques à celles de l'exemple 1, notamment en ce qui concerne les produits gazeux générés par ledit composé solide générateur d'hydrogène (voir le "produit gazeux A" du tableau 1).
La figure 3 montre que le maximum d'impulsion spécifique obtenu en injectant le produit gazeux A dudit composé solide et le liquide oxydant N204 dans la chambre de combustion est de 330 s et ce, pour un rapport de mélange entre le liquide oxydant et le produit gazeux A (rapport de mélange nommé OX/RED sur l'axe des abscisses de la figure 3) de 1,78. La figure 4 montre que la température de combustion obtenue selon le présent exemple de l'invention n'excède pas 3271 K.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de propulsion comprenant :
- l'injection, dans au moins une chambre de combustion (1), d'au moins un liquide oxydant (OX) et d'hydrogène (H2) ;
- la combustion desdits au moins un liquide oxydant (OX) et hydrogène (H2), dans ladite au moins une chambre de combustion (1), pour la génération de gaz de combustion ; et
- l'éjection desdits gaz de combustion ;
caractérisé en ce qu'il comprend, en amont de ladite injection : - la génération d'au moins une partie dudit hydrogène (H2), avantageusement de la totalité dudit hydrogène (H2), à partir d'au moins un composé solide (5') ; ladite génération à partir dudit au moins un composé solide (5') comprenant une réaction de combustion entre ledit au moins un composé solide (5') choisi parmi les borohydrures alcalins, les borohydrures alcalino-terreux, le borazane, les polyaminoboranes et leurs mélanges et une charge oxydante (5").
2. Procédé de propulsion selon la revendication 1, caractérisé en ce ladite charge oxydante est avantageusement choisie parmi le Sr(NO3)2, le dinitroamidure d'ammonium, le NH4CIO4, le NH4NO3 et leurs mélanges.
3. Procédé de propulsion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les produits solides générés, conjointement audit hydrogène (H2), sont injectés dans ladite chambre de combustion (1) puis éjectés de ladite chambre de combustion (1) avec lesdits gaz de combustion.
4. Procédé de propulsion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un liquide oxydant (OX) est choisi parmi les solutions aqueuses d'acide nitrique, de peroxyde d'hydrogène, de peroxyde d'azote, de nitrate d'hydroxylammonium, de dinitroamidure d'ammonium, de nitroformiate d'ammonium et leurs mélanges ; en ce que ledit au moins un liquide oxydant (OX) consiste avantageusement en une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène.
5. Procédé de propulsion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au moins un liquide oxydant (OX) est une solution de peroxyde d'hydrogène et en ce que ledit hydrogène (H2), généré à partir dudit au moins un composé solide (5'), est généré à partir de borazane, mis en combustion avec une charge oxydante (5"), consistant avantageusement en du Sr(NO3)2-
6. Procédé de propulsion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre avec modulation de poussée.
7. Procédé de propulsion selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite modulation de poussée est obtenue en réglant le débit d'injection dudit au moins un liquide oxydant (OX) dans ladite chambre de combustion (1) et/ou le débit d'injection dudit hydrogène (H2), généré à partir dudit au moins un composé solide (5'), dans ladite chambre de combustion (1).
8. Dispositif de propulsion (50 ; 50') comprenant ;
- au moins une chambre de combustion (1) munie d'au moins une tuyère (2),
- un dispositif (30 ; 30') pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion (1) en au moins un liquide oxydant (OX),
- un dispositif (20) pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion (1) en hydrogène (H2) ;
caractérisé en ce que ledit dispositif (20) pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion (1) en hydrogène (H2) comprend au moins un générateur d'hydrogène (4) renfermant au moins un composé solide (5') choisi parmi les borohydrures alcalins, les borohydrures alcalino-terreux, le borazane, les polyaminoboranes et leurs mélanges et une charge oxydante (5") convenant pour une combustion dudit composé solide (5*) ; ledit générateur d'hydrogène (4) étant relié, d'une part, à ladite au moins une chambre de combustion (1) via une vanne (7), et, d'autre part, à l'extérieur, via un moyen de fuite (7'), avantageusement commandé.
9. Dispositif (50 ; 50') selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit dispositif (30 ; 30') pour l'alimentation de ladite au moins une chambre de combustion (1) en au moins un liquide oxydant (OX) comprend au moins un réservoir (9) pressurisé débitant via une vanne (13).
10. Dispositif (50') selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit au moins un générateur d'hydrogène (4) est relié par l'intermédiaire d'une vanne (16) audit au moins un réservoir (9) de sorte que la pressurisation dudit au moins un réservoir (9) est assurée par une partie dudit hydrogène (H2) généré dans ledit au moins un générateur (4).
11. Propulseur dont la structure inclut au moins un dispositif (50 ; 50') selon l'une quelconque des revendications 8 à 10.
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