EP4045786A1 - Hybrid thruster for space vehicle - Google Patents

Hybrid thruster for space vehicle

Info

Publication number
EP4045786A1
EP4045786A1 EP20803224.3A EP20803224A EP4045786A1 EP 4045786 A1 EP4045786 A1 EP 4045786A1 EP 20803224 A EP20803224 A EP 20803224A EP 4045786 A1 EP4045786 A1 EP 4045786A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
propellant
liquid
thruster
injectors
outer body
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.)
Pending
Application number
EP20803224.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexandre MANGEOT
Sylvain BATAILLARD
Vincent ROCHER
Alexis AZOULAI
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.)
Hybrid Propulsion For Space
Original Assignee
Hybrid Propulsion For Space
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 Hybrid Propulsion For Space filed Critical Hybrid Propulsion For Space
Publication of EP4045786A1 publication Critical patent/EP4045786A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/72Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid and solid propellants, i.e. hybrid rocket-engine plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44Feeding propellants
    • F02K9/52Injectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/60Constructional parts; Details not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention belongs to the general field of aerospace hybrid propulsion, in particular of the architecture of hybrid rocket engines, and more particularly relates to a hybrid propulsion (or propellant) system intended mainly for vehicles and spacecraft such as launchers.
  • the present invention finds direct application in the field of astronautics.
  • hybrid space propulsion consists in using both solid propellants and liquid propellants, in order to combine their advantages while reducing the effects of their individual disadvantages.
  • the principle of this technology dates back to the 1930s but the first tests were carried out by the US military in the 1950s.
  • the patent document US3274771A describes, for example, one of the first hybrid propulsion systems.
  • Hybrid solid-liquid propulsion is characterized by the use of a fuel, or fuel, solid and a liquid oxidizer. In rare cases, this configuration is reversed with a liquid fuel and a solid oxidizer.
  • the advantage of hybrid propulsion stems from its simplicity compared to the complex architectures of liquid propulsion, but also from the fact that the thrust can be modulated by varying the supply of liquid oxidizer, unlike solid propulsion.
  • a liquid oxidant (LOX, N2O, H202, etc.) is injected into a combustion chamber containing a solid reducing agent (polymers, paraffins, etc.).
  • LOX liquid oxidant
  • N2O solid reducing agent
  • H202 solid reducing agent
  • the reaction of these two species generates combustion which produces the energy necessary for propulsion, in a manner comparable to the operation of a solid propellant or liquid propellant propellant.
  • the hybrid propulsion can have a non-toxic and / or non-pyrotechnic character.
  • Patent document WO2017142590 addresses these issues by describing a rocket engine architecture in which the liquid propellant reservoir is placed, entirely or partially, in the combustion chamber defined by the solid propellant.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks set out above and to respond to the technical problems relating thereto.
  • the present invention relates to a hybrid propellant, in particular for a vehicle or spacecraft, comprising an outer body in which is stored a solid propellant, extending in a longitudinal direction X of the outer body, a pressurized tank containing a liquid or gaseous propellant, and an ejection nozzle for the gases produced by the combustion of propellants.
  • This propellant is remarkable in that it comprises a plurality of liquid or gaseous propellant injectors arranged axially between parts of the solid propellant, and in that said solid propellant comprises at least one hollow cylindrical block.
  • the injectors are arranged along an internal surface of the solid propellant.
  • the pressurized tank is placed inside the outer body, surrounded by the solid propellant, and the injectors are arranged along and around said tank.
  • this proximity of the injectors with the solid propellant makes it possible to supply a large quantity of liquid propellant all along the combustion chamber formed by the channel between the internal surface of the solid propellant and the pressurized tank, so maintaining the combustion zone close to the internal (combustion) surface of the solid propellant regardless of the size (diameter and length) of the propellant.
  • the injectors are arranged uniformly in longitudinal rows, along a longitudinal axis of the pressurized tank, and in radial rows, with respect to said longitudinal axis, the radial rows being equidistant.
  • the outer body and the pressurized tank are coaxial.
  • the liquid or gaseous propellant contained in the pressurized tank is sent to the injectors via a flow control device, of the valve type, and pipes connecting the injectors or via a double wall of the pressurized tank.
  • the pipes can be in contact with the walls of the pressurized tank and serve them as a cooling system by conveying a cryogenic liquid propellant, for example.
  • the nozzle is of the aerospike type and comprises a central body secured to the pressurized tank and an annular body, surrounding the central body, secured to the outer body of said thruster.
  • the central body of the nozzle is connected to the pressurized tank by means of a ball and / or rail connection and actuators, of the type jacks, so as to enable said nozzle to be maneuvered by modifying the section of its coi and / or the inclination of said body centered with respect to said longitudinal axis
  • the pressurized tank is fixed to the outer body by means of connecting rods at its lower end, said connecting rods being arranged radially with respect to a longitudinal axis of said tank.
  • the pressurized tank is movably mounted in the outer body by means of at least one jack, at its lower end, and elastic connections, at its upper end opposite said lower end.
  • the cylinder or cylinders are for example pneumatic cylinders operating thanks to the excess pressurization gas from the pressurized tank.
  • each jack is arranged radially around the longitudinal axis X of the outer body and connects said outer body to an upper part of the central body of the nozzle, so as to allow said nozzle to be maneuvered by modifying the section of its neck. and / or the inclination of said central body relative to said longitudinal axis.
  • jacks for maintaining the pressurized tank and the central nozzle body in position make it possible to modify the shape (eccentricity) of the nozzle throat. This modification makes it possible to orient the thrust and therefore to control the thruster.
  • the cylinders also make it possible to modify the section of the nozzle throat to adapt the rate of expansion of the nozzle during operation of the thruster.
  • the solid propellant can be based on a polymer or a paraffin wax
  • the liquid propellant can be cryogenic liquid oxygen (LOX), peroxide of 'hydrogen (H202) or nitrous oxide (N2O).
  • the invention also relates to a space vehicle, of the launcher type, comprising a hybrid thruster as has been presented.
  • FIG. 1a a schematic view of a hybrid propellant of the prior art
  • Figure 1b the propellant of Figure 1a equipped with a liquid propellant inlet turbopump;
  • FIG. 2 a schematic view of the combustion chamber of the prior art hybrid thruster in operation
  • FIG. 3 a schematic sectional view of a hybrid thruster according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 a partial sectional and perspective view of a propellant according to the invention, showing the arrangement of the outer body, the solid propellant, the liquid propellant tank and the injectors;
  • Figure 4a a detail of Figure 4 showing a radial injection
  • FIG. 6a a cross section of a thruster according to one embodiment
  • FIG. 6b a cross section of a thruster according to another embodiment, with the solid propellant block of Figure 5;
  • FIG. 7 a partial exploded view of a thruster according to one embodiment
  • FIG. 8 a cross section of a propellant according to another embodiment, in which the liquid propellant tank is surrounded by a block of secondary solid propellant;
  • FIG. 10 a partial view in longitudinal section of a thruster according to one embodiment, showing the connections between the outer body, the liquid propellant tank and the nozzle;
  • Figure 11 an exploded view of the liquid propellant tank and of the central body of the nozzle of a propellant according to one embodiment, with a deformable wall surmounting said central body;
  • Figure 12 a schematic view of a hybrid thruster according to an embodiment in which the liquid propellant tank is outside the outer body;
  • Figure 13 a schematic sectional view of a hybrid thruster according to another embodiment of the invention.
  • hybrid propulsion system intended mainly for vehicles and spacecraft. This non-limiting example is given for a better understanding of the invention and does not exclude the use of the propulsion system in tactical missiles, military aerial drones or any other suitable vehicle.
  • thruster designates by extension a space thruster, also called a rocket thruster or rocket engine, and more exactly a space propulsion system
  • hybrid thruster designates a hybrid space propulsion system. with solid propellant and liquid propellant.
  • the hybrid propellants of the prior art comprise, in a simplified manner, a tank of liquid propellant LP pressurized by a pressurization system PS and a combustion chamber CC storing a solid SP propellant, the internal surface of which delimits a combustion volume, and ending in a combustion gas ejection nozzle generating the thrust required for propulsion.
  • the liquid propellant is pushed into the combustion chamber passing through a flow control valve and an injector which sprays the liquid propellant as a spray as shown schematically in FIG. 2.
  • a turbopump can be used for further pressure as shown in Figure 1b.
  • the injected liquid propellant droplets produce, in response to the local temperature, gaseous chemical species LP * .
  • solid propellant produces gaseous chemical species SP * .
  • These gaseous chemical species then mix in the combustion chamber and operate in a very exothermic manner to produce new chemical species until one of the propellants is exhausted.
  • This combustion can be initiated by an external heat source such as a pyrotechnic igniter, an electric arc, a laser, etc., or by spontaneous exothermic decomposition of the liquid propellant under the effect of a catalyst.
  • FIG. 3 represents a hybrid propellant 100 according to the invention, mainly comprising an outer body 10, intended to receive a solid propellant 20 which defines a combustion chamber 15, a pressurized central tank 30 intended to receive a liquid propellant 40, said tank being placed inside the outer body and extending along a longitudinal axis X thereof, and a combustion gas outlet nozzle 50, mounted articulated on the outer body 10 by means of jacks 60.
  • the outer body 10 has the shape of a generally cylindrical cavity with a circular base, and more precisely comprises a cylindrical side wall 11 and a slightly curved upper end wall 12, of lenticular shape for better resistance. mechanical to the pressures in the combustion chamber.
  • the outer body 10 has an elongated shape along the longitudinal axis X, thus reducing the drag (in atmospheric flight) while allowing the storage of a large quantity of 'solid propellant 20.
  • the solid propellant 20, according to the illustrated embodiment, is in the form of a block, which can be in one piece (monoblock) or obtained by the superposition of several blocks, having a shape and dimensions suitable for be stored in the outer body 10.
  • the solid propellant block 20 is hollow in shape and has an outer surface the shape of which matches that of the outer body 10 and an inner surface 21 of any shape, such as underlined below, on condition that the other elements of the thruster 100 can be arranged, in particular the central reservoir 30, the axial arrangement of which is essential in the context of the present invention.
  • the internal surface 21 of the solid propellant block 20 also makes it possible to delimit the combustion chamber 15, the volume of which increases as the said block is consumed during combustion.
  • the solid propellant 20 may be based on a polymerized material or on a thermoplastic material such as a fast burning paraffin wax.
  • solid propellant 20 is hydroxytelechelic polybutadiene (PBHT), a derivative of PBHT, or polyoxymethylene (POM).
  • the solid propellant 20 can also include metallic additives such as aluminum, magnesium, lithium or beryllium which make it possible to increase the specific impulse of the propellant, in other words the speed of the ejected gases.
  • the central reservoir 30, is arranged coaxially inside the outer body 10, has a cylindrical tubular shape with a circular base, open at its upper end and closed by a hemispherical bottom, and comprises a plurality of injectors 31 distributed along and around said tank, a device for controlling the flow of liquid propellant 32, a network of pipes 33 supplying the injectors 31, thermal protections 34 and elastic connections 35 by which the central tank is attached to the outer body 10.
  • the central tank 30 is intended to contain the liquid propellant 40, or according to an alternative embodiment a gaseous propellant, and therefore needs to be pressurized.
  • the central tank 30 is provided with a suitable pressurization system, for example with liquid helium or using liquid propellant as indicated below, comprising for example a pressurization control device 36, of the valve type, as well as a pressurization channel 37 shown diagrammatically in FIG. 3.
  • liquid propellant 40 can be cryogenic liquid oxygen (LOX), hydrogen peroxide (H2O2), nitrous oxide (N2O), or any other suitable liquid propellant.
  • LOX cryogenic liquid oxygen
  • H2O2 hydrogen peroxide
  • N2O nitrous oxide
  • the injectors 31, according to the illustrated embodiment, are distributed radially along and around the central reservoir 30, more precisely on a external surface of said reservoir, so as to allow the most efficient possible injection into the combustion volume, reaching almost the entire combustion surface of the solid propellant block 20 (which is also its internal surface 21).
  • the injectors 31 are arranged in longitudinal rows, over a major part of the length of the central reservoir 30, and along cross sections of said reservoir, preferably equidistant.
  • the injectors 31 can also be inclined relative to the transverse planes of the central reservoir 30.
  • the location of the injectors 31 depends on the shape of the cross section of the central tank 30, circular or polygonal, on the shape of the internal surface of the solid propellant block 20 and on the intrinsic parameters of said injectors.
  • the injectors 31, which are preferably identical, are characterized by the sprayed liquid jet 311 (or spray) which occupies a portion of the space delimited by a cone which is not necessarily circular, the latter will be designated by "solid injection angle. ".
  • FIG. 4 represents the arrangement of the external body 10, of the solid propellant block 20, here with a circular internal surface 21, of the central reservoir 30 and of the injectors 31.
  • the detail of FIG. 4a illustrates the radial injection obtained by each injector, the injectors being supplied by the pipes 33.
  • FIGS. 6a and 6b Examples of possible peripheral arrangements of the injectors 31 are given in FIGS. 6a and 6b, with respectively a square arrangement in the case of an annular solid propellant block and a regular polygonal arrangement, here in pentagon, in the case of an annular solid propellant block. a solid star propellant block, here with five branches.
  • Figure 5 shows a solid propellant block 20 having a star-shaped internal surface 21 such as that of Figure 6b.
  • the integration of this block in the thruster is shown schematically by the exploded view of Figure 7 which also reflects the overall rotational symmetry of the thruster according to the embodiment described.
  • the injectors 31 then make it possible to inject liquid propellant 40 into the combustion chamber 15 containing the solid propellant 20, the mixture of the two propellants producing a very exothermic combustion which provides the energy necessary for the propulsion of a machine. space equipped with the propellant 100. Combustion is maintained as long as no propellant, solid 20 or liquid 40, is completely consumed. In addition, the ignition, the thrust modulation and the extinction of the propellant 100 remain controllable by the amount of liquid propellant injected into the combustion chamber, provided that there is still solid propellant in said chamber.
  • the injected liquid propellant comes from the central tank 30 passing through the flow control device 32, which is for example a valve placed under said tank, and through the supply pipes 33 which allow the liquid propellant to be conveyed under pressure towards the injectors 31.
  • the pipes 33 are for example thin-walled, preferably copper alloy, lining the walls of the central tank 30 to thus constitute a convective cooling system, thanks to the circulation of the liquid propellant (which can be cryogenic), for said tank subjected to the extreme temperatures of the combustion chamber 15.
  • thermal protections 34 which cover a major part of the external surface of the central tank 30, said surface bathing in the combustion chamber 15 while being in direct contact with the combustion gases.
  • Thermal protections 34 consist for example of a specific coating, tiles made of heat-resistant material, or a layer of solid propellant.
  • the injectors are supplied by a double wall of the liquid propellant tank.
  • the coaxial arrangement of the central reservoir 30 inside the solid propellant block 20 advantageously allows the multiple injectors 31 to be opposite and close to said block so that the liquid propellant sprays 311 effectively reach the combustion surface of the solid propellant, until the solid propellant is used up.
  • this arrangement promotes the formation of local turbulence maintained along the combustion chamber for improved gas mixing.
  • the resulting mixture of gases is such that the energy produced by combustion tends to approach a theoretical maximum (obtained during a total reaction of the reactants).
  • These combustion gases are then ejected by the nozzle 50 located at the end of the central tank 30 and of the outer body 10.
  • the nozzle 50 is of the long point type, commonly called an aerospike, known for its performance, in particular its efficiency in a wide range of altitudes and its low fuel consumption at low altitude, and comprises a central body 51 surrounded by an annular body 52.
  • the central body 51 of this aerospike nozzle 50 can be attached as an extension of the central reservoir 30 by means of a junction member, for example, or preferably made in one piece with a central body also containing said reservoir.
  • the central body 51 of the aerospike nozzle 50 has a conical shape, sometimes slightly of a truncated hyperboloid of revolution, defining a ramp which channels the gas jet and which, therefore, must be cooled in operation.
  • the central body 51 is provided with a cooling system 511 supplied by a cooling liquid 512 stored in a cavity delimited by said central body.
  • the cooling liquid 512 which can be of the same nature as the liquid propellant 40 or another chemical substance, can also be used, after vaporization, to supply the pressurization system 36 and 37 of the central tank 30.
  • the central body of the aerospike nozzle constitutes the bottom of the liquid propellant reservoir so that the liquid propellant serves as a coolant to cool said body.
  • part of the fluid feeds the injectors to be injected into the combustion chamber and the other part, vaporized, is used by the pressurization system.
  • the annular body 52 of the aerospike nozzle 50 is for its part located at the level of the lower end of the outer body 10 of the thruster and thus has a shape adapted in continuity with said outer body.
  • the annular body 52 also defines gas ejection ramps and therefore needs to be cooled in operation. This is achieved, as in the case of the central body 51, via a cooling system 521 supplied with a cooling liquid 522 stored in internal cavities of the annular body 52.
  • annular body 52 of the nozzle can be attached to the outer body 10 of the thruster by suitable connecting means, or preferably made in one piece with said outer body for better aerodynamics and more mechanical strength.
  • the aerospike nozzle 50 has a relative mobility with respect to the outer body 10, by its central body 51 which is supported radially by at least one jack 60 allowing it to deviate substantially with respect to the longitudinal axis X of the thruster.
  • the central body 51 can be connected to the outer body 10 by several jacks 60 distributed uniformly around said central body.
  • the central body 51 of the nozzle is connected to the outer body 10 by four cylinders 60 arranged symmetrically so as to be able to point in different directions substantially inclined relative to the longitudinal axis X.
  • the cylinders 60 are for example double-acting pneumatic cylinders supplied with the surplus pressurization gas, itself resulting from the vaporizations of the cooling liquids from the nozzle 50.
  • the central body 51 of the nozzle being integral with the central reservoir 30, the latter must have a certain degree of mobility with respect to the outer body 10 of the thruster in order to follow the movements of said central body.
  • the central reservoir 30 is fixed to the outer body 10 by means of elastic links 35 which work in accordion fashion to allow elastic deformations of the reservoir. central 30 in response to the movements of the central body 51 of the aerospike nozzle 50.
  • the movements of the central body 51 of the nozzle make it possible to modify the eccentricity and the section of the neck of the nozzle so as to orient the thrust during the operation of the thruster 100.
  • the central reservoir 30 is fixed relative to the outer body 10 by being centered and maintained at the level of its lower part by connecting rods 61 adjustable in length arranged radially between said reservoir and said body. exterior; and the central body 51 of the aerospike nozzle 50 is connected to the central reservoir 30 by a ball joint, or preferably a slide connection combined with a ball joint 62, as well as by actuators 63 such as jacks.
  • the connecting rods 61 are used to adjust the centering of the central tank 30 during the final assembly of the thruster, to make up for any residual off-center after manufacture or initial assembly.
  • a single ball joint between the central body 51 of the nozzle and the central reservoir 30 allows the orientation of said body to be changed.
  • a double slide-ball joint connection makes it possible, in addition to the inclination of the central body 51, to adjust the section of the neck of the aerospike nozzle 50.
  • junction between the central body 51 and the central reservoir 30 can be made by two annular metal parts 65 spaced apart longitudinally from one another to allow their relative movement in response to the movement of the central nozzle body.
  • this junction can be made by means of a flexible wall 513 which deforms in an accordion shape under the effect of the movements of the central body 51 of the aerospike nozzle 50.
  • the hybrid propellant further comprises a block of secondary solid propellant 25 arranged in a layer around the central tank 30. Openings receiving the injectors 31 are made in the block 25.
  • This additional block allows the production of more gaseous chemical species under the effect of the temperature of the combustion chamber, further improving the mixing of propellants.
  • FIG. 12 represents an alternative architecture according to the invention in which the central reservoir 30 is placed outside the outer body 10, being connected to an injection system 70 provided with a plurality of injectors 71 and placed inside said outer body, along the solid propellant block 20.
  • FIG. 13 represents a hybrid propellant 100 'according to another embodiment, in which the combustion chamber 15 has an annular shape with two blocks of solid propellant 20a and 20b respectively fixed on an internal wall and an external wall of said chamber. .
  • the internal wall on which is fixed the first block 20a of solid propellant delimits the central reservoir 30 of liquid propellant.
  • the liquid propellant 40 is self-pressurized by boiling, the necessary heat being provided by the coolant 512 which allows the walls of the nozzle 50 to be cooled according to a closed thermodynamic cycle.
  • the propellant 100 comprises an injection dome 13 making it possible to supply gasified liquid propellant 41 from the upper part of the tank 30 into the combustion chamber 15.
  • combustion in a rich mixture occurs in the combustion chamber 15 and makes it possible to vaporize the solid propellant without producing very hot combustion gases.
  • the gases produced then pass through a lower injection system 75 which supplies the missing gasified liquid propellant to complete combustion.
  • the mixing takes place in a post-combustion chamber 16 delimited by the walls of the nozzle 50.
  • the cylindrical blocks of solid propellant 20a and 20b thermally protect the walls of the combustion chamber to which they are fixed.
  • the combustion chamber 15 has upstream 151 and downstream 152 cavities without solid propellant and therefore comprises additional thermal protections 155.
  • the hybrid propellant 100 comprises a heat exchanger 80 allowing the boiling of the liquid propellant 40 and therefore its self-pressurization within the tank 30.
  • the vaporized liquid propellant 41 makes it possible to feed the combustion both in the combustion chamber 15 and the post-combustion chamber 16.
  • the feed to the upper 31a and lower 31b injectors is controlled by a flow regulator and a double-way valve 38.
  • the lower injection system 75 makes it possible to pass the gases from the combustion chamber 15 to the post-combustion chamber 16, to support a series of lower injectors 31b and to pass the coolant heat transfer fluid 512 from the outer walls towards the heat exchanger 80, the latter being located in the center of the propellant below the tank 30 of liquid propellant.
  • the aerospike nozzle 50 is cooled by the circulation of the heat transfer fluid in its double walls 51 and 52 (cooling systems).
  • the heat transfer fluid 512 transports thermal energy by sensible heat (heating) and possibly latent (vaporization).
  • the heat transfer fluid is cooled in the heat exchanger and reinjected into its storage area.
  • a pump 55 can be used to force the coolant to complete its cooling cycle.
  • the double block of solid propellant makes it possible to double the wetted surface without complicating the geometry (no multiple channels).
  • the arrangement with the oxidant reservoir inside achieves high compactness and a length-to-diameter ratio compatible with a launcher stage application.
  • the solid propellant blocks provide total thermal protection on both walls (internal and external). Incomplete combustion in the combustion chamber also makes it possible to reduce thermal stresses at the end of operation when the solid propellant blocks are no longer thick enough to provide sufficient thermal protection. Incomplete combustion also offers the possibility of obtaining a desired or even optimal mixing ratio thanks to the second injection of liquid propellant vaporized into the post-combustion chamber. This architecture is not affected by the shift in mixing ratio due to the opening of the combustion chamber channel.
  • vaporized liquid propellant avoids combustion instabilities due to liquid interactions (droplets) with the gases in the combustion chambers.
  • the injectors are also less complex than if they had to inject a fluid in the liquid state.

Abstract

The present invention relates to a hybrid thruster (100), for a spacecraft or vehicle, comprising an outer body (10), defining a combustion chamber (15) intended for receiving a block of solid propellant (20), a pressurised tank (30) intended for receiving a liquid propellant (40), and a nozzle (50) for ejecting the combustion gases produced by the reaction of the propellants, the pressurised tank being placed inside the outer body, surrounded by the block of solid propellant, the thruster further comprising a plurality of liquid propellant injectors (31) arranged axially between parts of the solid propellant in order to improve combustion efficiency. The invention also relates to a space vehicle, of the booster type, equipped with such a hybrid thruster.

Description

Propulseur hybride pour véhicule spatial Hybrid thruster for space vehicle
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
La présente invention appartient au domaine général de la propulsion hybride aérospatiale, notamment de l’architecture des moteurs-fusées hybrides, et concerne plus particulièrement un système propulsif (ou propulseur) hybride destiné principalement aux véhicules et engins spatiaux tels que les lanceurs. The present invention belongs to the general field of aerospace hybrid propulsion, in particular of the architecture of hybrid rocket engines, and more particularly relates to a hybrid propulsion (or propellant) system intended mainly for vehicles and spacecraft such as launchers.
La présente invention trouve une application directe dans le domaine de l’astronautique. The present invention finds direct application in the field of astronautics.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE La propulsion spatiale dite hybride consiste à utiliser à la fois des ergols solides et des ergols liquides, afin de combiner leurs avantages tout en diminuant les effets de leurs inconvénients individuels. Le principe de cette technologie date des années 1930 mais les premiers essais ont été menés par l'armée américaine dans les années 1950. Le document brevet US3274771A décrit par exemple l’un des premiers systèmes propulsifs hybrides. La propulsion hybride solide-liquide se caractérise par l’utilisation d’un combustible, ou carburant, solide et d’un comburant liquide. Dans de rares cas, cette configuration est inversée avec un carburant liquide et un comburant solide. L'intérêt de la propulsion hybride provient de sa simplicité comparée aux architectures complexes de la propulsion liquide, mais aussi du fait que la poussée est modulable par une variation de l'alimentation en comburant liquide, contrairement à la propulsion solide. STATE OF THE ART So-called hybrid space propulsion consists in using both solid propellants and liquid propellants, in order to combine their advantages while reducing the effects of their individual disadvantages. The principle of this technology dates back to the 1930s but the first tests were carried out by the US military in the 1950s. The patent document US3274771A describes, for example, one of the first hybrid propulsion systems. Hybrid solid-liquid propulsion is characterized by the use of a fuel, or fuel, solid and a liquid oxidizer. In rare cases, this configuration is reversed with a liquid fuel and a solid oxidizer. The advantage of hybrid propulsion stems from its simplicity compared to the complex architectures of liquid propulsion, but also from the fact that the thrust can be modulated by varying the supply of liquid oxidizer, unlike solid propulsion.
Une littérature assez abondante vante le potentiel de la propulsion hybride, mais également souligne les limites opérationnelles de cette technologie qui, à ce jour, font obstacle à son développement à plus grande échelle. Dans les années 1990 des recherches non concluantes ont été effectuées par la société Amroc sur des moteurs-fusées hybrides de puissance élevée. En effet, SpaceShipOne fut le premier avion spatial (2004) à utiliser une propulsion hybride. Depuis, la propulsion hybride est restée cantonnée à quelques applications de niche telles que le SpaceShip qui, en vue d’un transport de passagers en vols suborbitaux, y voit un avantage sécuritaire considérable (les ergols utilisés ne sont pas explosifs) et une possibilité de réduction des coûts. A fairly abundant literature extols the potential of hybrid propulsion, but also highlights the operational limits of this technology which, to date, hinder its development on a larger scale. In the 1990s inconclusive research was carried out by the Amroc company on high power hybrid rocket motors. Indeed, SpaceShipOne was the first space plane (2004) to use hybrid propulsion. Since then, hybrid propulsion has remained confined to a few niche applications such as the SpaceShip which, with a view to transporting passengers in suborbital flights, sees a considerable safety advantage (the propellants used are not explosive) and a possibility of cost reduction.
En règle générale, dans un propulseur hybride, un oxydant liquide (LOX, N2O, H202, etc.) est injecté dans une chambre de combustion contenant un réducteur solide (polymères, paraffines, etc.). La réaction de ces deux espèces génère une combustion qui produit l’énergie nécessaire à la propulsion, de façon comparable au fonctionnement d’un propulseur à propergol solide ou à ergols liquides. Typically, in a hybrid propellant, a liquid oxidant (LOX, N2O, H202, etc.) is injected into a combustion chamber containing a solid reducing agent (polymers, paraffins, etc.). The reaction of these two species generates combustion which produces the energy necessary for propulsion, in a manner comparable to the operation of a solid propellant or liquid propellant propellant.
Selon ce principe, il est possible d’obtenir de fortes poussées, qui plus est, peuvent être modulées par le réglage du débit d’oxydant injecté. En outre et moyennant le choix de certaines espèces chimiques, la propulsion hybride peut présenter un caractère non toxique et/ou non pyrotechnique. According to this principle, it is possible to obtain strong thrusts, moreover, can be modulated by adjusting the flow rate of the injected oxidant. In addition and by means of the choice of certain chemical species, the hybrid propulsion can have a non-toxic and / or non-pyrotechnic character.
Toutefois, cette propulsion présente des inconvénients liés aux performances limitées des matériaux disponibles, en particulier les faibles vitesses de consommation des réducteurs actuels, rendant son utilisation inappropriée dans les véhicules nécessitant une importante poussée tels que les lanceurs.However, this propulsion has drawbacks linked to the limited performance of the materials available, in particular the low consumption speeds of current reducers, making its use inappropriate in vehicles requiring a large thrust such as launchers.
L’architecture usuelle de la majorité des propulseurs hybrides connus, schématisée en figures 1a et 1b, se heurte, d’un côté, à un manque de compacité et d’efficacité volumétrique du fait de la distance entre le réservoir d’ergol liquide et la chambre de combustion, et d’un autre côté, à des phénomènes de ballottements plus critiques. Le document brevet WO2017142590 répond à ces problématiques en décrivant une architecture de moteur-fusée dans laquelle le réservoir d’ergol liquide est placé, entièrement ou partiellement, dans la chambre de combustion définie par l’ergol solide. The usual architecture of the majority of known hybrid thrusters, shown schematically in Figures 1a and 1b, comes up against, on the one hand, a lack of compactness and volumetric efficiency due to the distance between the liquid propellant tank and the combustion chamber, and on the other hand, to more critical sloshing phenomena. Patent document WO2017142590 addresses these issues by describing a rocket engine architecture in which the liquid propellant reservoir is placed, entirely or partially, in the combustion chamber defined by the solid propellant.
Malgré cette architecture compacte, l’injection de l’ergol liquide reste très localisée dans la chambre de combustion et ne permet pas d’obtenir un mélange optimal des espèces chimiques gazeuses issues des deux ergols. Despite this compact architecture, the injection of liquid propellant remains very localized in the combustion chamber and does not allow an optimal mixture of the gaseous chemical species from the two propellants to be obtained.
Ce problème de mélange s’amplifie lorsque la chambre de combustion est de grande taille, et les systèmes propulsifs hybrides existants ne peuvent donc pas être utilisés dans des applications spatiales à grande échelle. Cela est dû au fait que les structures turbulentes qui se forment dans l’écoulement gazeux ne changent pas d’échelle avec la taille de la chambre de combustion. Par conséquent, la zone de combustion se place plus loin de la surface de combustion de l’ergol solide dans une grande chambre de combustion que dans une petite. Si bien qu’une grande chambre de combustion est moins efficace qu’une petite chambre de combustion. This mixing problem is amplified when the combustion chamber is large, and the existing hybrid propulsion systems cannot therefore be used in large-scale space applications. This is due to ensures that the turbulent structures that form in the gas flow do not change in scale with the size of the combustion chamber. As a result, the combustion zone is located further from the solid propellant combustion surface in a large combustion chamber than in a small one. So a large combustion chamber is less efficient than a small combustion chamber.
En raison d’un mélange non optimal dans les propulseurs hybrides actuels, l’énergie libérée par la combustion reste inférieure à une valeur maximale correspondant à un mélange optimal, avec une partie des réactifs éjectés du propulseur sans avoir réagi et donc sans avoir libéré d’énergie. De ce fait, l’efficacité et, par là-même, la performance du propulseur sont nettement inférieures à leurs valeurs théoriquement atteignables. Due to a non-optimal mixture in current hybrid thrusters, the energy released by combustion remains below a maximum value corresponding to an optimal mixture, with some of the reactants ejected from the thruster without having reacted and therefore without having released d 'energy. As a result, the efficiency and hence the performance of the thruster are significantly lower than their theoretically achievable values.
De plus, la chaleur dégagée par la combustion est moins bien transférée à l’ergol solide pour les raisons susmentionnées. Or, cette chaleur transférée à l’ergol solide détermine la vitesse de consommation dudit ergol, dite vitesse de régression, représentée par des flèches pleines en figure 2. En effet, plus la chaleur transférée à l’ergol solide est importante plus celui-ci se consomme rapidement. La poussée du propulseur étant en partie dépendante de cette vitesse de régression, une maximisation de cette dernière est souhaitable pour des applications de grandes puissances. In addition, the heat given off by combustion is less well transferred to the solid propellant for the aforementioned reasons. Now, this heat transferred to the solid propellant determines the rate of consumption of said propellant, called the rate of regression, represented by solid arrows in FIG. 2. In fact, the more heat transferred to the solid propellant, the greater the latter. is consumed quickly. The thrust of the thruster being in part dependent on this rate of regression, maximization of the latter is desirable for high power applications.
Pour ces multiples raisons, aucune solution, à la connaissance du demandeur, ne permet d’utiliser un système propulsif hybride de taille suffisante pour, entre autres, propulser un véhicule spatial jusqu’à atteindre une orbite extraatmosphérique. For these multiple reasons, no solution, to the knowledge of the applicant, makes it possible to use a hybrid propulsion system of sufficient size to, among other things, propel a space vehicle until it reaches an extraatmospheric orbit.
PRÉSENTATION DE L’INVENTION PRESENTATION OF THE INVENTION
La présente invention vise à pallier les inconvénients exposés ci-dessus et à répondre aux problèmes techniques y afférents. The present invention aims to overcome the drawbacks set out above and to respond to the technical problems relating thereto.
À cet effet, la présente invention a pour objet un propulseur hybride, notamment pour véhicule ou engin spatial, comprenant un corps extérieur dans lequel est stocké un ergol solide, s’étendant suivant une direction longitudinale X du corps extérieur, un réservoir pressurisé contenant un ergol liquide ou gazeux, et une tuyère d’éjection des gaz produits de la combustion des ergols. Ce propulseur est remarquable en ce qu'il comporte une pluralité d’injecteurs d’ergol liquide ou gazeux agencés axialement entre des parties de l’ergol solide, et en ce que ledit ergol solide comprend au moins un bloc cylindrique creux. To this end, the present invention relates to a hybrid propellant, in particular for a vehicle or spacecraft, comprising an outer body in which is stored a solid propellant, extending in a longitudinal direction X of the outer body, a pressurized tank containing a liquid or gaseous propellant, and an ejection nozzle for the gases produced by the combustion of propellants. This propellant is remarkable in that it comprises a plurality of liquid or gaseous propellant injectors arranged axially between parts of the solid propellant, and in that said solid propellant comprises at least one hollow cylindrical block.
Selon un mode de réalisation, les injecteurs sont agencés le long d’une surface Interne de l’ergol solide. According to one embodiment, the injectors are arranged along an internal surface of the solid propellant.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le réservoir pressurisé est placé à l’intérieur du corps extérieur, entouré par l’ergol solide, et les injecteurs sont disposés le long et autour dudit réservoir. According to a particularly advantageous embodiment, the pressurized tank is placed inside the outer body, surrounded by the solid propellant, and the injectors are arranged along and around said tank.
Ainsi, cette proximité des injecteurs avec l’ergol solide permet d’apporter une quantité importante d’ergol liquide tout le long de la chambre de combustion formée par le canal entre la surface interne de l’ergol solide et le réservoir pressurisé, de sorte à maintenir la zone de combustion proche de la surface interne (de combustion) de l’ergol solide indépendamment de la taille (diamètre et longueur) du propulseur. Thus, this proximity of the injectors with the solid propellant makes it possible to supply a large quantity of liquid propellant all along the combustion chamber formed by the channel between the internal surface of the solid propellant and the pressurized tank, so maintaining the combustion zone close to the internal (combustion) surface of the solid propellant regardless of the size (diameter and length) of the propellant.
Plus particulièrement, les injecteurs sont disposés uniformément en rangées longitudinales, suivant un axe longitudinal du réservoir pressurisé, et en rangées radiales, par rapport audit axe longitudinal, les rangées radiales étant équidistantes. More particularly, the injectors are arranged uniformly in longitudinal rows, along a longitudinal axis of the pressurized tank, and in radial rows, with respect to said longitudinal axis, the radial rows being equidistant.
Avantageusement, le corps extérieur et le réservoir pressurisé sont coaxiaux. Advantageously, the outer body and the pressurized tank are coaxial.
Selon un mode de réalisation, l'ergol liquide ou gazeux contenu dans le réservoir pressurisé est envoyé dans les injecteurs via un dispositif de contrôle de débit, de type vanne, et des canalisations reliant les injecteurs ou via une double paroi du réservoir pressurisé. According to one embodiment, the liquid or gaseous propellant contained in the pressurized tank is sent to the injectors via a flow control device, of the valve type, and pipes connecting the injectors or via a double wall of the pressurized tank.
Les canalisations peuvent être au contact des parois du réservoir pressurisé et leur servir de système de refroidissement en acheminant un ergol liquide cryogénique par exemple. The pipes can be in contact with the walls of the pressurized tank and serve them as a cooling system by conveying a cryogenic liquid propellant, for example.
Selon un mode de réalisation avantageux, la tuyère est de type aerospike et comporte un corps centrai solidaire du réservoir pressurisé et un corps annulaire, entourant le corps central, solidaire du corps extérieur dudit propulseur. According to an advantageous embodiment, the nozzle is of the aerospike type and comprises a central body secured to the pressurized tank and an annular body, surrounding the central body, secured to the outer body of said thruster.
Avantageusement, le corps central de la tuyère est relié au réservoir pressurisé au moyen d’une liaison rotule et/ou giissière et d'actlonneurs, de type vérins, de sorte à permettre de manœuvrer ladite tuyère en modifiant la section de son coi et/ou l’inclinaison dudit corps centrai par rapport audit axe longitudinal· Advantageously, the central body of the nozzle is connected to the pressurized tank by means of a ball and / or rail connection and actuators, of the type jacks, so as to enable said nozzle to be maneuvered by modifying the section of its coi and / or the inclination of said body centered with respect to said longitudinal axis
Avantageusement, le réservoir pressurisé est fixé au corps extérieur au moyen de bielles au niveau de son extrémité inférieure, lesdites bielles étant agencées radialement par rapport à un axe longitudinal dudit réservoir. Advantageously, the pressurized tank is fixed to the outer body by means of connecting rods at its lower end, said connecting rods being arranged radially with respect to a longitudinal axis of said tank.
Selon un mode de réalisation alternatif, le réservoir pressurisé est monté mobile dans le corps extérieur au moyen d’au moins un vérin, au niveau de son extrémité inférieure, et de liaisons élastiques, au niveau de son extrémité supérieure opposée à ladite extrémité inférieure. Le ou les vérins sont par exemple des vérins pneumatiques fonctionnant grâce au surplus de gaz de pressurisation du réservoir pressurisé. According to an alternative embodiment, the pressurized tank is movably mounted in the outer body by means of at least one jack, at its lower end, and elastic connections, at its upper end opposite said lower end. The cylinder or cylinders are for example pneumatic cylinders operating thanks to the excess pressurization gas from the pressurized tank.
Plus particulièrement encore, chaque vérin est agencé radialement autour de l’axe longitudinal X du corps extérieur et relie ledit corps extérieur à une partie supérieure du corps central de la tuyère, de sorte à permettre de manœuvrer ladite tuyère en modifiant la section de son col et/ou l'inclinaison dudit corps central par rapport audit axe longitudinal. More particularly still, each jack is arranged radially around the longitudinal axis X of the outer body and connects said outer body to an upper part of the central body of the nozzle, so as to allow said nozzle to be maneuvered by modifying the section of its neck. and / or the inclination of said central body relative to said longitudinal axis.
Ces vérins de maintien en position du réservoir pressurisé et du corps central de tuyère permettent de modifier la forme (excentricité) du col de tuyère. Cette modification permet d’orienter la poussée et donc de piloter le propulseur. Les vérins permettent en outre de modifier la section du col de tuyère pour adapter le taux d’expansion de la tuyère pendant le fonctionnement du propulseur. These jacks for maintaining the pressurized tank and the central nozzle body in position make it possible to modify the shape (eccentricity) of the nozzle throat. This modification makes it possible to orient the thrust and therefore to control the thruster. The cylinders also make it possible to modify the section of the nozzle throat to adapt the rate of expansion of the nozzle during operation of the thruster.
En ce qui concerne la nature chimique des ergols, l’ergol solide peut être à base d’un polymère ou d’une cire de paraffine, et l’ergol liquide peut être de l’oxygène liquide cryogénique (LOX), du peroxyde d’hydrogène (H202) ou du protoxyde d’azote (N2O). With regard to the chemical nature of propellants, the solid propellant can be based on a polymer or a paraffin wax, and the liquid propellant can be cryogenic liquid oxygen (LOX), peroxide of 'hydrogen (H202) or nitrous oxide (N2O).
L’invention a également pour objet un véhicule spatial, de type lanceur, comportant un propulseur hybride tel qu’il a été présenté. The invention also relates to a space vehicle, of the launcher type, comprising a hybrid thruster as has been presented.
Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif un mode de réalisation d’un propulseur hybride conforme aux principes de l’invention. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES The fundamental concepts of the invention having just been explained above in their most elementary form, other details and characteristics will emerge more clearly on reading the description which follows and with reference to the appended drawings, giving by way of nonlimiting example an embodiment of a hybrid propellant in accordance with the principles of the invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Les différentes figures et les éléments d’une même figure ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle. Sur l’ensemble des figures, les éléments identiques ou équivalents portent la même référence numérique. The different figures and the elements of the same figure are not necessarily represented on the same scale. In all of the figures, identical or equivalent elements bear the same reference numeral.
Il est ainsi illustré en : It is thus illustrated in:
- Figure 1a : une vue schématique d’un propulseur hybride de l’art antérieur ;- Figure 1a: a schematic view of a hybrid propellant of the prior art;
- Figure 1b : le propulseur de la figure 1a équipé d’une turbopompe d’admission de l’ergol liquide ; - Figure 1b: the propellant of Figure 1a equipped with a liquid propellant inlet turbopump;
- Figure 2 : une vue schématique de la chambre de combustion du propulseur hybride de l’art antérieur en fonctionnement ; - Figure 2: a schematic view of the combustion chamber of the prior art hybrid thruster in operation;
- Figure 3 : une vue en coupe schématique d’un propulseur hybride selon un mode de réalisation de l’invention ; - Figure 3: a schematic sectional view of a hybrid thruster according to one embodiment of the invention;
- Figure 4 : une vue partielle en coupe et en perspective d’un propulseur selon l’invention, faisant apparaître l’agencement du corps extérieur, de l’ergol solide, du réservoir d’ergol liquide et des injecteurs ; - Figure 4: a partial sectional and perspective view of a propellant according to the invention, showing the arrangement of the outer body, the solid propellant, the liquid propellant tank and the injectors;
- Figure 4a : un détail de la figure 4 représentant une injection radiale ; - Figure 4a: a detail of Figure 4 showing a radial injection;
- Figure 5 : un exemple de forme d’un bloc d’ergol solide pouvant être utilisé dans un propulseur selon l’invention ; - Figure 5: an example of the shape of a solid propellant block that can be used in a propellant according to the invention;
- Figure 6a : une section transversale d’un propulseur selon un mode de réalisation ; - Figure 6a: a cross section of a thruster according to one embodiment;
- Figure 6b : une section transversale d’un propulseur selon un autre mode de réalisation, avec le bloc d’ergol solide de la figure 5 ; - Figure 6b: a cross section of a thruster according to another embodiment, with the solid propellant block of Figure 5;
- Figure 7 : une vue partielle éclatée d’un propulseur selon un mode de réalisation ; - Figure 7: a partial exploded view of a thruster according to one embodiment;
- Figure 8 : une section transversale d’un propulseur selon un autre mode de réalisation, dans lequel le réservoir d’ergol liquide est entouré d’un bloc d’ergol solide secondaire ; - Figure 8: a cross section of a propellant according to another embodiment, in which the liquid propellant tank is surrounded by a block of secondary solid propellant;
- Figure 9 : un détail en section longitudinale d’un propulseur selon le mode de réalisation de la figure 8 ; Figure 10 : une vue partielle en section longitudinale d’un propulseur selon un mode de réalisation, montrant les liaisons entre le corps extérieur, le réservoir d’ergol liquide et la tuyère ; - Figure 9: a detail in longitudinal section of a thruster according to the embodiment of Figure 8; FIG. 10: a partial view in longitudinal section of a thruster according to one embodiment, showing the connections between the outer body, the liquid propellant tank and the nozzle;
Figure 11 : une vue éclatée du réservoir d’ergol liquide et du corps central de la tuyère d’un propulseur selon un mode de réalisation, avec une paroi déformable surmontant ledit corps central ; Figure 11: an exploded view of the liquid propellant tank and of the central body of the nozzle of a propellant according to one embodiment, with a deformable wall surmounting said central body;
Figure 12 : une vue schématique d’un propulseur hybride selon un mode de réalisation dans lequel le réservoir d’ergol liquide est à l’extérieur du corps extérieur ; Figure 12: a schematic view of a hybrid thruster according to an embodiment in which the liquid propellant tank is outside the outer body;
Figure 13 : une vue en coupe schématique d’un propulseur hybride selon un autre mode de réalisation de l’invention. Figure 13: a schematic sectional view of a hybrid thruster according to another embodiment of the invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Dans le mode de réalisation décrit ci-après, on fait référence à un système propulsif « hybride » destiné principalement aux véhicules et engins spatiaux. Cet exemple non limitatif est donné pour une meilleure compréhension de l’invention et n’exclut pas l’utilisation du système propulsif dans des missiles tactiques, des drones aériens militaires ou tout autre véhicule adapté. In the embodiment described below, reference is made to a “hybrid” propulsion system intended mainly for vehicles and spacecraft. This non-limiting example is given for a better understanding of the invention and does not exclude the use of the propulsion system in tactical missiles, military aerial drones or any other suitable vehicle.
Dans la suite de la description le terme « propulseur » désigne par extension un propulseur spatial, également appelé propulseur fusée ou moteur fusée, et plus exactement un système de propulsion spatiale, et l’expression « propulseur hybride » désigne un système de propulsion spatiale hybride à ergol solide et ergol liquide. In the remainder of the description, the term “thruster” designates by extension a space thruster, also called a rocket thruster or rocket engine, and more exactly a space propulsion system, and the expression “hybrid thruster” designates a hybrid space propulsion system. with solid propellant and liquid propellant.
Il est important de rappeler que les propulseurs hybrides de l’art antérieur, en référence aux figures 1a, 1b et 2, comportent de façon simplifiée un réservoir d’ergol liquide LP pressurisé par un système de pressurisation PS et une chambre de combustion CC stockant un ergol solide SP, dont la surface interne délimite un volume de combustion, et se terminant par une tuyère d’éjection des gaz de combustion faisant naître la poussée nécessaire à la propulsion. L’ergol liquide est poussé dans la chambre de combustion en passant par une vanne de contrôle du débit et un injecteur qui pulvérise l’ergol liquide en spray tel que schématisé sur la figure 2. Lorsque la pression dans le réservoir d’ergol liquide ne dépasse pas la pression régnant dans la chambre de combustion, une turbopompe peut être utilisée pour davantage de pression comme représenté sur la figure 1b. Dans la chambre de combustion en fonctionnement schématisée en figure 2, les gouttelettes d’ergol liquide injecté produisent, en réponse à la température locale, des espèces chimiques gazeuses LP*. De même, l’ergol solide produit des espèces chimiques gazeuses SP*. Ces espèces chimiques gazeuses se mélangent ensuite dans la chambre de combustion et régissent de façon très exothermique pour produire de nouvelles espèces chimiques jusqu’à épuisement d’un des ergols. Cette combustion peut être amorcée par une source de chaleur externe telle qu’un allumeur pyrotechnique, un arc électrique, un laser, etc., ou par décomposition exothermique spontanée de l’ergol liquide sous l’effet d’un catalyseur. It is important to remember that the hybrid propellants of the prior art, with reference to FIGS. 1a, 1b and 2, comprise, in a simplified manner, a tank of liquid propellant LP pressurized by a pressurization system PS and a combustion chamber CC storing a solid SP propellant, the internal surface of which delimits a combustion volume, and ending in a combustion gas ejection nozzle generating the thrust required for propulsion. The liquid propellant is pushed into the combustion chamber passing through a flow control valve and an injector which sprays the liquid propellant as a spray as shown schematically in FIG. 2. When the pressure in the liquid propellant tank is not does not exceed the pressure in the combustion chamber, a turbopump can be used for further pressure as shown in Figure 1b. In the combustion chamber in operation shown schematically in FIG. 2, the injected liquid propellant droplets produce, in response to the local temperature, gaseous chemical species LP * . Likewise, solid propellant produces gaseous chemical species SP * . These gaseous chemical species then mix in the combustion chamber and operate in a very exothermic manner to produce new chemical species until one of the propellants is exhausted. This combustion can be initiated by an external heat source such as a pyrotechnic igniter, an electric arc, a laser, etc., or by spontaneous exothermic decomposition of the liquid propellant under the effect of a catalyst.
La figure 3 représente un propulseur hybride 100 selon l’invention, comprenant principalement un corps extérieur 10, destiné à recevoir un ergol solide 20 qui définit une chambre de combustion 15, un réservoir central 30 pressurisé destiné à recevoir un ergol liquide 40, ledit réservoir étant placé à l’intérieur du corps extérieur et s’étendant suivant un axe longitudinal X de celui-ci, et une tuyère 50 de sortie des gaz de combustion, montée articulée sur le corps extérieur 10 au moyen de vérins 60. FIG. 3 represents a hybrid propellant 100 according to the invention, mainly comprising an outer body 10, intended to receive a solid propellant 20 which defines a combustion chamber 15, a pressurized central tank 30 intended to receive a liquid propellant 40, said tank being placed inside the outer body and extending along a longitudinal axis X thereof, and a combustion gas outlet nozzle 50, mounted articulated on the outer body 10 by means of jacks 60.
Le corps extérieur 10, selon le mode de réalisation illustré, présente une forme de cavité globalement cylindrique à base circulaire, et plus précisément comporte une paroi latérale 11 cylindrique et une paroi d’extrémité supérieure 12 légèrement galbée, de forme lenticulaire pour une meilleure résistance mécanique face aux pressions dans la chambre de combustion. De plus et pour des raisons évidentes de performances aérodynamiques et d’encombrement, le corps extérieur 10 présente une forme allongée suivant l’axe longitudinal X, réduisant ainsi la traînée (en vol atmosphérique) tout en permettant le stockage d’une quantité importante d’ergol solide 20. The outer body 10, according to the illustrated embodiment, has the shape of a generally cylindrical cavity with a circular base, and more precisely comprises a cylindrical side wall 11 and a slightly curved upper end wall 12, of lenticular shape for better resistance. mechanical to the pressures in the combustion chamber. In addition and for obvious reasons of aerodynamic performance and size, the outer body 10 has an elongated shape along the longitudinal axis X, thus reducing the drag (in atmospheric flight) while allowing the storage of a large quantity of 'solid propellant 20.
L’ergol solide 20, selon le mode de réalisation illustré, se présente sous forme d’un bloc, qui peut être d’un seul tenant (monobloc) ou obtenu par la superposition de plusieurs blocs, ayant une forme et des dimensions adaptées pour être stocké dans le corps extérieur 10. En effet, le bloc d’ergol solide 20 est de forme creuse et comporte une surface externe dont la forme épouse celle du corps extérieur 10 et une surface interne 21 de forme quelconque, comme souligné plus loin, à condition de permettre l’agencement des autres éléments du propulseur 100, notamment du réservoir central 30 dont l’agencement axial est primordial dans le cadre de la présente invention. The solid propellant 20, according to the illustrated embodiment, is in the form of a block, which can be in one piece (monoblock) or obtained by the superposition of several blocks, having a shape and dimensions suitable for be stored in the outer body 10. In fact, the solid propellant block 20 is hollow in shape and has an outer surface the shape of which matches that of the outer body 10 and an inner surface 21 of any shape, such as underlined below, on condition that the other elements of the thruster 100 can be arranged, in particular the central reservoir 30, the axial arrangement of which is essential in the context of the present invention.
La surface interne 21 du bloc d’ergol solide 20 permet en outre de délimiter la chambre de combustion 15 dont le volume augmente au fur et à mesure de la consommation dudit bloc lors de la combustion. The internal surface 21 of the solid propellant block 20 also makes it possible to delimit the combustion chamber 15, the volume of which increases as the said block is consumed during combustion.
L’ergol solide 20 peut être à base d’un matériau polymérisé ou d’un matériau thermoplastique tel qu’une cire de paraffine à combustion rapide. Par exemple, l’ergol solide 20 est du polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT), un dérivé du PBHT, ou du polyoxyméthylène (POM). The solid propellant 20 may be based on a polymerized material or on a thermoplastic material such as a fast burning paraffin wax. For example, solid propellant 20 is hydroxytelechelic polybutadiene (PBHT), a derivative of PBHT, or polyoxymethylene (POM).
L’ergol solide 20 peut également inclure des additifs métalliques tels que l’aluminium, le magnésium, le lithium ou le béryllium qui permettent d’augmenter l’impulsion spécifique du propulseur, autrement dit la vitesse des gaz éjectés. The solid propellant 20 can also include metallic additives such as aluminum, magnesium, lithium or beryllium which make it possible to increase the specific impulse of the propellant, in other words the speed of the ejected gases.
Le réservoir central 30, selon le mode de réalisation illustré, est agencé de façon coaxiale à l’intérieur du corps extérieur 10, présente une forme tubulaire cylindrique à base circulaire, ouverte à son extrémité supérieure et fermée par un fond hémisphérique, et comporte une pluralité d’injecteurs 31 répartis le long et autour dudit réservoir, un dispositif de contrôle du débit d’ergol liquide 32, un réseau de canalisations 33 alimentant les injecteurs 31 , des protections thermiques 34 et des liaisons élastiques 35 par lesquelles le réservoir central est fixé au corps extérieur 10. The central reservoir 30, according to the illustrated embodiment, is arranged coaxially inside the outer body 10, has a cylindrical tubular shape with a circular base, open at its upper end and closed by a hemispherical bottom, and comprises a plurality of injectors 31 distributed along and around said tank, a device for controlling the flow of liquid propellant 32, a network of pipes 33 supplying the injectors 31, thermal protections 34 and elastic connections 35 by which the central tank is attached to the outer body 10.
Le réservoir central 30 est destiné à contenir l’ergol liquide 40, ou selon un mode de réalisation alternatif un ergol gazeux, et nécessite donc d’être pressurisé. À cet effet, le réservoir central 30 est pourvu d’un système de pressurisation adapté, à hélium liquide par exemple ou utilisant l’ergol liquide comme indiqué plus loin, comprenant par exemple un dispositif de contrôle de la pressurisation 36, de type vanne, ainsi qu’un canal de pressurisation 37 schématisés sur la figure 3. The central tank 30 is intended to contain the liquid propellant 40, or according to an alternative embodiment a gaseous propellant, and therefore needs to be pressurized. To this end, the central tank 30 is provided with a suitable pressurization system, for example with liquid helium or using liquid propellant as indicated below, comprising for example a pressurization control device 36, of the valve type, as well as a pressurization channel 37 shown diagrammatically in FIG. 3.
En ce qui concerne la nature chimique de l’ergol liquide 40, celui-ci peut être de l’oxygène liquide (LOX) cryogénique, du peroxyde d’hydrogène (H2O2), du protoxyde d’azote (N2O), ou tout autre ergol liquide adapté. With regard to the chemical nature of liquid propellant 40, it can be cryogenic liquid oxygen (LOX), hydrogen peroxide (H2O2), nitrous oxide (N2O), or any other suitable liquid propellant.
Les injecteurs 31 , selon le mode de réalisation illustré, sont distribués radialement le long et autour du réservoir central 30, plus précisément sur une surface externe dudit réservoir, de sorte à permettre une injection la plus efficace possible, dans le volume de combustion, atteignant la quasi-totalité de la surface de combustion du bloc d’ergol solide 20 (qui est également sa surface interne 21). À cet effet, les injecteurs 31 sont disposés en rangées longitudinales, sur une majeure partie de la longueur du réservoir central 30, et suivant des sections transversales dudit réservoir, de préférences équidistantes. Les injecteurs 31 peuvent également être inclinés par rapport aux plans transversaux du réservoir central 30. The injectors 31, according to the illustrated embodiment, are distributed radially along and around the central reservoir 30, more precisely on a external surface of said reservoir, so as to allow the most efficient possible injection into the combustion volume, reaching almost the entire combustion surface of the solid propellant block 20 (which is also its internal surface 21). To this end, the injectors 31 are arranged in longitudinal rows, over a major part of the length of the central reservoir 30, and along cross sections of said reservoir, preferably equidistant. The injectors 31 can also be inclined relative to the transverse planes of the central reservoir 30.
Il est important de noter que l’emplacement des injecteurs 31 dépend de la forme de la section droite du réservoir central 30, circulaire ou polygonale, de la forme de la surface interne du bloc d’ergol solide 20 et des paramètres intrinsèques desdits injecteurs. It is important to note that the location of the injectors 31 depends on the shape of the cross section of the central tank 30, circular or polygonal, on the shape of the internal surface of the solid propellant block 20 and on the intrinsic parameters of said injectors.
En effet, les injecteurs 31 , de préférence identiques, sont caractérisés par le jet liquide pulvérisé 311 (ou spray) qui occupe une portion de l’espace délimitée par un cône non nécessairement circulaire, cette dernière sera désignée par « angle solide d’injection ». Ainsi, la prise en compte de cet angle solide d’injection permet de déterminer la disposition optimale des injecteurs 31 pour une configuration donnée en termes de formes du réservoir central 30, de la surface interne 21 du bloc d’ergol solide 20 et du nombre d’ injecteurs qui seront intégrés, de sorte à obtenir une injection uniforme sur une majeure partie du bloc d’ergol solide 20. In fact, the injectors 31, which are preferably identical, are characterized by the sprayed liquid jet 311 (or spray) which occupies a portion of the space delimited by a cone which is not necessarily circular, the latter will be designated by "solid injection angle. ". Thus, taking into account this solid injection angle makes it possible to determine the optimal arrangement of the injectors 31 for a given configuration in terms of shapes of the central reservoir 30, of the internal surface 21 of the solid propellant block 20 and of the number injectors which will be integrated, so as to obtain a uniform injection over a major part of the solid propellant block 20.
La figure 4 représente l’agencement du corps extérieur 10, du bloc d’ergol solide 20, ici à surface interne 21 circulaire, du réservoir central 30 et des injecteurs 31. Le détail de la figure 4a illustre l’injection radiale obtenue par chaque injecteur, les injecteurs étant alimentés par les canalisations 33. FIG. 4 represents the arrangement of the external body 10, of the solid propellant block 20, here with a circular internal surface 21, of the central reservoir 30 and of the injectors 31. The detail of FIG. 4a illustrates the radial injection obtained by each injector, the injectors being supplied by the pipes 33.
Des exemples d’agencements périphériques possibles des injecteurs 31 sont donnés en figures 6a et 6b, avec respectivement un agencement en carré dans le cas d’un bloc d’ergol solide 20 annulaire et un agencement polygonal régulier, ici en pentagone, dans le cas d’un bloc d’ergol solide en étoile, ici à cinq branches. Examples of possible peripheral arrangements of the injectors 31 are given in FIGS. 6a and 6b, with respectively a square arrangement in the case of an annular solid propellant block and a regular polygonal arrangement, here in pentagon, in the case of an annular solid propellant block. a solid star propellant block, here with five branches.
Cela n’est pas sans rappeler que les formes variées de la surface interne 21 du bloc d’ergol solide 20 permettent d’augmenter la surface de combustion pour un même volume d’ergol solide, cette surface de combustion favorisant le transfert thermique et améliorant la qualité de la combustion. Ainsi, la combinaison d’une surface interne d’ergol solide élargie et de la distribution des injecteurs permet d’augmenter nettement l’efficacité de la combustion par rapport aux solutions de l’art antérieur, tout en assurant une distribution homogène de l’ergol liquide dans les différentes cavités du bloc d’ergol solide (ce qui n’est pas le cas dans les solutions antérieures ayant des blocs multicanaux et un injecteur amont). This is reminiscent of the various shapes of the internal surface 21 of the solid propellant block 20 make it possible to increase the combustion surface for the same volume of solid propellant, this combustion surface favoring the heat transfer and improving the quality of combustion. Thus, the combination of an enlarged solid propellant internal surface and the distribution of the injectors makes it possible to significantly increase the efficiency of the combustion compared to the solutions of the prior art, while ensuring a homogeneous distribution of the fuel. liquid propellant in the various cavities of the solid propellant block (which is not the case in the previous solutions having multichannel blocks and an upstream injector).
La figure 5 représente un bloc d’ergol solide 20 ayant une surface interne 21 en étoile telle que celle de la figure 6b. L’intégration de ce bloc dans le propulseur est schématisée par la vue éclatée de la figure 7 qui rend également compte de la symétrie de révolution global du propulseur selon le mode de réalisation décrit. Figure 5 shows a solid propellant block 20 having a star-shaped internal surface 21 such as that of Figure 6b. The integration of this block in the thruster is shown schematically by the exploded view of Figure 7 which also reflects the overall rotational symmetry of the thruster according to the embodiment described.
Les injecteurs 31 permettent alors d’injecter de l’ergol liquide 40 dans la chambre de combustion 15 contenant l’ergol solide 20, le mélange des deux ergols produisant une combustion très exothermique qui fournit l’énergie nécessaire à la propulsion d’un engin spatial équipé du propulseur 100. La combustion est entretenue tant qu’aucun ergol, solide 20 ou liquide 40, n’est totalement consommé. De plus, l’allumage, la modulation de poussée et l’extinction du propulseur 100 restent maîtrisables par la quantité d’ergol liquide injecté dans la chambre de combustion à condition qu’il ait encore de l’ergol solide dans ladite chambre. The injectors 31 then make it possible to inject liquid propellant 40 into the combustion chamber 15 containing the solid propellant 20, the mixture of the two propellants producing a very exothermic combustion which provides the energy necessary for the propulsion of a machine. space equipped with the propellant 100. Combustion is maintained as long as no propellant, solid 20 or liquid 40, is completely consumed. In addition, the ignition, the thrust modulation and the extinction of the propellant 100 remain controllable by the amount of liquid propellant injected into the combustion chamber, provided that there is still solid propellant in said chamber.
L’ergol liquide injecté provient du réservoir central 30 en passant par le dispositif de contrôle de débit 32, qui est par exemple une vanne placée sous ledit réservoir, et par les canalisations d’alimentation 33 qui permettent d’acheminer l’ergol liquide sous pression vers les injecteurs 31. Les canalisations 33 sont par exemple à paroi mince, de préférence en alliage de cuivre, tapissant les parois du réservoir central 30 pour ainsi constituer un système de refroidissement convectif, grâce à la circulation de l’ergol liquide (qui peut être cryogénique), pour ledit réservoir soumis aux températures extrêmes de la chambre de combustion 15. The injected liquid propellant comes from the central tank 30 passing through the flow control device 32, which is for example a valve placed under said tank, and through the supply pipes 33 which allow the liquid propellant to be conveyed under pressure towards the injectors 31. The pipes 33 are for example thin-walled, preferably copper alloy, lining the walls of the central tank 30 to thus constitute a convective cooling system, thanks to the circulation of the liquid propellant (which can be cryogenic), for said tank subjected to the extreme temperatures of the combustion chamber 15.
Une protection thermique supplémentaire est apportée par les protections thermiques 34 qui viennent recouvrir une majeure partie de la surface externe du réservoir central 30, ladite surface baignant dans la chambre de combustion 15 en étant au contact direct avec les gaz de combustion. Les protections thermiques 34 consistent par exemple en un revêtement spécifique, des tuiles en matériau résistant à la chaleur, ou une couche d’ergol solide. Additional thermal protection is provided by thermal protections 34 which cover a major part of the external surface of the central tank 30, said surface bathing in the combustion chamber 15 while being in direct contact with the combustion gases. Thermal protections 34 consist for example of a specific coating, tiles made of heat-resistant material, or a layer of solid propellant.
Selon un mode de réalisation alternatif non représenté, l’alimentation des injecteurs est réalisée par une double paroi du réservoir d’ergol liquide. According to an alternative embodiment not shown, the injectors are supplied by a double wall of the liquid propellant tank.
La disposition coaxiale du réservoir central 30 à l’intérieur du bloc d’ergol solide 20 permet avantageusement aux multiples injecteurs 31 d’être en vis-à-vis et à proximité dudit bloc de sorte que les sprays 311 d’ergol liquide atteignent efficacement la surface de combustion de l’ergol solide, et ce jusqu’à épuisement de l’ergol solide. De plus, cette disposition favorise la formation de turbulences locales entretenues le long de la chambre de combustion pour un mélange amélioré des gaz. Le mélange des gaz obtenu est tel que l’énergie produite par la combustion tend à s’approcher d’un maximum théorique (obtenu lors d’une réaction totale des réactifs). Ces gaz de combustion sont ensuite éjectés par la tuyère 50 située au bout du réservoir central 30 et du corps extérieur 10. The coaxial arrangement of the central reservoir 30 inside the solid propellant block 20 advantageously allows the multiple injectors 31 to be opposite and close to said block so that the liquid propellant sprays 311 effectively reach the combustion surface of the solid propellant, until the solid propellant is used up. In addition, this arrangement promotes the formation of local turbulence maintained along the combustion chamber for improved gas mixing. The resulting mixture of gases is such that the energy produced by combustion tends to approach a theoretical maximum (obtained during a total reaction of the reactants). These combustion gases are then ejected by the nozzle 50 located at the end of the central tank 30 and of the outer body 10.
La tuyère 50, selon le mode de réalisation illustré en figure 3, est de type en pointe longue, communément appelée aerospike, connue pour ses performances, notamment son efficacité dans une large gamme d’altitudes et sa faible consommation de carburant à basse altitude, et comporte un corps central 51 entouré d’un corps annulaire 52. The nozzle 50, according to the embodiment illustrated in FIG. 3, is of the long point type, commonly called an aerospike, known for its performance, in particular its efficiency in a wide range of altitudes and its low fuel consumption at low altitude, and comprises a central body 51 surrounded by an annular body 52.
Le corps central 51 de cette tuyère aerospike 50 peut être rapporté en prolongement du réservoir central 30 par le biais d’un organe de jonction par exemple, ou de préférence, fabriqué d’un seul tenant avec un corps central contenant également ledit réservoir. The central body 51 of this aerospike nozzle 50 can be attached as an extension of the central reservoir 30 by means of a junction member, for example, or preferably made in one piece with a central body also containing said reservoir.
Le corps central 51 de la tuyère aerospike 50 présente une forme conique, parfois légèrement en hyperboloïde de révolution tronqué, définissant une rampe qui canalise le jet de gaz et qui, par conséquent, doit être refroidie en fonctionnement. À cet effet, le corps central 51 est doté d’un système de refroidissement 511 alimenté par un liquide de refroidissement 512 stocké dans une cavité délimitée par ledit corps central. The central body 51 of the aerospike nozzle 50 has a conical shape, sometimes slightly of a truncated hyperboloid of revolution, defining a ramp which channels the gas jet and which, therefore, must be cooled in operation. To this end, the central body 51 is provided with a cooling system 511 supplied by a cooling liquid 512 stored in a cavity delimited by said central body.
Le liquide de refroidissement 512, qui peut être de même nature que l’ergol liquide 40 ou une autre substance chimique, peut également servir, après vaporisation, à alimenter le système de pressurisation 36 et 37 du réservoir central 30. Selon un mode de réalisation alternatif non représenté, le corps central de la tuyère aerospike constitue le fond du réservoir d’ergol liquide de sorte que l’ergol liquide serve de fluide caloporteur pour refroidir ledit corps. Ainsi, une partie du fluide alimente les injecteurs pour être injectée dans la chambre de combustion et l’autre partie, vaporisée, est utilisée par le système de pressurisation. The cooling liquid 512, which can be of the same nature as the liquid propellant 40 or another chemical substance, can also be used, after vaporization, to supply the pressurization system 36 and 37 of the central tank 30. According to an alternative embodiment not shown, the central body of the aerospike nozzle constitutes the bottom of the liquid propellant reservoir so that the liquid propellant serves as a coolant to cool said body. Thus, part of the fluid feeds the injectors to be injected into the combustion chamber and the other part, vaporized, is used by the pressurization system.
Le corps annulaire 52 de la tuyère aerospike 50 est quant à lui situé au niveau de l’extrémité inférieure du corps extérieur 10 du propulseur et présente ainsi une forme adaptée en continuité dudit corps extérieur. Le corps annulaire 52 définit également des rampes d’éjection des gaz et nécessite, par là-même, d’être refroidi en fonctionnement. Cela est réalisé, comme dans le cas du corps central 51 , via un système de refroidissement 521 alimenté par un liquide de refroidissement 522 stocké dans des cavités internes du corps annulaire 52. The annular body 52 of the aerospike nozzle 50 is for its part located at the level of the lower end of the outer body 10 of the thruster and thus has a shape adapted in continuity with said outer body. The annular body 52 also defines gas ejection ramps and therefore needs to be cooled in operation. This is achieved, as in the case of the central body 51, via a cooling system 521 supplied with a cooling liquid 522 stored in internal cavities of the annular body 52.
En outre, le corps annulaire 52 de la tuyère peut être rapporté sur le corps extérieur 10 du propulseur par des moyens de jonction adaptés, ou de préférence fabriqué d’un seul tenant avec ledit corps extérieur pour un meilleur aérodynamisme et plus de tenue mécanique. In addition, the annular body 52 of the nozzle can be attached to the outer body 10 of the thruster by suitable connecting means, or preferably made in one piece with said outer body for better aerodynamics and more mechanical strength.
Dans le propulseur 100, selon le mode de réalisation illustré, la tuyère aerospike 50 présente une mobilité relative par rapport au corps extérieur 10, par son corps central 51 qui est supporté radialement par au moins un vérin 60 lui permettant de dévier sensiblement par rapport à l’axe longitudinal X du propulseur. Le corps central 51 peut être relié au corps extérieur 10 par plusieurs vérins 60 répartis uniformément autour dudit corps central. In the thruster 100, according to the illustrated embodiment, the aerospike nozzle 50 has a relative mobility with respect to the outer body 10, by its central body 51 which is supported radially by at least one jack 60 allowing it to deviate substantially with respect to the longitudinal axis X of the thruster. The central body 51 can be connected to the outer body 10 by several jacks 60 distributed uniformly around said central body.
Par exemple, le corps central 51 de la tuyère est relié au corps extérieur 10 par quatre vérins 60 agencés symétriquement de sorte à pouvoir pointer dans différentes directions sensiblement inclinées par rapport à l’axe longitudinal X. For example, the central body 51 of the nozzle is connected to the outer body 10 by four cylinders 60 arranged symmetrically so as to be able to point in different directions substantially inclined relative to the longitudinal axis X.
Les vérins 60 sont par exemple des vérins double effet pneumatiques alimentés par le surplus du gaz de pressurisation, lui-même issu des vaporisations des liquides de refroidissement de la tuyère 50. The cylinders 60 are for example double-acting pneumatic cylinders supplied with the surplus pressurization gas, itself resulting from the vaporizations of the cooling liquids from the nozzle 50.
Le corps central 51 de la tuyère étant solidaire du réservoir central 30, ce dernier doit avoir un certain degré de mobilité par rapport au corps extérieur 10 du propulseur pour suivre les mouvements dudit corps central. De ce fait, le réservoir central 30 est fixé au corps extérieur 10 au moyen des liaisons élastiques 35 qui fonctionnent en accordéon pour permettre les déformations élastiques du réservoir central 30 en réponse aux mouvements du corps central 51 de la tuyère aerospike 50. The central body 51 of the nozzle being integral with the central reservoir 30, the latter must have a certain degree of mobility with respect to the outer body 10 of the thruster in order to follow the movements of said central body. As a result, the central reservoir 30 is fixed to the outer body 10 by means of elastic links 35 which work in accordion fashion to allow elastic deformations of the reservoir. central 30 in response to the movements of the central body 51 of the aerospike nozzle 50.
Les mouvements du corps central 51 de la tuyère permettent de modifier l’excentricité et la section du col de la tuyère de sorte à orienter la poussée pendant le fonctionnement du propulseur 100. The movements of the central body 51 of the nozzle make it possible to modify the eccentricity and the section of the neck of the nozzle so as to orient the thrust during the operation of the thruster 100.
Préférablement et selon le mode de réalisation de la figure 10, le réservoir central 30 est fixe par rapport au corps extérieur 10 en étant centré et maintenu au niveau de sa partie inférieure par des bielles 61 réglables en longueur disposées radialement entre ledit réservoir et ledit corps extérieur ; et le corps central 51 de la tuyère aerospike 50 est relié au réservoir central 30 par une liaison rotule, ou de préférence, une liaison glissière combinée à une liaison rotule 62, ainsi que par des actionneurs 63 tels que des vérins. Preferably and according to the embodiment of FIG. 10, the central reservoir 30 is fixed relative to the outer body 10 by being centered and maintained at the level of its lower part by connecting rods 61 adjustable in length arranged radially between said reservoir and said body. exterior; and the central body 51 of the aerospike nozzle 50 is connected to the central reservoir 30 by a ball joint, or preferably a slide connection combined with a ball joint 62, as well as by actuators 63 such as jacks.
Les bielles 61 permettent de régler le centrage du réservoir central 30 lors de l’assemblage final du propulseur, pour rattraper un décentrage résiduel après fabrication ou assemblage initial. The connecting rods 61 are used to adjust the centering of the central tank 30 during the final assembly of the thruster, to make up for any residual off-center after manufacture or initial assembly.
Une liaison rotule seule entre le corps central 51 de tuyère et le réservoir central 30 permet de modifier l’orientation dudit corps. En revanche, une double liaison glissière - rotule permet, outre l’inclinaison du corps central 51 , de régler la section du col de la tuyère aerospike 50. A single ball joint between the central body 51 of the nozzle and the central reservoir 30 allows the orientation of said body to be changed. On the other hand, a double slide-ball joint connection makes it possible, in addition to the inclination of the central body 51, to adjust the section of the neck of the aerospike nozzle 50.
En outre, la jonction entre le corps central 51 et le réservoir central 30 peut être réalisée par deux pièces métalliques annulaires écartées 65 longitudinalement l’une de l’autre pour permettre leur mouvement relatif en réponse au mouvement du corps central de tuyère. Alternativement et en référence à la figure 11, cette jonction peut être réalisée au moyen d’une paroi souple 513 qui se déforme en accordéon sous l’effet des mouvements du corps central 51 de la tuyère aerospike 50. In addition, the junction between the central body 51 and the central reservoir 30 can be made by two annular metal parts 65 spaced apart longitudinally from one another to allow their relative movement in response to the movement of the central nozzle body. Alternatively and with reference to Figure 11, this junction can be made by means of a flexible wall 513 which deforms in an accordion shape under the effect of the movements of the central body 51 of the aerospike nozzle 50.
Selon le mode de réalisation des figures 8 et 9, le propulseur hybride comporte en outre un bloc d’ergol solide secondaire 25 disposé en couche autour du réservoir central 30. Des ouvertures recevant les injecteurs 31 sont ménagées dans le bloc 25. Ce bloc supplémentaire permet de produire davantage d’espèces chimiques gazeuses sous l’effet de la température de la chambre de combustion, améliorant encore plus le mélange des ergols. Compte tenu de l’invention, il apparait clairement que des modifications mineures peuvent être appliquées au propulseur hybride, et plus particulièrement à la géométrie et à l’agencement du réservoir d’ergol liquide et des injecteurs, sans pour autant sortir du cadre de l’invention dont l’objet principal est revendiqué ci-après. According to the embodiment of FIGS. 8 and 9, the hybrid propellant further comprises a block of secondary solid propellant 25 arranged in a layer around the central tank 30. Openings receiving the injectors 31 are made in the block 25. This additional block allows the production of more gaseous chemical species under the effect of the temperature of the combustion chamber, further improving the mixing of propellants. In view of the invention, it clearly appears that minor modifications can be applied to the hybrid propellant, and more particularly to the geometry and the arrangement of the liquid propellant tank and of the injectors, without however departing from the scope of the invention. invention, the main object of which is claimed below.
Par exemple, la figure 12 représente une architecture alternative selon l’invention dans laquelle le réservoir central 30 est placé à l’extérieur du corps extérieur 10, en étant relié à un système d’injection 70 pourvu d’une pluralité d’injecteurs 71 et placé à l’intérieur dudit corps extérieur, le long du bloc d’ergol solide 20. For example, FIG. 12 represents an alternative architecture according to the invention in which the central reservoir 30 is placed outside the outer body 10, being connected to an injection system 70 provided with a plurality of injectors 71 and placed inside said outer body, along the solid propellant block 20.
La figure 13 représente un propulseur hybride 100’ selon un autre mode de réalisation, dans lequel la chambre de combustion 15 présente une forme annulaire avec deux pains d’ergol solide 20a et 20b fixés respectivement sur une paroi interne et une paroi externe de ladite chambre. La paroi interne sur laquelle est fixé le premier pain 20a d’ergol solide délimite le réservoir central 30 d’ergol liquide. FIG. 13 represents a hybrid propellant 100 'according to another embodiment, in which the combustion chamber 15 has an annular shape with two blocks of solid propellant 20a and 20b respectively fixed on an internal wall and an external wall of said chamber. . The internal wall on which is fixed the first block 20a of solid propellant delimits the central reservoir 30 of liquid propellant.
L’ergol liquide 40 est auto-pressurisé par ébullition, la chaleur nécessaire étant apportée par le fluide caloporteur 512 qui permet de refroidir les parois de la tuyère 50 selon un cycle thermodynamique fermé. The liquid propellant 40 is self-pressurized by boiling, the necessary heat being provided by the coolant 512 which allows the walls of the nozzle 50 to be cooled according to a closed thermodynamic cycle.
Selon ce mode de réalisation, le propulseur 100’ comprend un dôme d’injection 13 permettant d’apporter de l’ergol liquide gazéifié 41 provenant de la partie supérieure du réservoir 30 dans la chambre de combustion 15. According to this embodiment, the propellant 100 ’comprises an injection dome 13 making it possible to supply gasified liquid propellant 41 from the upper part of the tank 30 into the combustion chamber 15.
Ainsi, une combustion en mélange riche (excès d’ergol solide et défaut d’ergol liquide) se produit dans la chambre de combustion 15 et permet de vaporiser l’ergol solide sans produire des gaz de combustion très chauds. Les gaz produits passent ensuite au travers d’un système d’injection inférieur 75 qui permet d’apporter l’ergol liquide gazéifié manquant pour rendre la combustion complète. Le mélange s’effectue dans une post-chambre de combustion 16 délimitée par les parois de la tuyère 50. Thus, combustion in a rich mixture (excess of solid propellant and lack of liquid propellant) occurs in the combustion chamber 15 and makes it possible to vaporize the solid propellant without producing very hot combustion gases. The gases produced then pass through a lower injection system 75 which supplies the missing gasified liquid propellant to complete combustion. The mixing takes place in a post-combustion chamber 16 delimited by the walls of the nozzle 50.
En outre, les pains cylindriques d’ergol solide 20a et 20b protègent thermiquement les parois de la chambre de combustion sur lesquelles ils sont fixés. Selon le mode de réalisation de la figure 13, la chambre de combustion 15 présente des cavités amont 151 et aval 152 sans ergol solide et comporte donc des protections thermiques 155 additionnelles. In addition, the cylindrical blocks of solid propellant 20a and 20b thermally protect the walls of the combustion chamber to which they are fixed. According to the embodiment of FIG. 13, the combustion chamber 15 has upstream 151 and downstream 152 cavities without solid propellant and therefore comprises additional thermal protections 155.
Le propulseur hybride 100’ comprend un échangeur thermique 80 permettant l’ébullition de l’ergol liquide 40 et donc son auto-pressurisation au sein du réservoir 30. The hybrid propellant 100 ’comprises a heat exchanger 80 allowing the boiling of the liquid propellant 40 and therefore its self-pressurization within the tank 30.
L’ergol liquide vaporisé 41 permet d’alimenter la combustion à la fois dans la chambre de combustion 15 et la post-chambre de combustion 16. L’alimentation vers les injecteurs supérieurs 31a et inférieurs 31b est contrôlée par un régulateur de débit et une vanne double voie 38. The vaporized liquid propellant 41 makes it possible to feed the combustion both in the combustion chamber 15 and the post-combustion chamber 16. The feed to the upper 31a and lower 31b injectors is controlled by a flow regulator and a double-way valve 38.
Le système d’injection inférieur 75 permet de faire transiter les gaz issus de la chambre de combustion 15 vers la post-chambre de combustion 16, de supporter une série d’injecteurs inférieurs 31b et de faire passer le fluide caloporteur de refroidissement 512 issu des parois extérieures vers l’échangeur thermique 80, celui-ci étant situé au centre du propulseur au-dessous du réservoir 30 d’ergol liquide. The lower injection system 75 makes it possible to pass the gases from the combustion chamber 15 to the post-combustion chamber 16, to support a series of lower injectors 31b and to pass the coolant heat transfer fluid 512 from the outer walls towards the heat exchanger 80, the latter being located in the center of the propellant below the tank 30 of liquid propellant.
La tuyère aerospike 50 est refroidie par la circulation du fluide caloporteur dans ses doubles parois 51 et 52 (systèmes de refroidissement). Le fluide caloporteur 512 transporte l'énergie thermique par chaleur sensible (échauffement) et éventuellement latente (vaporisation). Le fluide caloporteur est refroidi dans l'échangeur thermique et réinjecté dans sa zone de stockage. Une pompe 55 peut servir à forcer le fluide caloporteur à effectuer son cycle de refroidissement. The aerospike nozzle 50 is cooled by the circulation of the heat transfer fluid in its double walls 51 and 52 (cooling systems). The heat transfer fluid 512 transports thermal energy by sensible heat (heating) and possibly latent (vaporization). The heat transfer fluid is cooled in the heat exchanger and reinjected into its storage area. A pump 55 can be used to force the coolant to complete its cooling cycle.
Ainsi, le double pain d'ergol solide permet de multiplier par deux la surface mouillée sans complexifier la géométrie (pas de canaux multiples). La disposition avec le réservoir d'oxydant à l'intérieur permet d'obtenir une compacité élevée et un rapport longueur sur diamètre compatible avec une application d'étage de lanceur. Thus, the double block of solid propellant makes it possible to double the wetted surface without complicating the geometry (no multiple channels). The arrangement with the oxidant reservoir inside achieves high compactness and a length-to-diameter ratio compatible with a launcher stage application.
Les pains d'ergols solides permettent de fournir une protection thermique totale sur les deux parois (interne et externe). La combustion incomplète dans la chambre de combustion permet aussi de réduire les contraintes thermiques en fin de fonctionnement quand les pains d'ergol solide ne sont plus assez épais pour fournir une protection thermique suffisante. La combustion incomplète offre également la possibilité d'obtenir un rapport de mélange souhaité voire optimal grâce à la seconde injection d'ergol liquide vaporisé dans la post-chambre de combustion. Cette architecture n'est pas affectée par le décalage en rapport de mélange dû à l'ouverture du canal de la chambre de combustion. The solid propellant blocks provide total thermal protection on both walls (internal and external). Incomplete combustion in the combustion chamber also makes it possible to reduce thermal stresses at the end of operation when the solid propellant blocks are no longer thick enough to provide sufficient thermal protection. Incomplete combustion also offers the possibility of obtaining a desired or even optimal mixing ratio thanks to the second injection of liquid propellant vaporized into the post-combustion chamber. This architecture is not affected by the shift in mixing ratio due to the opening of the combustion chamber channel.
L'injection d'ergol liquide vaporisé évite les instabilités de combustion dues aux interactions liquides (gouttelettes) avec les gaz dans les chambres de combustion. Les injecteurs sont aussi moins complexes que s'ils devaient injecter un fluide à l'état liquide. The injection of vaporized liquid propellant avoids combustion instabilities due to liquid interactions (droplets) with the gases in the combustion chambers. The injectors are also less complex than if they had to inject a fluid in the liquid state.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Propulseur hybride (100, 100’), notamment pour véhicule ou engin spatial, comprenant un corps extérieur (10) dans lequel est stocké un ergol solide (20), s’étendant suivant une direction longitudinale X du corps extérieur, un réservoir pressurisé (30) contenant un ergol liquide ou gazeux (40), et une tuyère (50) d’éjection des gaz produits de la combustion des ergols, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité d’injecteurs (31) d’ergol liquide ou gazeux agencés axialement entre des parties de l’ergol solide, et en ce que l’ergol solide comprend au moins un bloc cylindrique creux, 1. Hybrid thruster (100, 100 '), in particular for vehicle or spacecraft, comprising an outer body (10) in which is stored a solid propellant (20), extending in a longitudinal direction X of the outer body, a tank pressurized (30) containing a liquid or gaseous propellant (40), and a nozzle (50) for ejecting the gases produced from the combustion of the propellants, characterized in that it comprises a plurality of propellant injectors (31) liquid or gas arranged axially between parts of the solid propellant, and in that the solid propellant comprises at least one hollow cylindrical block,
2. Propulseur selon la revendication 1, dans lequel des injecteurs (31) d’ergol liquide ou gazeux sont agencés le long d’une surface interne (21) de l’ergol solide (20). 2. Propellant according to claim 1, wherein injectors (31) of liquid or gaseous propellant are arranged along an internal surface (21) of the solid propellant (20).
3. Propulseur selon la revendication 2, dans lequel le réservoir pressurisé (30) est placé à l’intérieur du corps extérieur (10), entouré par l’ergol solide (20), et dans lequel les injecteurs (31) sont disposés le long et autour dudit réservoir. 3. Propellant according to claim 2, wherein the pressurized tank (30) is placed inside the outer body (10), surrounded by the solid propellant (20), and in which the injectors (31) are arranged on the long and around said reservoir.
4. Propulseur selon la revendication 3, dans lequel les injecteurs (31) sont disposés uniformément en rangées longitudinales, suivant un axe longitudinal du réservoir pressurisé (30), et en rangées radiales, par rapport audit axe longitudinal, les rangées radiales étant équidistantes. 4. Thruster according to claim 3, wherein the injectors (31) are arranged uniformly in longitudinal rows, along a longitudinal axis of the pressurized tank (30), and in radial rows, with respect to said longitudinal axis, the radial rows being equidistant.
5. Propulseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps extérieur (10) et le réservoir pressurisé (30) sont coaxiaux. 5. Thruster according to any one of the preceding claims, in which the outer body (10) and the pressurized tank (30) are coaxial.
6. Propulseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ergol liquide ou gazeux (40) contenu dans le réservoir pressurisé (30) est envoyé dans les injecteurs (31) via un dispositif de contrôle de débit (32) et des canalisations (33). 6. Thruster according to any one of the preceding claims, in which the liquid or gaseous propellant (40) contained in the pressurized tank (30) is sent to the injectors (31) via a flow control device (32) and pipes (33).
7. Propulseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tuyère (50) est de type aerospike et comporte un corps central (51) solidaire du réservoir pressurisé (30) et un corps annulaire (52) solidaire du corps extérieur (10) dudit propulseur. 7. Thruster according to any one of the preceding claims, wherein the nozzle (50) is of the aerospike type and comprises a central body (51) integral with the pressurized tank (30) and an annular body (52) integral with the outer body ( 10) of said propellant.
8. Propulseur selon la revendication 7, dans lequel le corps centrai (51) de la tuyère (50) est relié au réservoir pressurisé (30) au moyen d’une liaison (82) rotule et/ou glissière et d’actionneurs (83), de type vérins, de sorte à permettre de manœuvrer ladite tuyère en modifiant la section de son col et/ou l'inclinaison dudit corps central par rapport audit axe longitudinal. 8. Thruster according to claim 7, wherein the central body (51) of the nozzle (50) is connected to the pressurized tank (30) by means of a connection (82) ball and / or slide and actuators (83 ), of the jacks type, so as to allow said nozzle to be maneuvered by modifying the section of its neck and / or the inclination of said central body with respect to said longitudinal axis.
9. Propulseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réservoir pressurisé (30) est fixé au corps extérieur (10) au moyen de bielles (81) au niveau de son extrémité inférieure, lesdites bielles étant agencées radialement par rapport à un axe longitudinal dudit réservoir. 9. Thruster according to any one of the preceding claims, wherein the pressurized tank (30) is fixed to the outer body (10) by means of connecting rods (81) at its lower end, said connecting rods being arranged radially with respect to a longitudinal axis of said reservoir.
10. Propulseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ergo! solide (20) est à base d’un polymère ou d’une dre de paraffine, et l’ergol liquide (40) est de l’oxygène liquide cryogénique, du peroxyde d’hydrogène ou du protoxyde d’azote. 10. A thruster according to any preceding claim, wherein the ergo! solid (20) is based on a polymer or dre of paraffin, and liquid propellant (40) is cryogenic liquid oxygen, hydrogen peroxide or nitrous oxide.
11. Véhicule aérospatial de type lanceur caractérisé en ce qu’il comporte un propulseur hybride (100) selon l’une des revendications précédentes. 11. A launcher type aerospace vehicle characterized in that it comprises a hybrid propellant (100) according to one of the preceding claims.
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