EP2943674A1 - Circuit d'alimentation en ergol et procede de refroidissement - Google Patents

Circuit d'alimentation en ergol et procede de refroidissement

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EP2943674A1
EP2943674A1 EP14703132.2A EP14703132A EP2943674A1 EP 2943674 A1 EP2943674 A1 EP 2943674A1 EP 14703132 A EP14703132 A EP 14703132A EP 2943674 A1 EP2943674 A1 EP 2943674A1
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EP
European Patent Office
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propellant
heat exchanger
circuit
supply circuit
heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14703132.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Didier Vuillamy
Gérard ROZ
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ArianeGroup SAS
Original Assignee
SNECMA Services SA
SNECMA SAS
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes

Definitions

  • the present invention relates to the aerospace field, and in particular that of engines propelled by rocket engines.
  • upstream and downstream are defined with respect to the normal flow direction of the propellants in the supply circuits of a rocket engine.
  • the present description aims to remedy these drawbacks.
  • it is intended to provide a power supply circuit of a rocket engine in at least a first liquid propellant, which at the same time allows the cooling of at least one heat source.
  • this supply circuit comprises at least one buffer tank for said first liquid propellant and a first heat exchanger, integrated in said buffer tank and connected to a cooling circuit of the at least one a source of heat.
  • this heat generated by the heat source can be evacuated, through the cooling circuit and said first heat exchanger, to the liquid propellant in the power supply circuit of the rocket engine.
  • this cooling is therefore performed with, as intermediate, a cooling circuit interposed between the heat source and the propellant flowing through the supply circuit, which allows a possible more precise regulation of the temperature of the heat source through a possible regulation of the flow of cooling fluid in the cooling circuit.
  • the integration of the first heat exchanger in a buffer tank of the supply circuit makes it possible to increase the heat power absorbed, even when the supply circuit is closed and said first propellant does not circulate.
  • the present description also relates to the assembly of said supply circuit and of the heat source equipped with a cooling circuit connected to said first heat exchanger of the supply circuit.
  • the heat source may in particular be a fuel cell.
  • a fuel cell can for example be powered by the same propellants as the rocket engine to generate electricity for the embedded systems of a machine powered by the rocket engine.
  • other types of on-board heat sources such as batteries or electronic circuits, can be cooled in the same way.
  • the present description also relates to a machine comprising a rocket motor with said supply circuit and an onboard device generating heat with a cooling circuit connected to said first heat exchanger of the supply circuit.
  • This device may be, for example, a space launcher stage, a satellite, or any other type of vehicle powered by a liquid propellant rocket engine.
  • said first liquid propellant may in particular be a cryogenic liquid, and in particular liquid hydrogen, thus providing an even more efficient cooling due to its low temperature.
  • said supply circuit may comprise a pump upstream of said first heat exchanger, to ensure the circulation of the first propellant.
  • This pump may be, for example, an electric pump or a turbopump.
  • the power circuit could be configured from in order to ensure the circulation of the first propellant by other means, such as for example by pressurizing an upstream reservoir.
  • the first ergol heated downstream of the first heat exchanger can be used not only to supply a propellant chamber of the rocket engine or possibly a gas generator or the heat source itself (for example when this heat source is a source of heat. fuel cell), but also, in the gaseous state, to maintain the internal pressure in at least one tank of the first propellant during its emptying through the supply circuit.
  • the supply circuit may comprise a branch opening on an upper part of the tank of the first propellant. The propellant in the gaseous state can thus be reinjected into this reservoir to maintain the internal pressure during its emptying.
  • said supply circuit may comprise, downstream of said first heat exchanger, a branch crossing a second heat exchanger.
  • the second heat exchanger can thus ensure the passage to the gaseous state of a flow rate of the first propellant derived through said branch, even when the heat output of said heat generating device is, alone, insufficient for that.
  • This gas flow can thus be used, for example, to maintain the internal pressure of a reservoir supplying the feed circuit with the first propellant during its emptying.
  • the present description therefore also relates to the assembly comprising this supply circuit and a reservoir for said first liquid propellant, connected to this supply circuit upstream of said first heat exchanger, and to said branch downstream of said second heat exchanger.
  • said second heat exchanger can be integrated in a tank for a second liquid propellant so as to be able to heat the first liquid propellant by heat transfer of the second liquid propellant.
  • the second liquid propellant has a boiling temperature substantially higher than the first liquid propellant (for example, when the first liquid propellant is liquid hydrogen and the second liquid propellant is liquid oxygen) this allows not only to ensure the gas phase of the first propellant in the second heat exchanger, but simultaneously cool the second propellant.
  • This cooling of the second propellant makes it possible to avoid cavitation in a pump downstream of this second tank.
  • the present description therefore also relates to an assembly of this supply circuit and a reservoir for a second liquid propellant, containing said second heat exchanger.
  • the present description also relates to a method of cooling a heat source, wherein a cooling circuit of said heat source transfers heat generated by the heat source to a first liquid propellant of a rocket engine through a first heat exchanger of a supply circuit of said rocket engine in at least said first liquid propellant.
  • this first heat exchanger is contained in a buffer tank of the first propellant supply circuit, and the heat source can be a fuel cell.
  • a portion of the flow of the first liquid propellant can then be diverted through a second heat exchanger, in which it will absorb heat from a second propellant, to reach the gaseous state before being reinjected into a tank of the first propellant supplying the supply circuit.
  • FIG. 1 is a schematic view of a machine according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a machine according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic view of a machine according to a third embodiment of the invention.
  • a machine 1 which may be, for example, a stage of a space launcher, is illustrated schematically in FIG. 1.
  • this machine 1 comprises a rocket engine 2 with liquid propellants, with a first reservoir 3 for a first propellant, a second reservoir 4 for a second propellant, a propellant chamber 5 for the combustion of a mixture of the two propellants and the acceleration of the combustion gases of this mixture, a first supply circuit 6 connected to the first reservoir 3 and to the propulsion chamber 5 in order to bring the first propellant from the first reservoir 3 to the propulsion chamber 5, and a second supply circuit 7 connected to the second reservoir 4 to the propulsion chamber 5 to bring the second propellant of the second reservoir 4 to the propellant chamber 5.
  • first and second propellants may be cryogenic propellants such as hydrogen and liquid oxygen.
  • Each of the feed circuits 6, 7 includes a pump 8, 9 for circulating the respective propellant through each feed circuit 6, 7, and outlet valves 10, 11 to open and close the flow. propellants to the propulsion chamber 5.
  • These pumps 8,9 may be, for example, electric pumps, or turbopumps.
  • the machine 1 also comprises, for the power supply of on-board equipment, an on-board fuel cell 16, adapted to generate electricity following a chemical reaction between the two propellants and connected to circuits of supply 12,13 to be fed with these two propellants.
  • Each of these circuits 12, 13 comprises a micropump 14, 15 making it possible to regulate the propellant flow rate supplied to the fuel cell 16.
  • the micropumps 14, 15 Owing to the internal pressure of the tanks 3,4, the micropumps 14, 15 can, however, be optionally substituted. by variable flow valves, the internal pressure tanks 3,4 can then be sufficient to ensure the flow of the propellants to the fuel cell 16.
  • the fuel cell 16 is furthermore provided with a cooling circuit 17 containing a cooling fluid such as, for example, helium, and connected to a heat exchanger 18 integrated in a buffer tank 20 of the cooling circuit. supply 6 of the first propellant.
  • a cooling fluid such as, for example, helium
  • supply 6 of the first propellant supplied to the cooling circuit 17 .
  • the circulation of this cooling fluid in the cooling circuit 17 can be driven by and regulated through a variable flow forced circulation device 19, which, in the illustrated embodiment, takes the form of a fan.
  • the pulse of the cooling fluid could be provided by a thermosiphon, and the flow control by at least one variable flow valve.
  • the pumps 8, 9 drive the propellants feeding the propulsion chamber 5 through the supply circuits 6.
  • the very low temperature of this first propellant when it is a cryogenic liquid, allows extremely efficient evacuation of this heat.
  • the buffer tank 20 it is possible to evacuate towards the first propellant a larger amount of heat emitted by the fuel cell 16, even when the valves 10, 11 are closed and the pumps 8, 9 are shutdown.
  • a volume V t of 30 l of liquid hydrogen in the buffer tank 20 can thus absorb the amount of heat corresponding to a heat output P c of 100 W for one hour with a temperature rise ⁇ of only 17 K of the liquid hydrogen.
  • a machine 1 according to a second embodiment is illustrated in FIG. 2.
  • This other machine 1 differs from that of the first embodiment in that the first feed circuit 6 comprises, downstream of the buffer tank 20, a connection 21 back to the top of the first tank 3 through a variable flow valve 22, and a second heat exchanger 23 which is integrated in the base of the second tank 4 near its connection to the second supply circuit 7.
  • the second circuit 7 also comprises, downstream of the pump 9, a return connection 40 to the top of the second reservoir 4, passing through another heat exchanger 41 disposed around the propulsion chamber 5 so as to be heated by radiation or conduction by this one.
  • This branch 40 also comprises, upstream of the heat exchanger 41, a valve 42, which may be a variable flow valve, thus allowing precise regulation of the flow rate through the branch 40.
  • the other elements of this machine 1 are essentially equivalent to those of the first embodiment, and receive the same reference numerals.
  • part of the flow of the first propellant discharged from the first tank 3 through the first supply circuit 6 is diverted through the branch 21 to the second heat exchanger 23, in which it absorbs an additional heating power of the second propellant, warmer, thus passing into the gaseous state, before being reinjected at the top of the first tank 3 and thus maintain its internal pressure during its emptying.
  • the first propellant is liquid hydrogen
  • the second propellant is liquid oxygen
  • the temperature difference between their respective boiling points, at atmospheric pressure is almost 70 K, which allows a heat transfer more than enough to ensure the vaporization of the liquid hydrogen before their temperatures equalize, and this even for a large flow of liquid hydrogen relative to the volume of liquid oxygen contained in the second reservoir.
  • this absorption of heat by the first propellant in the second heat exchanger 23 cools the second propellant, which makes it possible to reduce the saturation pressure of the second propellant supplying the pump 9, so as to avoid cavitation phenomena. This also allows to more widely fluctuate the pressure and temperature of the second propellant in the second tank 4.
  • the flow of the propellant to the propellant chamber can be provided by other means such as, for example, by pressurizing the tanks.
  • these pumps are replaced by a reservoir 24 of pressurized gas, for example helium, connected to the propellant tanks 3,4 through respective valves 26,27.
  • the helium pressure of the pressurized gas reservoir 24 pushes the propellants, through their respective feed circuits 6, 7, to the propellant chamber 5.
  • the propellant pressurization in the tanks 3, 4 allows also to overcome micropumps for propellant supply of the fuel cell 16, which supply is regulated in this embodiment by valves 28,29 variable rate in the circuits 12,13.
  • the first supply circuit 6 comprises a buffer tank 20 and, downstream thereof, a return connection 21 to the top of the first tank 3 through a variable flow valve 22 and a second heat exchanger 23 which is integrated in the base of the second tank 4 near its connection to the second supply circuit 7, which reduces the pressure gas consumption of the tank 24 for the pressurizing the first propellant reservoir 3.
  • this connection 21 comprises a forced circulation device 30, more specifically under as a fan or a pump.
  • the machine could also comprise a reinjection connection of the second propellant in the gas phase in the second reservoir, as in the second embodiment, with a forced circulation device of this second propellant in the gas phase. Therefore, the description and drawings should be considered in an illustrative rather than restrictive sense.

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Abstract

L'invention concerne le domaine aérospatial, et en particulier celui des engins propulsés par moteurs-fusées. En particulier, elle concerne un circuit d'alimentation (6) d'un moteur-fusée (2) en au moins un premier ergol liquide, comprenant au moins un réservoir-tampon (20) pour ledit premier ergol liquide et un premier échangeur de chaleur (18), intégré dans ledit réservoir-tampon (20) et apte à être connecté à un circuit de refroidissement (17) d'au moins une source de chaleur, afin de refroidir cette source de chaleur grâce au transfert de chaleur vers le premier ergol.

Description

CIRCUIT D'ALIMENTATION EN ERGOL ET PROCEDE DE
REFROIDISSEMENT Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne le domaine aérospatial, et en particulier celui des engins propulsés par moteurs-fusées.
Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal des ergols dans les circuits d'alimentation d'un moteur-fusée.
Un des principaux soucis dans ce domaine est celui d'obtenir un refroidissement satisfaisant des sources de chaleur à bord. En effet, pour assurer leur fonctionnement optimal, il peut être nécessaire de maintenir la température de fonctionnement de certains dispositifs générateurs de chaleur, comme par exemple des piles à combustible, mais aussi des batteries ou des circuits électroniques, dans une plage relativement étroite. Or, les contraintes spécifiques au domaine peuvent rendre très difficile l'évacuation de la chaleur générée par ces dispositifs. En particulier dans le vide spatial, les voies d'évacuation de chaleur sont extrêmement restreintes.
Objet et résumé de l'invention
La présente description vise à remédier à ces inconvénients. En particulier, on vise à proposer un circuit d'alimentation d'un moteur-fusée en au moins un premier ergol liquide, qui permette en même temps d'assurer le refroidissement d'au moins une source de chaleur.
Ce but est atteint grâce au fait que ce circuit d'alimentation comprend au moins un réservoir-tampon pour ledit premier ergol liquide et un premier échangeur de chaleur, intégré dans ledit réservoir-tampon et connecté à un circuit de refroidissement de l'au moins une source de chaleur. Ainsi, en fonctionnement, la chaleur générée par la source de chaleur peut être évacuée, à travers le circuit de refroidissement et ledit premier échangeur de chaleur, vers l'ergol liquide dans le circuit d'alimentation du moteur-fusée. Contrairement au refroidissement régénératif d'une paroi de chambre propulsive de moteur-fusée, dans lequel la chambre propulsive est directement refroidie par l'ergol, ce refroidissement s'effectue donc avec, comme intermédiaire, un circuit de refroidissement interposé entre la source de chaleur et l'ergol circulant à travers le circuit d'alimentation, ce qui permet une éventuelle régulation plus précise de la température de la source de chaleur par l'intermédiaire d'une éventuelle régulation du débit de fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement. L'intégration du premier échangeur de chaleur dans un réservoir-tampon du circuit d'alimentation permet d'augmenter la puissance calorifique absorbée, même quand le circuit d'alimentation est fermé et ledit premier ergol ne circule pas.
La présente description concerne aussi l'ensemble dudit circuit d'alimentation et de la source de chaleur équipée d'un circuit de refroidissement connecté audit premier échangeur de chaleur du circuit d'alimentation. La source de chaleur peut notamment être une pile à combustible. Une telle pile à combustible peut par exemple être alimentée par les mêmes ergols que le moteur-fusée afin de générer de l'électricité pour les systèmes embarqués d'un engin propulsé par le moteur-fusée. Alternativement, toutefois, d'autres types de sources de chaleur embarquées, comme par exemple des batteries ou des circuits électroniques, peuvent être refroidies de la même manière.
La présente description concerne aussi un engin comprenant un moteur-fusée avec ledit circuit d'alimentation et un dispositif embarqué générateur de chaleur avec un circuit de refroidissement connecté audit premier échangeur de chaleur du circuit d'alimentation. Cet engin peut être, par exemple, un étage de lanceur spatial, un satellite, ou tout autre type de véhicule propulsé par un moteur-fusée à ergols liquides.
Suivant un deuxième aspect, ledit premier ergol liquide peut notamment être un liquide cryogénique, et en particulier de l'hydrogène liquide, offrant ainsi un refroidissement encore plus efficace grâce à sa basse température.
Suivant un troisième aspect, ledit circuit d'alimentation peut comprendre une pompe en amont dudit premier échangeur de chaleur, afin d'assurer la circulation du premier ergol. Cette pompe peut être, par exemple, une pompe électrique ou une turbopompe. Toutefois, alternativement, le circuit d'alimentation pourrait être configuré de manière à assurer la circulation du premier ergol par d'autres moyens, comme par exemple par pressurisation d'un réservoir en amont.
Le premier ergol réchauffé en aval du premier échangeur de chaleur peut servir non seulement pour alimenter une chambre propulsive du moteur-fusée ou, éventuellement, un générateur de gaz ou la source de chaleur elle-même (par exemple lorsque cette source de chaleur est une pile à combustible), mais aussi, à l'état gazeux, pour maintenir la pression interne dans au moins un réservoir du premier ergol pendant sa vidange à travers le circuit d'alimentation. Pour cela, le circuit d'alimentation peut comprendre un branchement débouchant sur une partie haute de ce réservoir du premier ergol. L'ergol à l'état gazeux peut ainsi être réinjecté dans ce réservoir pour y maintenir la pression interne pendant sa vidange.
Suivant un quatrième aspect, ledit circuit d'alimentation peut comprendre, en aval dudit premier échangeur de chaleur, un branchement traversant un deuxième échangeur de chaleur. Le deuxième échangeur de chaleur peut ainsi assurer le passage à l'état gazeux d'un débit du premier ergol dérivé à travers ledit branchement, même quand la puissance calorifique dudit dispositif générateur de chaleur est, seule, insuffisante pour cela. Ce débit gazeux peut ainsi être utilisé, par exemple, pour maintenir la pression interne d'un réservoir fournissant le circuit d'alimentation avec le premier ergol pendant sa vidange. La présente description concerne donc aussi l'ensemble comprenant ce circuit d'alimentation et un réservoir pour ledit premier ergol liquide, connecté à ce circuit d'alimentation en amont dudit premier échangeur de chaleur, et audit branchement en aval dudit deuxième échangeur de chaleur.
Suivant un cinquième aspect, ledit deuxième échangeur de chaleur peut être intégré dans un réservoir pour un deuxième ergol liquide, de manière à pouvoir chauffer le premier ergol liquide par transfert de chaleur du deuxième ergol liquide. En particulier quand le deuxième ergol liquide présente une température d'ébullition sensiblement plus élevée que le premier ergol liquide (par exemple, quand le premier ergol liquide est de l'hydrogène liquide et le deuxième ergol liquide est de l'oxygène liquide) ceci permet non seulement d'assurer le passage en phase gazeuse du premier ergol dans le deuxième échangeur de chaleur, mais simultanément de refroidir le deuxième ergol. Ce refroidissement du deuxième ergol permet d'éviter la cavitation dans une pompe en aval de ce deuxième réservoir. La présente description concerne donc aussi un ensemble de ce circuit d'alimentation et d'un réservoir pour un deuxième ergol liquide, contenant ledit deuxième échangeur de chaleur.
Finalement, la présente description concerne aussi un procédé de refroidissement d'une source de chaleur, dans lequel un circuit de refroidissement de ladite source de chaleur transfère de la chaleur générée par la source de chaleur vers un premier ergol liquide d'un moteur-fusée à travers un premier échangeur de chaleur d'un circuit d'alimentation dudit moteur-fusée en au moins ledit premier ergol liquide. Comme spécifié ci-dessus, ce premier échangeur de chaleur est contenu dans un réservoir-tampon du circuit d'alimentation du premier ergol, et la source de chaleur peut être une pile à combustible. En outre, après avoir absorbé cette chaleur dans le premier échangeur de chaleur, une partie du débit du premier ergol liquide peut être ensuite dérivée à travers un deuxième échangeur de chaleur, dans lequel elle absorbera de la chaleur d'un deuxième ergol, pour atteindre l'état gazeux avant d'être réinjectée dans un réservoir du premier ergol alimentant le circuit d'alimentation.
Brève description des dessins
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un engin suivant un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un engin suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 3 est une vue schématique d'un engin suivant un troisième mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
Un engin 1, pouvant être, par exemple, un étage d'un lanceur spatial, est illustré schématiquement sur la figure 1. Pour sa propulsion, cet engin 1 comprend un moteur-fusée 2 à ergols liquides, avec un premier réservoir 3 pour un premier ergol, un deuxième réservoir 4 pour un deuxième ergol, une chambre propulsive 5 pour la combustion d'un mélange des deux ergols et l'accélération des gaz de combustion de ce mélange, un premier circuit d'alimentation 6 relié au premier réservoir 3 et à la chambre propulsive 5 afin d'amener le premier ergol du premier réservoir 3 à la chambre propulsive 5, et un deuxième circuit d'alimentation 7 relié au deuxième réservoir 4 à la chambre propulsive 5 afin d'amener le deuxième ergol du deuxième réservoir 4 à la chambre propulsive 5. Ces premier et deuxième ergols peuvent être des ergols cryogéniques tels que l'hydrogène et l'oxygène liquide. Chacun des circuits d'alimentation 6,7 comprend une pompe 8,9 pour assurer la circulation de l'ergol respectif à travers chaque circuit d'alimentation 6,7, et des vannes de sortie 10,11 pour ouvrir et fermer l'écoulement des ergols vers la chambre propulsive 5. Ces pompes 8,9 peuvent être, par exemple, des pompes électriques, ou bien des turbopompes.
En outre, l'engin 1 comprend également, pour l'alimentation électrique d'équipements embarqués, une pile à combustible 16 embarquée, adaptée à générer de l'électricité suite à une réaction chimique entre les deux ergols et connectée à des circuits d'alimentation 12,13 afin d'être alimentée en ces deux ergols. Chacun de ces circuits 12,13 comprend une micropompe 14,15 permettant de réguler le débit d'ergol fourni à la pile à combustible 16. Grâce à la pression interne des réservoirs 3,4, les micropompes 14,15 peuvent toutefois être éventuellement substituées par des vannes à débit variable, la pression interne des réservoirs 3,4 pouvant alors suffire à assurer l'écoulement des ergols vers la pile à combustible 16.
La pile à combustible 16 est en outre pourvue d'un circuit de refroidissement 17 contenant un fluide de refroidissement tel que, par exemple, de l'hélium, et connecté à un échangeur de chaleur 18 intégré dans un réservoir-tampon 20 du circuit d'alimentation 6 du premier ergol. Dans l'engin 1 illustré, la circulation de ce fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement 17 peut être impulsée par, et régulée à travers de, un dispositif de circulation forcée à débit variable 19, lequel, dans le mode de réalisation illustré, prend la forme d'un ventilateur. Toutefois, d'autres alternatives peuvent être envisagées tant pour impulser la circulation du fluide de refroidissement que pour la réguler. Ainsi, l'impulsion du fluide de refroidissement pourrait être assurée par un thermosiphon, et la régulation de débit par au moins une vanne à débit variable.
En fonctionnement, après l'ouverture des vannes 10 et 11, les pompes 8,9 impulsent à travers les circuits d'alimentation 6,7 les ergols alimentant la chambre propulsive 5. La chaleur générée par cette pile à combustible 16, qui est simultanément alimentée en ergols à travers les circuits d'alimentation 12,13 afin de générer de l'électricité, est évacuée, à travers le circuit de refroidissement 17 et l'échangeur de chaleur 18, vers le premier ergol circulant à travers le circuit d'alimentation 6. En particulier, dans le mode de réalisation décrit, la très basse température de ce premier ergol, quand il est un liquide cryogénique, permet une évacuation extrêmement efficace de cette chaleur.
Grâce au réservoir-tampon 20, il est possible d'évacuer vers le premier ergol une plus grande quantité de chaleur émise par la pile de combustible 16, et ceci même quand les vannes 10,11 sont fermées et les pompes 8,9 sont à l'arrêt. Un volume Vt de 30 I d'hydrogène liquide dans le réservoir-tampon 20 peut ainsi absorber la quantité de chaleur correspondant à une puissance calorifique Pc de 100 W pendant une heure avec une montée en température ΔΤ d'uniquement 17 K de l'hydrogène liquide.
Un engin 1 suivant un deuxième mode de réalisation est illustré sur la figure 2. Cet autre engin 1 diffère de celui du premier mode de réalisation en ce que le premier circuit d'alimentation 6 comprend, en aval du réservoir-tampon 20, un branchement 21 de retour vers le sommet du premier réservoir 3 à travers une vanne à débit variable 22, et un deuxième échangeur de chaleur 23 qui est intégré dans la base du deuxième réservoir 4 à proximité de sa connexion au deuxième circuit d'alimentation 7. Le deuxième circuit 7 comprend aussi, en aval de la pompe 9, un branchement 40 de retour vers le sommet du deuxième réservoir 4, traversant un autre échangeur de chaleur 41 disposé autour de la chambre propulsive 5 de manière à être chauffé par rayonnement ou par conduction par celle-ci. Ce branchement 40 comprend aussi, en amont de l'échangeur de chaleur 41, une vanne 42, pouvant être une vanne de débit variable, permettant ainsi une régulation précise du débit à travers le branchement 40. Les autres éléments de cet engin 1 sont essentiellement équivalents à ceux du premier mode de réalisation, et reçoivent les mêmes chiffres de référence.
En fonctionnement, après son échauffement par l'éçhangeur de chaleur 18, une partie du débit du premier ergol évacué du premier réservoir 3 à travers le premier circuit d'alimentation 6 est dérivée à travers le branchement 21 vers le deuxième échangeur de chaleur 23, dans lequel elle absorbe une puissance calorifique supplémentaire du deuxième ergol, plus chaud, passant ainsi à l'état gazeux, avant d'être réinjectée au sommet du premier réservoir 3 pour ainsi maintenir sa pression interne pendant sa vidange. Si le premier ergol est de l'hydrogène liquide et le deuxième ergol est de l'oxygène liquide, la différence de température entre leurs points d'ébullition respectifs, à pression atmosphérique, est de presque 70 K, ce qui permet un transfert de chaleur plus que suffisant pour assurer la vaporisation de l'hydrogène liquide avant que leurs températures s'égalisent, et ceci même pour un débit d'hydrogène liquide important par rapport au volume d'oxygène liquide contenu dans le deuxième réservoir. Simultanément, cette absorption de chaleur par le premier ergol dans le deuxième échangeur de chaleur 23 refroidit le deuxième ergol, ce qui permet de diminuer la pression de saturation du deuxième ergol alimentant la pompe 9, de manière à y éviter des phénomènes de cavitation. Ceci permet aussi de laisser plus largement fluctuer la pression et la température de ce deuxième ergol dans le deuxième réservoir 4.
En même temps, pour maintenir la pression dans le deuxième réservoir 4, une partie du débit du deuxième ergol extrait du deuxième réservoir 4 à travers le deuxième circuit 7 est dérivée à travers le branchement 40 et chauffé dans l'éçhangeur 41 par le rayonnement thermique de la chambre propulsive 5 ou par conduction, de telle manière qu'il passe en phase gazeuse avant d'être réinjecté dans le deuxième réservoir 4, afin d'y maintenir la pression interne. Cette dérivation de débit est régulée par la vanne 42.
Toutefois, alternativement aux pompes 8 et 9 de ces deux premiers modes de réalisation, la circulation des ergols vers la chambre propulsive peut être assurée par d'autres moyens comme, par exemple, par pressurisation des réservoirs. Ainsi, dans un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 3, ces pompes sont remplacées par un réservoir 24 de gaz pressurisé, par exemple d'hélium, connecté aux réservoirs 3,4 d'ergols à travers de vannes 26,27 respectives. Ainsi, en fonctionnement, la pression de l'hélium du réservoir de gaz pressurisé 24 pousse les ergols, à travers leurs circuits d'alimentation 6,7 respectifs, vers la chambre propulsive 5. La pressurisation des ergols dans les réservoirs 3, 4 permet également de s'affranchir de micropompes pour l'alimentation en ergols de la pile à combustible 16, alimentation qui est régulée dans ce mode de réalisation par des vannes 28,29 à débit variable dans les circuits 12,13.
D'autre part, comme dans le deuxième mode de réalisation, le premier circuit d'alimentation 6 comprend un réservoir-tampon 20 et, en aval de celui-ci, un branchement 21 de retour vers le sommet du premier réservoir 3 à travers une vanne à débit variable 22 et un deuxième échangeur de chaleur 23 qui est intégré dans la base du deuxième réservoir 4 à proximité de sa connexion au deuxième circuit d'alimentation 7, ce qui permet de réduire la consommation de gaz pressurisé du réservoir 24 pour la pressurisation du premier réservoir d'ergol 3. Finalement, afin de permettre la réinjection en phase gazeuse au sommet du premier réservoir 3 de l'ergol dérivé à travers le branchement 21, ce branchement 21 comprend un dispositif de circulation forcée 30, plus spécifiquement sous forme d'un ventilateur ou d'une pompe. Les autres éléments de cet engin 1 sont essentiellement équivalents à ceux du deuxième mode de réalisation, et reçoivent les mêmes chiffres de référence.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Ainsi, par exemple, dans une variante du troisième mode de réalisation, l'engin pourrait aussi comprendre un branchement de réinjection du deuxième ergol en phase gazeuse dans le deuxième réservoir, comme dans le deuxième mode de réalisation, avec un dispositif de circulation forcée de ce deuxième ergol en phase gazeuse. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit d'alimentation (6) d'un moteur-fusée (2) en au moins un premier ergol liquide, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un réservoir-tampon (20) pour ledit premier ergol liquide et un premier échangeur de chaleur (18) , intégré dans ledit réservoir-tampon (20) et apte à être connecté à un circuit de refroidissement (17) d'au moins une source de chaleur.
2. Circuit d'alimentation (6) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit premier ergol liquide est un liquide cryogénique.
3. Circuit d'alimentation (6) suivant la revendication 2, dans lequel ledit premier ergol liquide est de l'hydrogène liquide.
4. Circuit d'alimentation (6) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pompe (8) en amont dudit premier échangeur de chaleur (18).
5. Circuit d'alimentation (6) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, en aval dudit premier échangeur de chaleur (18), un branchement (21) traversant un deuxième échangeur de chaleur (23).
6. Ensemble comprenant un circuit d'alimentation (6) suivant la revendication 5 et un réservoir (3) pour ledit premier ergol liquide, ledit réservoir (3) étant connecté audit circuit d'alimentation (6) en amont dudit premier échangeur de chaleur (18), et aussi audit branchement (21) en aval dudit deuxième échangeur de chaleur (23).
7. Ensemble comprenant un circuit d'alimentation (6) suivant la revendication 5 et un réservoir (4) pour un deuxième ergol liquide, dans lequel ledit deuxième échangeur de chaleur (23) est intégré.
8. Ensemble comprenant un circuit d'alimentation (6) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 et une source de chaleur équipée d'un circuit de refroidissement (17) connecté audit premier échangeur de chaleur (18) du circuit d'alimentation (6).
9. Ensemble suivant la revendication 8, dans lequel ladite source de chaleur est une pile à combustible (16).
10. Engin (1) comprenant un moteur-fusée (2) avec au moins un circuit d'alimentation (6) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, et une source de chaleur avec un circuit de refroidissement (17) connecté audit premier échangeur de chaleur (18) du circuit d'alimentation (6).
11. Procédé de refroidissement d'une source de chaleur, dans lequel un circuit de refroidissement (17) de ladite source de chaleur transfère de la chaleur générée par la source de chaleur vers un premier ergol liquide d'un moteur-fusée (2) à travers un premier échangeur de chaleur (18) intégré dans un réservoir-tampon (20) d'un circuit d'alimentation (6) dudit moteur-fusée (2) en au moins ledit premier ergol liquide.
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