FR2640322A1 - Moteur-fusee ou moteur combine pour vehicule spatial a circuit hydraulique auxiliaire essentiellement ferme - Google Patents
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Abstract
Un circuit hydraulique auxiliaire 101 essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire distinct des flux principaux d'ergols d'alimentation du moteur est prévu pour relier une source froide constituée par un premier échangeur 95, 103 situé sur un organe de stockage ou de transport 94 d'ergol et une source chaude constituée par un second échangeur 106 incorporé dans le moteur. Ledit circuit hydraulique auxiliaire fermé 101 sert à l'entraînement d'une turbine 107 de turbo-pompe 105, 107 de recirculation du fluide caloporteur auxiliaire et d'au moins une turbine 77, 97 d'entraînement d'au moins un organe récepteur de puissance mécanique 73, 93 indépendant du circuit hydraulique auxiliaire 101. La puissance mécanique consommée par l'organe récepteur de puissance 73, 93 peut être réglée pour modifier la quantité d'échanges thermiques effectués par le circuit hydraulique auxiliaire 101.
Description
Noteur-fusée ou moteur combiné pour véhicule spatial a circuit
hydraulique auxiliaire essentiellement fermé.
hydraulique auxiliaire essentiellement fermé.
La présente invention a pour objet un moteur-fusée ou moteur combiné pour véhicule spatial1 comprenant au moins un récepteur de puissance mécanique entraîné par une turbine, et au moins un circuit hydraulique reliant une source froide à une source chaude.
Les avions spatiaux, et plus généralement les aéronefs destinés à évoluer dans l'atmosphère en utilisant en partie ou en totalité l'oxygène de l'air comme comburant, puis dans l'espace à l'aide d'un moteur de type fusée brûlant des ergols embarqués au sol, ont des besoins en refroidissement très importants lors de leur phase de vol atmosphérique tant au niveau des propulseurs qu'au niveau des structures externes du planeur.
Par ailleurs, certains types de propulseurs utilisés lors de la phase de vol atmosphérique présentent également des besoins en prélèvement de calories très importants et liés directement à leur cycle thermodynamique.
I1 est ainsi important de pouvoir assurer au sein d'un moteur-fusée ou d'un moteur combiné des transferts thermiques qui tendent à optimiser le fonctionnement du moteur.
On connait par ailleurs parmi les cycles de moteur-fusée classiques le cycle expander qui présente un intérêt reconnu du fait de ses bonnes performances puisqu'il n'y a pas de pertes par débit dérivé, et de sa simplicité puisque c'est un cycle sans générateur de gaz. Selon ce cycle expander, le fluide froid constitué par l'un des ergols, par exemple le combustible, pompé à partir du réservoir d'ergol qui constitue une source froide, circule le long des parois du divergent et de la chambre propulsive du moteur-fusée qui constituent une source chaude, puis le fluide réchauffé assure l'entraînement des turbines des turbopompes servant au pompage des ergols avant d'être injecté dans la chambre de combustion.
Le cycle expander présente des inconvénients dans la mesure où il nécessite des pressions de sortie des turbopompes beaucoup plus élevées que la pression de la chambre de combustion, et que la pression réalisable dans la chambre de combustion est elle-même limitée, ce qui, à encombrement moteur donné, limite la performance.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur et à permettre, avec un encombrement compatible avec une application à des avions spatiaux et des fusées, d'assurer dans un moteur-fusée ou un moteur combiné un refroidissement efficace des sources chaudes, qui permet une meilleure tenue des organes concernés, ainsi que l'amélioration du rendement de la liquéfaction d'air dans les moteurs combinés, tout en conduisant à un accroissement sensible des performances de l'ensemble propulsif, notamment de l'impulsion spécifique, par une exploitation optimale de la chaleur récupérée par les sources froides.
Ces buts sont atteints grâce à un moteur-fusée ou moteur combiné pour véhicule spatial, comprenant au moins un récepteur de puissance mécanique entraîné par une turbine, et au moins un circuit hydraulique reliant une source froide à une source chaude, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit hydraulique auxiliaire essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire distinct des flux principaux d'ergols d'alimentation du moteur et reliant une source froide constituée par un premier échangeur situé sur un organe de stockage ou de transport d'ergol et une source chaude constituée par un second échangeur incorporé dans le moteur et en ce que ledit circuit hydraulique auxiliaire fermé sert à l'entraînement d'une turbine de turbo-pompe de recirculation du fluide caloporteur auxiliaire et d'au moins une turbine d'entraînement d'au moins un organe récepteur de puissance mécanique indépendant du circuit hydraulique auxiliaire.
L'utilisation d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé permet d'utiliser un fluide caloporteur auxiliaire qui peut être distinct des ergols, auquel cas on évite les problèmes éventuels liés à l'utilisation des ergols dans le circuit de refroidissement ou les turbines, tels que par exemple, la cokefaction des hydrocarbures dans les circuits de refroidissement et les dépôts de carbone dans les turbines. Toutefois, il est aussi possible de choisir comme fluide caloporteur un produit identique à l'un des ergols alimentant la chambre de combustion tel que l'ergol combustible qui peut être par exemple de l'hydrogène.
La source chaude constituant le deuxième échangeur peut être aussi bien la paroi de la chambre de combustion principale qu'une paroi externe ou une prise d'air du véhicule spatial, refroidie par circulation de fluide, ou encore un échangeur thermique destiné à refroidir un flux d'air atmosphérique ou un condenseur destiné à liquéfier ce flux d'air atmosphérique destiné à être ensuite pressurisé et injecté dans la chambre de combustion.
Selon un mode particulier de réalisation, le deuxième échangeur est constitué par une partie de la paroi de la chambre de combustion refroidie par circulation du fluide caloporteur auxiliaire tandis qu'une autre partie de la paroi de la chambre de combustion est refroidie par un circuit distinct de circulation d'un ergol destiné à alimenter la chambre de combustion à travers un injecteur.
La source froide constituant le premier échangeur peut être constitué par un serpentin parcouru par le fluide caloporteur auxiliaire et placé dans l'un des réservoirs d'ergols ou par un réchauffeur d'ergol placé sur l'une ou l'autre des tuyauteries d'ergols alimentant la chambre de combustion.
L'énergie mécanique produite est utilisée pour la circulation des divers fluides : ergols et fluide caloporteur, l'énergie étant transmise directement entre turbine et pompe par un arbre ou un accouplement mécanique. L'excédent éventuel d'énergie mécanique produite peut servir par exemple à entraîner un alternateur pour la recharge de batteries.
Selon un aspect de la présente invention, l'organe récepteur de puissance mécanique coopère avec des moyens de réglage de ladite puissance mécanique consommée par cet organe récepteur afin de modifier la quantité d'échanges thermiques effectués par ledit circuit hydraulique auxiliaire.
La possibilité de faire varier, selon les phases du vol, les proportions d'énergie prélevées sur la source chaude, et affectées respectivement à l'échauffement de la source froide et à la production d'énergie mécanique permet d'accroître sensiblement les performances de l'ensemble propulsif par une exploitation optimale de la chaleur récupérée par les sources froides.
Afin de permettre les réglages nécessaires, un dispositif de régulation de pression et un vase d'expansion sont installés sur le circuit hydraulique fermé.
Toutefois, dans le cas où le fluide auxiliaire est un produit identique à l'un des ergols alimentant la chambre de combustion, le moteur-fusée ou moteur combiné peut comprendre des moyens de régénération par. le prélèvement contrôlé de fluide chaud en un point du circuit hydraulique auxiliaire et l'apport contrôlé de fluide froid en un autre point du circuit hydraulique auxiliaire à partir du circuit principal d'alimentation en ergol de la chambre de combustion.
L'invention peut être mise en oeuvre de façons très diverses.
Ainsi, l'invention peut s'appliquer aux moteurs-fusées ou moteurs combinés à liquéfaction d'air équipés d'un système de transfert de calories par fluide caloporteur vers les réservoirs d'ergols destinés à augmenter les performances du système liquéfacteur d'air.
Dans ce cas, un circuit hydraulique auxiliaire fermé réalisé conformément à la présente invention comprend un système pompe-turbine qui délivre une puissance mécanique sur son axe de rotation. L'introduction d'une telle turbo-machine sur le circuit de fluide caloporteur permet d'augmenter la puissance du système liquéfacteur d'air et de générer une puissance mécanique facilement utilisable par une pompe par exemple, tout en conservant constante la puissance thermique transférée à la source froide que constituent les ergols stockés dans les réservoirs.
Il est ainsi possible d'augmenter l'impulsion spécifique du propulseur à capacités constantes de stockage des calories dans les réservoirs d'ergols. La puissance mécanique générée peut servir par exemple à comprimer le débit d'air liquide pour l'injecter dans la chambre de combustion.
Dans une application à un moteur combiné à turbopropulseur, conformément à l'invention, le circuit hydraulique auxiliaire fermé est associé au turbo-propulseur et relie un premier échangeur situé sur une canalisation de transport d'ergol comburant et un second échangeur constitué par une paroi de chambre propulsive aérobie et le circuit hydraulique auxiliaire fermé sert à l'entraînement d'une turbine de turbo-pompe de recirculation de fluide caloporteur auxiliaire et d'au moins une turbine d'entrainement d'un compresseur aérobie.
Par ailleurs, l'invention permet de remédier aux inconvénients des moteurs-fusées ou moteurs combinés à cycle expander classique en mettant en oeuvre un cycle à génération de puissance en circuit fermé à l'aide d'un circuit hydraulique auxiliaire essentiellement fermé parcouru par un fluide calorifique auxiliaire, lequel circuit hydraulique auxiliaire permet de limiter les niveaux de pression en sortie d'une pompe à une pression de chambre donnée et d'augmenter le niveau de pression réalisable dans la chambre.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'un exemple particulier de réalisation d'un circuit hydraulique auxiliaire essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire conformément à l'invention et destiné aux transferts de chaleur dans un aéronef à ergols cryogéniques en fournissant en outre une énergie mécanique,
- la figure 2 est une vue schématique du circuit de la figure 1 appliqué à un moteur-fusée ou moteur combiné à liquéfaction d'air,
- la figure 3 est une vue schématique d'un moteur-fusée classique à cycle expander,
- la figure 4 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire et transférant de la chaleur entre une source chaude constituée par une paroi de la chambre de combustion et une source froide comprenant un échangeur situé sur l'une des tuyauteries d'ergols alimentant la chambre de combustion,
- la figure 5 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel la source froide comprend deux échangeurs respectivement situés sur les première et deuxième tuyauteries d'ergols alimentant la chambre de combustion,
- la figure 6 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel la source froide est constituée non pas par un échangeur situé sur une ligne d'alimentation en ergol mais par un échangeur situé dans un réservoir d'ergol,
- la figure 7 est une vue schématique d'un moteur-fusée analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel un échange de chaleur est en outre réalisé entre au moins une partie de la paroi de la chambre de combustion et un circuit principal d'alimentation de la chambre en ergol,
- la figure 8 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire mis en recirculation et constitué par l'un des ergols d'alimentation de la chambre de combustion, lequel circuit auxiliaire comprend des moyens de régénération contrôlée dudit ergol,
- la figure 9 est une vue schématique d'un moteur-fusée analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel l'une des turbo-pompes d'alimentation en ergols est actionnée de façon classique à partir d'un générateur de gaz, et
- la figure 10 est une vue schématique montrant la mise en oeuvre d'un générateur de puissance en circuit fermé selon l'invention appliqué à un moteur aérobie.
- la figure 1 est une vue schématique d'un exemple particulier de réalisation d'un circuit hydraulique auxiliaire essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire conformément à l'invention et destiné aux transferts de chaleur dans un aéronef à ergols cryogéniques en fournissant en outre une énergie mécanique,
- la figure 2 est une vue schématique du circuit de la figure 1 appliqué à un moteur-fusée ou moteur combiné à liquéfaction d'air,
- la figure 3 est une vue schématique d'un moteur-fusée classique à cycle expander,
- la figure 4 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire et transférant de la chaleur entre une source chaude constituée par une paroi de la chambre de combustion et une source froide comprenant un échangeur situé sur l'une des tuyauteries d'ergols alimentant la chambre de combustion,
- la figure 5 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel la source froide comprend deux échangeurs respectivement situés sur les première et deuxième tuyauteries d'ergols alimentant la chambre de combustion,
- la figure 6 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel la source froide est constituée non pas par un échangeur situé sur une ligne d'alimentation en ergol mais par un échangeur situé dans un réservoir d'ergol,
- la figure 7 est une vue schématique d'un moteur-fusée analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel un échange de chaleur est en outre réalisé entre au moins une partie de la paroi de la chambre de combustion et un circuit principal d'alimentation de la chambre en ergol,
- la figure 8 est une vue schématique d'un moteur-fusée équipé d'un circuit hydraulique auxiliaire essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire mis en recirculation et constitué par l'un des ergols d'alimentation de la chambre de combustion, lequel circuit auxiliaire comprend des moyens de régénération contrôlée dudit ergol,
- la figure 9 est une vue schématique d'un moteur-fusée analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel l'une des turbo-pompes d'alimentation en ergols est actionnée de façon classique à partir d'un générateur de gaz, et
- la figure 10 est une vue schématique montrant la mise en oeuvre d'un générateur de puissance en circuit fermé selon l'invention appliqué à un moteur aérobie.
Si l'on considère tout d'abord la figure 1 on voit un circuit hydraulique fermé 1 comprenant un ensemble de canalisation 2 parcourues par un fluide caloporteur. Une turbomachine 5, 7 est située sur le circuit hydraulique 1.
Le fluide caloporteur passe à travers un échangeur thermique 3 qui est situé dans ou sur une source froide. Dans l'exemple de la figure 1, l'échangeur 3 comprend un serpentin placé dans un ergol stocké dans un réservoir 4. L'échangeur 3 pourrait toutefois également être constitué par un échangeur de chaleur coopérant avec une ligne d'alimentation en ergol.
Le fluide caloporteur sortant de l'échangeur thermique 3 est pressurisé fortement à l'aide d'une pompe 5 s'il est liquide ou d'un compresseur s'il est gazeux, puis est échauffé et éventuellement vaporisé dans un second échangeur de mise en contact avec une source chaude 6 qui peut être une paroi de la chambre de combustion du moteur-fusée ou une paroi externe ou une prise d'air du véhicule spatial refroidie par circulation de fluide.
Sur le circuit de retour vers la source froide 4, le fluide caloporteur qui a prélevé une énergie thermique à la source chaude traverse une turbine 7 dans laquelle il se détend à une pression compatible avec sa réintroduction dans I'échangeur thermique 3 de source froide dans lequel il va se refroidir et éventuellement se condenser avant de recommencer le cycle.
L'ensemble de la turbomachine 5, 7 fournit sur un arbre de- sortie 8 une puissance positive compte tenu de la forte puissance cédée par le fluide chaud dans la turbine 7 et de la faible puissance requise par la pressurisation du fluide froid.
Cette puissance positive disponible sur l'arbre 8 est utilisable par un ou plusieurs récepteurs 9 qui peuvent être par exemple des pompes d'ergols, un système de pressurisation d'air ou un alternateur.
Le fluide caloporteur auxiliaire peut être constitué notamment par l'un des produits suivants : hydrogène, hélium, azote, sodium, soluté sodium + potassium, lithium, eau, air.
Globalement, le dispositif pompe 5, turbine 7 permet de fractionner la puissance thermique prélevée sur la source chaude 6 en Une puissance mécanique et une puissance thermique effectivement transférée à la source froide 4.
L'utilisation de la turbomachine 5, 7 permet, dans une réalisation particulière où la source froide 4 est un ergol stocké dans un réservoir d'un aéronef hypersonique,d'améliorer l'efficacité des sytèmes de transfert de chaleur dont le bilan énergétique n'est qu'un simple échange d'énergie thermique entre une source froide et une ou plusieurs sources chaudes, sans tneration d'énergie mécanique supplémentaire, en particulier, les systèmes analogues à celui décrit ci-dessus mais dont la turbomachine n' a qu'un rôle de mise en mouvement du fluide caloporteur et dont le bilan de puissance est nul.
Le circuit hydraulique auxiliaire fermé 1 de la figure 1 est applicable aux aéronefs destinés à évoluer dans l'atmosphère puis dans l'espace, en particulier les avions spatiaux, le circuit hydraulique de fluide caloporteur permettant d'échauffer et éven tuellement de faire fondre une partie ou la totalité des ergols embarqués dans l'aéronef, aussi bien carburant que comburant, par transfert thermique entre une source de chaleur située dans ou sur l'aéronef et la source froide constituée par le ou les ergols stockés dans les réservoirs.
L'objet de l'invention consiste à introduire une tLrrachine, ensemble pompe 5 plus turbine 7 ou compresseur 5 plus 4 ebsne 7, dans le circuit de fluide caloporteur, de manière à le pressuriser avant sa mise en contact avec la source chaude 6 et à le détendre après. Un tel arrangement permet de diviser la puissance thermique prélevée sur une source ou des sources chaudes de l'aéronef en une puissance mécanique disponible sur l'arbre 8 de la turbomachine 5, 7 et une puissance thermique effectivement transférée à la source froide constituée par exemple par des ergols stockés dans des réservoirs sous forme liquide et/ou solide.
L'invention est intéressante pour de nombreux types de propulseurs aérobies ou propulseurs combinés, c'est-à-dire pouvant fonctionner en mode aérobie ou en mode fusée en particulier les moteurs-fusées à liquéfaction d'air, pour lesquels les besoins en refroidissement limitent l'impulsion spécifique en mode aérobie ou le domaine de vol en mode aérobie dont l'impulsion spécifique est supérieure à celle du mode fusée.
Elle permet en effet d'augmenter les possibilités de refroidissement à capacités de sources froides constantes grâce à la puissance mécanique consommée par le ou les récepteurs.
L'invention s'applique tout particulièrement au système de transfert de calorie vers des réservoirs d'ergols destinés à la propulsion en mode fusée. Ceux-ci ont en effet des capacités de stockage des calories limitées par l'ébullition de l'ergol.
L'invention augmente les possibilités de refroidissement de la source chaude à capacités d'échauffement de sources froides constantes, améliorant ainsi l'impulsion spécifique du propulseur ou élargissant son domaine de vol, en mode aérobie. Pour un avion spatial, cet accroissement de performance se traduira par une augmentation de charge utile à mission donnée.
L'invention permet en outre de réguler dans une certaine mesure la température des réservoirs d'ergols par action sur la puissance mécanique prélevée par le récepteur. L'échauffement maximum tolérable par les ergols stockés en vue de leur utilisation lors de la phase fusée peut ainsi être atteint, et ce gain d'enthalpie se traduit par une impulsion spécifique optimum pour le moteur-fusée.
Dans ce cas, un dispositif de régulation de pression et un vase d'expansion, non représentés sur le dessin, coopèrent avec les canalisations 2 de circulation du fluide caloporteur.
On décrira maintenant en référence à la figure 2 une application de la présente invention à un moteur-fusée à liquéfaction d'air.
Le moteur-fusée à liquéfaction d'air est en fait un propulseur combiné particulier. En dehors de l'atmosphère, il fonctionne comme un moteur-fusée classique à ergols cryotechniques LOX
LH2. Par contre, dans l'atmosphère terrestre il est prévu de pouvoir remplacer en tout ou partie le débit d'oxygène liquide provenant des réservoirs de l'aéronef par un débit d'air liquide provenant de l'atmosphère, ce qui lui confère un aspect de propulseur aérobie.
LH2. Par contre, dans l'atmosphère terrestre il est prévu de pouvoir remplacer en tout ou partie le débit d'oxygène liquide provenant des réservoirs de l'aéronef par un débit d'air liquide provenant de l'atmosphère, ce qui lui confère un aspect de propulseur aérobie.
L'air, après avoir été capté par une prise d'air traverse un échangeur thermique dans lequel il est refroidi puis finalement liquéfié. La source froide de l'échangeur pendant la phase finale de liquéfaction pouvant être de l'hydrogène liquide par exemple.
Une fois sous forme liquide, l'air peut être facilement comprimé à l'aide d'une pompe très semblable aux pompes à oxygène cryotechnique actuellement utilisées, avant d'être injecté dans la chambre de combustion. L'oxygène de l'air réagit avec l'hydrogène présent dans la chambre, tandis que l'azote constitue un débit masse diluant le flux réactif,. ce qui améliore la propulsion.
Vis-à-vis d'un propulseur combiné à compression du flux d'air en phase gazeuse les avantages d'un propulseur combiné à liquéfaction d'air sont multiples. La chambre de combustion est unique, peu encombrante et légère; la turbomachine de pressurisation du flux d'air est compacte et d'une puissance très faible, car la puissance nécessaire pour comprimer un liquide est sans commune mesure avec celle nécessaire pour comprimer le même débit de fluide à forte température et sous forme gazeuse.
Les inconvénients majeurs de ce type de propulsion résident dans la taille et la masse de l'échangeur thermique nécessaire au refroidissement de l'air, ainsi que dans la gestion optimum des sources froides dont on peut disposer. Il est clair que les performances globales du moteur, en particulier son impulsion spécifique, seront d'autant meilleures que la -proportion d'air injecté dans la chambre de combustion sera importante.
La réalisation d'un propulseur combiné à liquéfaction d'air en mettant en oeuvre la présente invention de la façon représentée sur la figure 2 permet d'accroître la quantité d'air liquéfiable et donc l'impulsion spécifique du moteur.
Sur la figure 2, l'air chaud 31 capté à l'extérieur est introduit dans un étage refroidisseur 20, puis l'air froid 32 issu de l'étage refroidisseur 20 est lui-même introduit dans un étage liquéfacteur 10 pour fournir en sortie un flux d'air liquide 33 qui est repris par une pompe 9 pour être injecté par un injecteur 49 dans la chambre 41 de la tuyère propulsive 40 qui présente un col de tuyère 42 et un divergent 43.
Un premier type de source froide est constitué par les réservoirs 61 et 51 d'ergols cryotechniques (tels que H2 et 02) utilisés pendant la phase aérobie.
Un second type de source froide est constitué par les réservoirs 4 et 4a d'ergols cryotechniques (tels que 02 et H2) utilisés pendant la phase fusée, ces réservoirs 4, 4a étant considérés comme des puits de chaleur.
Des débits d'ergols cryotechniques H2 et O2 sont prélevés par des conduits 62 et 52 dans les réservoirs 61 et 51, sont pressurisés par des pompes 63 et 53 puis sont amenés par des canalisations 64 et 54 à des serpentins 65 et 55 disposés dans l'étage refroidisseur 20 pour refroidir l'air chaud 31 introduit dans cet étage refroidisseur. Les ergols H2 et 02 après leur échauffement dans l'étage refroidisseur 20, sont amenés par des canalisations 66, 56 à des injecteurs 45 et 44 respectivement pour être brûlés dans la chambre de combustion 41. Le flux d'hydrogène peut également parcourir un serpentin 67 monté sur la ligne 64 et disposé dans l'étage liquéfacteur 10 pour contribuer à liquéfier le flux d'air refroidi 32.Les sources froides constituées par les débits d'ergols issus des réservoirs 61 et 51 sont renouvelées en permanence puisque les ergols une fois échauffés sont bru lés dans la chambre de combustion 41. La proportion d'air liquéfiable par ce type de source froide est cependant assez faible, ce qui conduit à des gains de performances très moyens vis-à-vis d'un moteur-fusée simple.
Un moyen d'améliorer cette proportion d'air liquéfié consiste à considérer les réservoirs 4, 4a d'ergols cryotechniques destinés à être utilisés pendant la phase fusée comme des puits de chaleur. En effet, si ceux-ci sont remplis au départ d'ergols liquides sous-refroidis à une température proche de leur température de solidification (ou mieux de mélanges diphasiques liquide + solide), ils pourront stocker des calories en s'échauffant (éventuellement en fondant) jusqu'à une température proche de leur température d'ébullition à la pression réservoir considérée.
Le transfert des calories entre le liquéfacteur 10 et les réservoirs tels que 4 peut se faire à l'aide d'un circuit de fluide caloporteur mis en mouvement par un circulateur, la température de liquéfaction de l'air étant supérieure à celle des ergols stockés.
Les réservoirs tels que 4 doivent alors comporter divers serpentins 3, jouant le rôle d'échangeur thermique, répartis de manière à assurer un échauffement (voire une fusion) homogène de l'ergol stocké.
Selon une variante de réalisation, dans le cas du transfert de chaleur entre le liquéfacteur 10 et le réservoir d'hydrogène 4a, le fluide caloporteur peut être l'ergol lui-même
Dans ce cas, il n'est plus absolument indispensable de disposer des serpentins à l'intérieur du réservoir (H2) et l'hydrogène chaud est simplement réinjecté en divers points du réservoir 4a où il se condense.
Dans ce cas, il n'est plus absolument indispensable de disposer des serpentins à l'intérieur du réservoir (H2) et l'hydrogène chaud est simplement réinjecté en divers points du réservoir 4a où il se condense.
Comme cela est représenté sur la figure 2, un circuit hydraulique auxiliaire fermé 1 tel que celui représenté sur la figure 1 relie une source froide constituée par un réservoir d'ergol 4, tel que le réservoir d'oxygène et une source chaude constituée par l'étage 10 de liquéfaction d'air. Un fluide caloporteur qui peut être distinct de l'oxygène circule dans les canalisations 2 du circuit hydraulique auxiliaire fermé 1. Un système pompe 5 - turbine 7 fonctionnant en machine réceptrice de puissance selon le second principe de la thermodynamique est introduit dans le circuit auxiliaire 1.
Le fluide caloporteur à sa sortie de l'échangeur 3 situé dans le réservoir 4 est mis en pression par la pompe 5, il s'échauffe ensuite au contact de la source chaude que constitue l'échangeur 6 du liquéfacteur d'air 10. A se sortie de cet échangeur 6, le fluide caloporteur est détendu dans la turbine 7 à une pression compatible avec sa réinjection dans l'échangeur 3 situé dans le réservoir 4.
La turbomachine 5, 7 fournit sur l'arbre 8 une puissance mécanique car le fluide est comprimé froid et détendu chaud. Le bilan énergétique se traduit par une division de la puissance thermique prélevée sur la source chaude 6 en une puissance mécanique et une puissance thermique effectivement transférée à la source froide 4.
La puissance mécanique est utilisée d'une part pour l'entraînement de la pompe 5 de circulation de fluide caloporteur et d'autre part sur l'arbre 8 pour entraîner par exemple la pompe 9 servant à comprimer l'air liquide 33 issu du liquéfacteur 10 avant son injection par l'injecteur 49 dans la chambre de combustion 41.
Sur la figure 2, le circuit hydraulique auxiliaire la reliant la source froide constituée par le réservoir d'hydrogène 4a pour la phase fusée qui utilise les ergols cryotechniques embarqués initialement, et la source chaude constituée par un échangeur 6a du liquéfacteur 10 constitue un circuit qui n'est pas physiquement fermé, mais se comporte comme un circuit fermé dans la mesure où le fluide caloporteur circulant dans les canalisations 2a du circuit auxiliaire la est constitué par de l'hydrogène prélevé dans le réservoir 4a puis réinjecté dans ce même réservoir 4a, et qui est distinct du débit d'hydrogène qui est injecté dans la chambre de combustion lors du fonctionnement dans la phase fusée utilisant l'air liquéfié en cours de vol.
La turbomachine 5a, 7a et l'échangeur 6a du circuit la présentent des fonctions tout à fait analogues à celles des éléments correspondants 5, 7 et 6 du circuit fermé 1 et le circuit la ne se distingue en pratique du circuit 1 que par l'absence d'un serpentin dans le réservoir d'ergol pour assurer l'échange de chaleur avec la source froide. La conclusion sur le bilan de puissance positif de la turbomachine 5a, 7a est identique à celle concernant la turbomachine 5, 7 dans la mesure où la détente de l'ergol utilisé comme fluide caloporteur génère bien plus de puissance que sa pressurisation à faible température en phase liquide n'en réclame.
D'une façon générale, l'application de la présente invention décrite en référence à la figure 2, permet, à capacité de stockage des calories dans les réservoirs d'ergols "fusée" constante, d'augmenter la quantité de calories effectivement prélevées sur la source chaude, donc la quantité d'air liquéfiable et l'impulsion spécifique du moteur.
La figure 3 montre un moteur-fusée classique à cycle expander ne mettant pas en oeuvre la présente invention. Un flux de combustible, tel que de l'hydrogène, stocké dans un réservoir non représenté, est pompé dans le réservoir à travers une canalisation 82 à l'aide d'une pompe 83 et conduit à travers une canalisation 84 vers le divergent 43 de la tuyère propulsive 40 du moteur-fusée pour circuler le long de la paroi 47 de la tuyère 40 dans un circuit régénératif 85 qui abaisse la température des parois 47 du divergent 43, du col de tuyère 42 et de la chambre de combustion en réchauffant l'ergol combustible qui est évacué du circuit régénératif 85 par une canalisation 86 sur le trajet de laquelle sont disposées des turbines 87, 77 faisant partie des turbo-pompes permettant le pompage de l'ergol combustible par la pompe 83 et le pompage de I'ergol comburant par la pompe 73.Tout le débit de l'ergol combustible circulant dans . la canalisation 86, après passage dans les turbines 87, 77 des turbo-pompes de pompage des deux ergols tels que de l'hydrogène et de l'oxygène, est injecté par l'injecteur 45 dans la chambre de combustion 41. L'ergol comburant pompé dans le réservoir d'ergol non représenté est pompé à travers une canalisation 72 à l'aide de la pompe 73 et conduit à travers la canalisation 74 vers un injecteur 44 pour être injecté dans la chambre de combustion 41.
Les inconvénients du mode de réalisation de la figure 3 résident dans la nécessité de disposer, en sortie des pompes 83, 73, de niveaux de pression beaucoup plus élevés que la pression dans la chambre de combustion 41, puisqu'il faut tenir compte des pertes de charges liées à la détente dans les turbines 87, 77 et au circuit 85 de refroidissement des parois de la tuyère 40, ce qui conduit à une limitation de la pression chambre réalisable et, à encombrement moteur donné, limite les performances.
La figure 4 montre un premier exemple de réalisation de moteur-fusée mettant en oeuvre la présente invention et permettant d'améliorer les performances du moteur-fusée classique de la figure 3.
Le moteur-fusée de la figure 4 utilise un cycle de génération de puissance en circuit fermé à l'aide d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé 101 analogue au circuit 1 de la figure 1.
La pompe 73 d'ergol comburant prélève par une canálisa- tion 72 l'ergol comburant dans un réservoir, non représenté, et alimente directement en comburant, par une canalisation 74, l'injecteur 44 débouchant dans la chambre de combustion 41 de la tuyère propulsive 40. D'une façon similaire, la pompe 93 d'ergol combustible prélève par une canalisation 92 l'ergol combustible dans un réservoir, non représenté, et alimente en combustible, par des canalisations 94, 96 entre lesquelles est interposé un échangeur de chaleur 95, l'injecteur 45 débouchant dans la chambre de combustion 41.
Les pompes 72, 73 sont entraînées par des turbines 77, 97 alimentées par un fluide caloporteur auxiliaire, distinct des flux principaux d'ergols circulant dans les canalisations 72, 74 et 92, 94, 96. Le fluide caloporteur auxiliaire circule en boucle fermée entre une source chaude constituée par la paroi 46 de la tuyère propulsive 40 le long de laquelle circule le fluide auxiliaire selon un trajet 106 constituant un échangeur de chaleur, et une source froide constituée par un échangeur 103 coopérant avec l'échangeur 95 situé sur l'une des lignes 94, 96 d'alimentation de la chambre 41 en ergol. Une turbo-pompe auxiliaire -105, 107 effectue la recompression du fluide auxiliaire en sortie de l'échangeur 103.Le fluide auxiliaire comprimé par la pompe 105 circule ainsi en circuit fermé à travers des canalisations 102 qui relient l'échangeur de chaleur 106 de la source chaude à l'échangeur 103 de la source froide en entraînant les turbines 97, 77 et 107 qui sont elles-mêmes mécaniquement couplées aux pompes 93, 73 et 105. Les turbines 97, 77 et 107 sont ainsi équivalentes à la turbine 7 de la figure 1, tandis que la pompe 105 est équivalente à la pompe 5 de la figure 1 et les pompes 93, 73 sont équivalentes au récepteur 9 de la figure 1. Les échangeurs 106 et 103 sont eux-mêmes équivalents aux échangeurs 6 et 3 de la figure 1.
La mise en oeuvre d'un circuit hydraulique auxiliaire fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire permet de diminuer la pression de sortie des pompes 93, 73 par rapport à celle des pompes 83, 73 d'un moteur-fusée à cycle de type expander tel que représenté sur la figure 3, car la pompe 73 et la pompe 93 alimentent directement (ou par l'intermédiaire d'un simple échangeur 95) les injecteurs 44, 45, ce qui évite les pertes de charges liées à la détente dans les turbines 77, 87 et au circuit de refroidissement de la chambre.
Par ailleurs, dans le mode de réalisation de la figure 4, le débit et les caractéristiques du fluide auxiliaire peuvent être optimisés de façon à permettre une augmentation du niveau de pression maximale réalisable. Bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, il est avantageux d'installer dans un circuit fermé tel que le circuit 101 de la figure 4 un dispositif de régulation de pression et un vase d'expansion.
Le fluide caloporteur auxiliaire peut être différent des ergols, le choix du fluide auxiliaire, de son débit et de la pression permettant une optimisation du système.
La figure 5 montre un autre mode de réalisation qui est très analogue à celui de la figure 4. Sur la figure 5, les éléments assurant la même fonction que sur la figure 4 sont affectés des mêmes numéros de référence et ne seront pas décrits à nouveau.
Le mode de réalisation de la figure 5 se distingue de celui de la figure 4 essentiellement par le fait que la source froide comprend à la fois un échangeur 103 coopérant avec l'échangeur 95 disposé entre les tuyauteries 94, 96 d'alimentation de l'injecteur 45 en ergol combustible et un échangeur 103a coopérant avec un échangeur 75 disposé entre des tuyauteries 74, 76 d'alimentation de l'injecteur 44 en ergol comburant.
Le mode de réalisation de la figure 6 se distingue de celui des figures 4 et 5 par le fait que la source froide comprend non pas un échangeur 103 situé sur l'une des tuyauteries d'ergols alimentant la chambre de combustion, mais un échangeur 103 constitué par un serpentin parcouru par le fluide caloporteur auxiliaire et placé dans l'un des réservoirs d'ergols. Sur la figure 6, l'échangeur 103 est disposé dans le réservoir de combustible 91. Toutefois, cet échangeur 103 pourrait de la même manière être disposé dans le réservoir de comburant, ou la source froide pourrait être constituée par deux échangeurs en série disposés respectivement dans chacun des réservoirs d'ergols, de la même manière que les échangeurs 103, 103a de la figure 5 sont situés sur chacune des lignes d'alimentation de la chambre en ergols.
Le mode de réalisation de la figure 7 est très semblable à celui de la figure 4 mais montre une paroi 46 de la tuyère propulsive qui est refroidie en partie à l'aide du fluide caloporteur auxiliaire dans une zone 106 et en partie dans une zone 98, par le flux de l'un des ergols, tel que l'ergol combustible, avant l'introduction de cet ergol dans la chambre de combustion 41.
Dans ce cas, il y a donc deux circuits régénératifs distincts 98, 106 dans la paroi 46 de la chambre. Le circuit régénératif 98, qui peut être considéré comme classique concerne le combustible tandis que le circuit régénératif 106 concerne le fluide caloporteur et, même s'il ne participe qu'à un refroidissement d'une partie des parois de la tuyère propulsive 40, joue exactement la même fonction que le circuit régénératif 106 de la figure 4.
Le mode de réalisation de la figure 8 est prévu pour fonctionner avec un fluide caloporteur auxiliaire qui est constitué par l'ergol combustible tel que de l'hydrogène. Ce mode de réalisation permet d'éviter la mise en oeuvre d'un vase d'expansion dans le circuit hydraulique auxiliaire 101 qui, bien que fonctionnant d'une manière semblable à celle des circuits 101 des figures 4 à 7, comprend des moyens de régénération par le prélèvement contrlé de ",ide chaud en un point du circuit auxiliaire 101 situé entre le circuit régénératif 106 et les turbines 97, 107, 77, et l'apport contrôlé de fluide froid en un point situé entre la pompe 105 et le circuit régénératif 106.
Le prélèvement contrôlé de fluide chaud s'effectue par une conduite 114 sur laquelle est placé un élément 115 de régulation de débit, et qui débouche dans la chambre de combustion
au niveau des injecteurs 44, 45. L'apport contrlé de fluide
à partir de la conduite principale 94 d'alimentation en ergol combustible s'effectue par une conduite 112 sur laquelle est placé un élément 113 de régulation de débit.
au niveau des injecteurs 44, 45. L'apport contrlé de fluide
à partir de la conduite principale 94 d'alimentation en ergol combustible s'effectue par une conduite 112 sur laquelle est placé un élément 113 de régulation de débit.
La figure 9 montre un mode de réalisation semblable à celui de la figure 4 en ce qui concerne le circuit hydraulique auxiliaire fermé 101, mais dans lequel seules les turbines 97 et 107 sont placées sur le circuit du fluide caloporteur auxiliaire, la turbine 77 d'entraînement de la pompe 73 de la turbo-pompe de comoression de l'ergol comburant étant entraînée par un flux gazeux isr d'un générateur de gaz traditionnel 210.
Le générateur de gaz 210 est alimenté en ergol combustible et en ergol comburant par des canalisations 212 et 214 respectivement qui prennent naissance dans les canalisations principales 94 et 74 respectivement d'alimentation en ergols de la chambre de combustion propulsive 41. Des éléments 213, 215 de régulation de débit sont disposés sur chacune des conduites 212, d'alimentation du générateur de gaz 210 en ergols. Le flux de gaz issu du générateur de gaz 210 est évacué à l'échappement par une conduite 216 après avoir actionné la turbine 77 d'entraînement de la pompe 73 de comburant.
Le mode de réalisation de la figure 9 montre qu'il est possible de combiner des dispositifs connus tels que le générateur avec un circuit hydraulique auxiliaire fermé 101 réalisé coeformément à la présente invention.
L'échange de chaleur entre l'échangeur 95 de la source froide et l'échangeur 103 du circuit auxiliaire 101 peut s'effectuer dans le cadre d'un échangeur du type à contre-courant à plaques ou à tubes en matériaux métalliques ou céramiques, certains des tubes ou plaques étant parcourus par l'ergol du flux principal d'alimentation de la chambre de combustion pour constituer l'échangeur 95 tandis que d'autres tubes ou plaques sont parcourus par le fluide caloporteur auxiliaire pour constituer l'échangeur 103.
La figure 10 montre une application de la présente invention à un moteur combiné à turbo-propulseur. Un circuit hydraulique auxiliaire fermé 301 comparable au circuit 1 de la figure 1 est associé au turbo-propulseur et relie un premier échangeur 303 coopérant avec un échangeur 373 parcouru par un ergol comburant et situé entre des tronçons 372, 374 d'une canalisation de transport d'ergol comburant alimentant un injecteur 375, à un second échangeur 306 constitué par une zone de circulation de fluide de refroidissement le long d'une paroi 346 de chambre propulsive aérobie. Le circuit hydraulique auxiliaire fermé 301 sert à l'entraînement d'une turbine 307 d'entraînement d'une pompe 305 de recirculation de fluide caloporteur auxiliaire et d'au moins une turbine 377 d'entraînement d'un compresseur aérobie 379. Le circuit hydraulique auxiliaire fermé 301 présente les mêmes fonctions que les circuits 1 et 101 en contribuant à assurer un transfert thermique tout en engendrant une puissance mécanique utilisable par un récepteur de puissance mécanique.
Claims (16)
1. Moteur-fusée ou moteur combiné pour véhicule spatial, comprenant au moins un récepteur de puissance mécanique entraîné par une turbine, et au moins un circuit hydraulique reliant une source froide à une source chaude, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit hydraulique auxiliaire (1; 101; 301) essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire distinct des flux principaux d'ergols d'alimentation du moteur et reliant une source froide constituée par un premier échangeur (3; 103; 303) situé sur un organe de stockage (4; 91) ou de transport (94; 372) d'ergol et une source chaude constituée par un second échangeur (6; 106; 306) incorporé dans le moteur et en ce que ledit circuit hydraulique auxiliaire fermé (1; 101; 301) sert à l'entraînement d'une turbine (7; 107; 307) de turbo-pompe (5, 7; 105, 107; 305, 307) de recirculation du fluide caloporteur auxiliaire et d'au moins une turbine (7; 77, 97; 377) d'entraînement d'au moins un organe récepteur de puissance mécanique (9; 73, 93; 379) indépendant du circuit hydraulique auxiliaire (1; 101; 301).
2. Moteur-fusée ou moteur combiné selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe récepteur de puissance mécanique (9) coopère avec des moyens de réglage de ladite puissance mécanique consommée par cet organe récepteur (9) afin de modifier la quantité d'échanges thermiques effectués par ledit circuit hydraulique auxiliaire (1).
3. Moteur-fusée ou moteur combiné selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit récepteur de puissance mécanique entraîné par une turbine (77, 97) disposée sur le circuit hydraulique auxiliaire (101) est constitué par une pompe (73, 93) de turbo-pompe d'alimentation du moteur en ergol.
4. Moteur-fusée ou moteur combiné selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit récepteur de puissance mécanique entraîné par une turbine (377) disposée sur le circuit hydraulique auxiliaire (301) est constitué par un système de pressurisation d'air (379).
5. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier échangeur (3; 103) est constitué par un serpentin parcouru par le fluide caloporteur auxiliaire et placé dans l'un des réservoirs d'ergols (4; 91).
6. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier échangeur (103; 303) est situé sur l'une des tuyauteries d'ergols (94; 372) alimentant la chambre de combustion (41; 341).
7. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième échangeur (106; 306) est constitué par une paroi (46; 346) de la chambre de combustion (41; 341) refroidie par circulation de fluide.
8. Moteur-fusée ou moteur combiné selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième échangeur (106) est constitué par une partie de la paroi (46) de la chambre de combustion(41) refroidie par circulation du fluide caloporteur auxiliaire tandis qu'une autre partie(98) de la paroi de la chambre de combustion (41) est refroidie par un circuit distinct de circulation d'un ergol destiné à alimenter la chambre de combustion (41) à travers un injecteur (45).
9. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième échangeur (6) est constitué par une paroi externe ou une prise d'air du véhicule spatial refroidie par circulation de fluide.
10. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième échangeur (6) est un échangeur thermique destiné à refroidir un flux d'air atmosphérique ou un condenseur (10) destiné à liquéfier ce flux d'air atmosphérique.
11. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de régulation de pression et un vase d'expansion sur le circuit hydraulique fermé (1; 101; 301).
12. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le premier échangeur (3; 103; 303) sert de condenseur pour le fluide auxiliaire.
13. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire est constitué par l'un des produits suivants : hydrogène, hélium, azote, sodium, soluté sodium + potassium, lithium, eau, air.
14. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 et 12, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire est un produit identique à l'un des ergols alimentant la chambre de combustion (41) et comprend des moyens de régénération par le prélèvement contrôlé (114, 115) de fluide chaud en un point du circuit hydraulique auxiliaire (101) et l'apport contrlé (112, 113) de fluide froid en un autre point du circuit hydraulique auxiliaire (101) à partir du circuit principal (94) d'alimentation en ergol de la chambre de combustion (41).
15. Moteur combiné à turbo-propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le circuit hydraulique auxiliaire fermé (301) est associé au turbo-propulseur et relie un premier échangeur (303) situé sur une canalisation (372) de transport d'ergol comburant et un second échangeur (306) constitué par une paroi (346) de chambre propulsive aérobie (341) et en ce que le circuit hydraulique auxiliaire fermé (301) sert à l'entraînement d'une turbine (307) de turbo-pompe de recirculation de fluide caloporteur auxiliaire et d'au moins une turbine (377) d'entraînement d'un compresseur aérobie (379).
16. Moteur-fusée ou moteur combiné selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 6 à 15, caractérisé en ce que le premier échangeur (103; 303) est du type à contre courant à plaques ou à tubes en matériaux métalliques ou céramiques.
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| FR8816254A FR2640322A1 (fr) | 1988-12-09 | 1988-12-09 | Moteur-fusee ou moteur combine pour vehicule spatial a circuit hydraulique auxiliaire essentiellement ferme |
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| FR8816254A FR2640322A1 (fr) | 1988-12-09 | 1988-12-09 | Moteur-fusee ou moteur combine pour vehicule spatial a circuit hydraulique auxiliaire essentiellement ferme |
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| FR2640322A1 true FR2640322A1 (fr) | 1990-06-15 |
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