FR2666851A1 - Moteur a propulsion thermique solaire. - Google Patents

Abstract

Le moteur comprend: (a) une cavité collectrice de l'énergie solaire de forme ogivale (13) comprenant des parois interne et externe (10, 10a) retenant entre elles un agent échangeur de chaleur (11) qui peut laisser passer et chauffer un fluide propulseur et dont les températures les plus élevées sont situées profondément à l'intérieur de la cavité, et (b) une tuyère (17) fixée à et communiquant avec l'agent échangeur de chaleur, dans laquelle le fluide propulseur chauffé peut passer et créer une poussée, ou en variante: (a) un échangeur de chaleur dont la géométrie est telle qu'il comprend des parois interne et externe enfermant entre elles un agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes à travers lequel un agent propulseur peut passer avec des turbulences, dans lequel le rayonnement solaire peut chauffer la paroi interne et l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes pour que de son côté ce dernier chauffe l'agent propulseur, et (b) une tuyère fixée à et communiquant avec l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes que le fluide propulseur chauffé peut traverser pour créer une poussée.

Description

MOTEUR A PROPULSION THERMIQUE SOLAIRE

La présente invention concerne le domaine des moteurs ou unités de fusées propulsées thermiquement par l'énergie solaire, utilisées surtout comme dispositifs de propulsion efficaces pour des manoeuvrés orbitales ou autres qui transmettent des modifications de vitesse aux véhicules basés dans l'espace. Les systèmes de propulsion dans l'espace varient largement aussi bien par leur conception que par leurs performances Les performances, mesurées par des impulsions spécifiques, déterminent le rapport entre la charge utile et la masse propulsive nécessaire pour propulser le système vers sa destination De fortes impulsions spécifiques permettent d'emporter des charges utiles plus importantes, permettant ainsi des charges utiles plus importantes pour des missions existantes et de nouvelles missions spatiales qui ne pourraient pas être envisagées s'il en était autrement, et une réduction potentielle des

coûts.

Des systèmes de propulsion thermique solaire ont été proposés comme moyens pour obtenir des fractions de charge utile plus importantes Ces moteurs peuvent être utilisés par exemple pour propulser des charges utiles à partir d'orbites terrestres basses vers des orbites plus élevées Dans un tel moteur, le rayonnement solaire est capté et focalisé par des miroirs dans la cavité d'un "corps noir" de l'unité, o le rayonnement solaire chauffe un agent propulseur tel que de l'hydrogène L'agent propulseur passe ensuite par une tuyère,

créant une poussée.

Un moteur de propulsion thermique solaire de l'art antérieur décrit dans le brevet US No 3 064 418 au nom de Sanders, contient un échangeur de chaleur à lit de galets Les rayons du soleil sont admis par des fenêtre vers un échangeur de chaleur contenant un lit de galets en un matériau réfractaire L'agent propulseur est chauffé quand il passe par l'échangeur de chaleur et est envoyé vers une tuyère de fusée convergente/divergente pour créer une poussée L'agent propulseur réfrigérant traverse les parois de la chambre, de manière à les refroidir au-dessous des limites de température de leur matériau, et à renvoyer l'énergie thermique qui pourrait être perdue vers l'agent propulseur Ce moteur à propulsion thermique solaire est compliqué à construire et difficile à faire fonctionner La géométrie de sa cavité intérieure provoque de fortes pertes par re-rayonnement qui sortent par l'entrée de sa cavité, déterminant ainsi un mauvais'

rendement thermique.

Un dispositif de propulsion thermique solaire utilise une ou plusieurs séries de tubes métalliques réfractaires et creux, configurés pour constituer une cavité collectrice d'énergie solaire de forme conique ou cylindrique telle que celle qui est montrée pour l'ensemble de focalisation d'énergie solaire et l'unité de stockage décrits dans le brevet US No 4 815 443 au nom de Vrolyk et al. L'énergie solaire focalisée est dirigée dans cette cavité et est absorbée par les tubes métallique L'hydrogène qui passe dans les tubes est chauffé à une température élevée Le gaz à température élevée est alors dirigée vers la tuyère d'une fusée o il se détend hors de la tuyère, créant une poussée Ce dispositif est compliqué à construire et présente un faible rendement thermique en raison des

fortes pertes par re-rayonnement sortant par l'entrée de la cavité.

Un autre dispositif de propulsion thermique solaire, décrit par

Shoji dans "Potential and Advanced Solar Thermal Propulsion, Orbit-

Raising and Maneuvering Propulsion: Research Status and Needs", volume 89, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc (Ed L. H Caveny, 1984) consiste en une cavité profonde de collecte de l'énergie solaire, équipée d'une fenêtre optiquement transparente à son entrée L'énergie solaire focalisée traverse la fenêtre et pénètre dans la cavité L'hydrogène mélangé aux particules de germes alcalins métalliques est injecté dans la cavité, o l'énergie solaire est d'abord absorbée par les particules de germes et est ensuite transférée vers l'hydrogène par contact physique L'hydrogène chauffé est alors détendu hors de la tuyère de la fusée Ce dispositif présente la complexité additionnelle d'une fenêtre optique et d'un système d'alimentation de particules de germes séparé, et un faible rendement thermique du fait que la fenêtre est opaque à certaines fréquences de la lumière solaire incidente Il présente également de fortes pertes par re-rayonnement par l'entrée de la cavité En outre, lorsque le fonctionnement se fait par des impulsions spécifiques importantes (faibles débits d'hydrogène), le débit de l'hydrogène ne

permet pas de refroidir activement la fenêtre.

Un dispositif de propulsion thermique solaire additionnel décrit par Shoji dans le brevet US No 4 781 018 utilise la cavité à fenêtre

susmentionnée à laquelle est ajoutée une série de disques poreux.

L'énergie solaire qui passe par la fenêtre vient frapper un disque -

poreux optiquement grossier Le disque absorbe une fraction de l'é-

nergie solaire et laisse passer l'énergie solaire restante vers des

disques sous-jacents disposés plus profondément dans la cavité L'hy-

drogène pénètre dans la cavité par une série de chicanes à jet diri-

gées vers la fenêtre en vue de refroidir activement cette fenêtre.

L'hydrogène passe ensuite par les disques poreux, absorbant l'énergie solaire par contact et refroidissant alors les disques, minimisant les

pertes par re-rayonnement par la fenêtre Le concept des disques po-

reux est limité sur le plan des impulsions spécifiques par les exigen-

ces d'écoulement de l'hydrogène pour refroidir activement la fenêtre.

Les pertes par re-rayonnement par la fenêtre augmentent également quand on fonctionne avec des impulsions spécifiques élevées, du fait que le premier disque poreux ne peut pas être refroidi de façon appropriée par les faibles débits massiques de l'hydrogène qui en résultent. L'inventeur a étudié le domaine des moteurs à propulsion thermique solaire et a développé un certain nombre de conceptions de moteurs thermiques solaires nouveaux Un but visé consiste à absorber efficacement l'énergie solaire, à la transmettre à l'agent propulseur et à la détendre dans une tuyère pour créer une poussée Un autre but visé consiste à obtenir une impulsion spécifique élevée de l'ordre de

7850 à 8830 newtons-seconde/kilogramme ( 800 à 900 livres-

force-seconde/livres-masse (lbf sed/lbtn)) ou plus, en maximalisant la température finale de l'agent propulseur Un autre but encore consiste à disposer d'un échangeur de chaleur compact grâce à des débits de transfert de chaleur élevés par surface unitaire, déterminant un rendement élevé et un faible poids Un autre but concerne la simplicité, la fiabilité et la sécurité grâce à l'utilisation d'un faible nombre de pièces, de techniques de

fabrication de l'état de l'art et de matériaux bien caractérisés.

La présente invention concerne un moteur de propulsion thermique solaire qui comprend: (a) une cavité collectrice de l'énergie solaire de forme ogivale comprenant des parois interne et externe retenant entre elles un agent échangeur de chaleur qui peut laisser passer et chauffer un fluide propulseur dont les températures les plus élevées sont situées profondément à l'intérieur de la cavité, et (b) une tuyère fixée à et communiquant avec l'agent échangeur de chaleur, dans laquelle le fluide propulseur chauffé peut passer et

créer une poussée.

De plus, l'invention concerne un moteur à propulsion thermique solaire qui comprend: (a) un échangeur de chaleur dont la géométrie est telle qu'il comprend des parois interne et externe enfermant entre elles un agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes, à travers lequel un agent propulseur peut passer avec des turbulences, dans lequel le rayonnement solaire peut chauffer la paroi interne et l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes pour que de son côté ce dernier chauffe l'agent propulseur, et (b) une tuyère fixée à et communiquant avec l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes que le fluide propulseur chauffé

peut traverser pour créer une poussée.

Dans un mode de réalisation préféré, l'agent échangeur de chaleur de la cavité collectrice d'énergie solaire de forme ogivale est constitué par l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules r s ouvertes Dans un mode de réalisation encore mieux préféré, ce moteur à propulsion thermique solaire préféré comprend en outre un concentrateur solaire de forme paraboloïdale refermant l'agent

échangeur de chaleur en mousse dans ses parois.

Là figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif de propulsion

thermique solaire selon le mode de réalisation préféré de l'invention.

La figure 2 est une vue schématique partielle de l'échangeur de chaleur qui forme les parois du dispositif de propulsion thermique

solaire montrant l'agent échangeur de chaleur en mousse.

o O La figure 3 est une vue en coupe du concentrateur paraboloïdal

refroidi de façon régénérative du mode de réalisation préféré.

La présente invention est utile avec tout agent propulseur présentant une capacité thermique élevée et une conductivité thermique élevée, et un faible poids moléculaire et une faible viscosité, qui est non réactif et peut provoquer une impulsion spécifique élevée On préfère l'hydrogène, l'hydrure de lithium, l'ammoniac et le méthane,

l'hydrogène étant celui que l'on préfère le plus.

La figure l montre un moteur à propulsion thermique solaire selon le mode de réalisation préféré de l'invention, qui comprend une section conique 6 par laquelle le rayonnement solaire pénètre dans le moteur, une section B à concentrateur de forme paraboloïdale et une cavité 12 de collecte de l'énergie solaire de forme ogivale, toutes ces sections comprenant des parois interne et externe enfermant entre elles un agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes et à passe unique, et une tuyère de fusée convergente/divergente de fusée 17. L'agent propulseur qui pénètre par un tube l se vide dans la cavité 2 d'un collecteur annulaire, répartissant régulièrement l'agent

propulseur dans tous les azimuts de la section conique 6 du moteur.

L'agent propulseur continue ensuite dans l'agent échangeur de chaleur 3 en mousse à cellules ouvertes et à passe unique, entouré par les parois interne 4 et externe 5 La première section que l'agent échangeur de chaleur à passe unique et continu rencontre est la section conique 6 La lumière solaire focalisée (reçue d'un miroir concentrateur) pénètre par la grande ouverture de la section conique 6 en passant par l'extrémité de réception du rayonnement solaire du dispositif L'angle au sommet de la section conique 5 est approximativement égal à l'angle au sommet de la lumière solaire focalisée incidente La lumière solaire dispersée qui vient frapper la section conique 6 à l'intérieur de la paroi 4 est absorbée et ensuite fait monter la température de l'agent propulseur La section conique 6 est refroidie de façon régénérative par l'agent propulseur qui passe

dans l'agent échangeur de chaleur 3.

L'agent propulseur circule dans l'agent échangeur de chaleur 3 de la section conique et procède vers l'agent échangeur de chaleur 7 du concentrateur de forme paraboloïdale de la section 8 du concentrateur paraboloïdal La surface intérieure 9 du concentrateur paraboloïdal est optiquement réfléchissante Le contour de sa surface interne reçoit l'énergie solaire focalisée et diffuse par l'ouverture de la section conique 6, la concentre puis la fait passer dans la section 12 de la cavité de forme ogivale La surface réfléchissante paraboloïdale 9 est refroidie de façon régénérative par l'agent propulseur qui passe par l'agent échangeur de chaleur 7 de forme paraboloïdale sous-jacent Ceci réduit le re-rayonnement provoqué par la température de surface tout en récupérant l'énergie thermique qui

est absorbée.

L'agent propulseur quitte l'agent échangeur de chaleur 7 du concentrateur paraboloïdal et pénètre dans l'agent échangeur de chaleur Il de la cavité de forme ogivale, qui est entourée par les parois 10 et 10 A La paroi 12 de la section ogivale entoure la profonde "cavité enfermée" 13 o a lieu la majorité du transfert de chaleur du rayonnement solaire vers l'agent propulseur La section ogivale 12 est constituée par trois sections de base reliées ensemble en séquence comme suit: l'entrée 14, l'ogive 15 et la fermeture 16 De préférence et comme montré à la figure 1, les parois sont concaves A la figure 1, l'entrée 14 a une forme dont l'ouverture augmente en direction de l'écoulement de l'agent propulseur Cependant, l'angle au sommet formé par l'ouverture la plus petite et la plus grande peut être compris entre 0 o et 1800 pour optimaliser la cavité, en fonction de l'angle au sommet de l'énergie thermique solaire, de l'amplitude du flux et des conditions de répartition à l'entrée du dispositif de propulsion thermique solaire L'ogive 15 présente une ouverture qui diminue dans la direction de l'écoulement de l'agent propulseur et de préférence une section de cercle Elle est reliée à l'ouverture d'entrée 14 et elle est reliée à la fermeture 16 La fermeture 16 a une ouverture qui diminue et qui coupe la ligne médiane du dispositif,

fermant la cavité.

Quand l'énergie solaire s'enfonce plus profondément dans la cavité 13, les températures des parois internes augmentent dans la direction de l'écoulement de l'agent propulseur en raison de la nature concentratrice de la cavité et de l'effet de refroidissement régénératif qui diminue de l'agent propulseur qui passe dans l'agent échangeur de chaleur 11 de l'ogive Le résultat est que la température de pic augmente et de que les températures de surface les plus élevées sont aussi loin que possible de l'entrée de la cavité, réduisant de façon significative les pertes par re-rayonnement Le rendement est également fortement augmenté par le concentrateur paraboloïdal qui réduit efficacement l'ouverture par laquelle peut s'échapper le

rayonnement contenu dans la cavité 13.

L'agent propulseur chauffé qui quitte l'agent échangeur de chaleur 11 de la cavité ogivale pénètre dans la section convergente d'une tuyère convergente/divergente de fusée 17, en traversant une surface d'échange de chaleur en mousse à cellules non fermées 18 Les gaz propulseurs se détendent et sont accélérés par la tuyère convergente/divergente de fusée 17, en sortant dans le vide de

l'espace par le plan de sortie 19 de la tuyère de la fusée.

La figure 2 est une vue schématique partielle de l'échangeur de chaleur à mousse à cellules ouvertes et à passe unique que l'on trouve dans les sections 6, 8 et 12 du dispositif de propulsion thermique solaire L'agent propulseur pénètre en 21 et sort en 22 La mousse à cellules ouvertes 20 dont le rapport aire de surface/volume est élevé permet d'obtenir des taux d'échange de chaleur élevés par conduction et convection par unité de volume Ceci est particulièrement important pour des agents propulseurs tels que l'hydrogène qui sont virtuellement incapables d'absorber directement l'énergie thermique rayonnante Le parcours sinueux suivi par le propulseur dans l'agent en mousse à cellules ouvertes provoque des turbulences et augmente le taux d'échange de chaleur La porosité de la mousse est telle qu'elle est partiellement transparente à la lumière, ce qui fait que la paroi interne 23 transmet par rayonnement l'énergie vers la paroi externe 24, en faisant en sorte que la structure en mousse présente une

température presque uniforme au moyen d'un chauffage par rayonnement.

On peut utiliser toute mousse solide réticulée (qui peut être revêtue ou convertie) capable de résister aux environnements thermiques et structurels de l'échangeur de chaleur, et compatible avec l'agent propulseur Des exemples sont constitués par un bloc en mousse de carbone vitreux réticulé (CVR), en mousse à base de carbure tel que du carbure de hafnium (Hf C), du carbure de zirconium (Zr C), ou

du carbure de tantale (Ta C), ou leurs combinaisons.

L'hydrogène compromet l'intégrité structurelle de la plupart des matériaux à des températures élevées Donc, quand l'hydrogène constitue l'agent propulseur, il faut que le CVR soit revêtu de rhénium (Re), de carbure de hafnium, de carbure de zirconium ou autres matériaux propulseurs-inertes, ou convertis On convertit le CVR en le combinant à des matériaux réfractaires purs tels que du hafnium, pour former un carbure Le carbure de hafnium et le carbure de zirconium sont utiles sans revêtement à des températures inférieures à 26710 C ( 48400 F) et 26380 C ( 47800 F) respectivement, et doivent être revêtus de rhénium pour être utilisés à des températures plus élevées Le carbure de tantale réagit à l'hydrogène à des températures plus basses que ces matériaux, et a besoin normalement d'être revêtu de rhénium pour être

utilisé dans l'échangeur de chaleur.

L'ensemble de l'agent échangeur de chaleur à cellules ouvertes peut être fabriqué à partir d'un bloc unique de mousse (Il peut être réalisé à partir de plus d'un unique élément en reliant des parties, par exemple en utilisant un adhésif contenant un matériau parent de la mousse) La mousse peut être utilisée pour obtenir les contours 6, 8 et 12 La section de la mousse qui forme la cavité du collecteur annulaire peut être formée par élimination interne de mousse (par exemple par usinage) ou en collant un élément de mousse séparé sur l'échangeur de chaleur en mousse par un adhésif contenant un matériau

parent de la mousse.

A des fins de fabrication, d'inspection et de remplacement de la tuyère par des tuyères de dimensions et de géométrie différentes, la tuyère du moteur est de préférence interchangeable La figure 1 montre une tuyère convergente/divergente interchangeable 17 pouvant être réalisée en un matériau réfractaire constitué par une mousse revêtue d'un matériau réfractaire Elle est insérée dans un cylindre 17 A de retenue de tuyère, et soudée par un faisceau d'électrons, ou fixée de toute autre manière et rendue étanche par pression dans le plan de sortie 19 La tuyère 129 et le cylindre de retenue de tuyère 17 A peuvent être formés par usinage de la mousse et/ou de matériaux réfractaires solides selon la forme désirée Le cylindre de retenue de tuyère 17 A peut être fixé directement à l'échangeur de chaleur 12 par soudage par faisceau d'électrons, pendant le dépôt du matériau réfractaire, ou par d'autres procédés On retire la tuyère 17 par meulage ou en brisant de toute autre manière le joint dans le plan de sortie 19 L'orientation de la tuyère peut varier, et elle est montrée à la figure 1 dans l'orientation de O Dans un mode de réalisation préféré, l'agent en mousse à cellules ouvertes est revêtu de rhénium par infiltration chimique de vapeur (ICV) et ensuite des parois de retenue de pression sont formées à partir du rhénium par dépôt en phase gazeuse (DPG) Le rhénium est essentiellement inerte à un environnement propulseur contenant de l'hydrogène, compatible chimiquement avec la structure en carbone ou mousse de carbure sous-jacente, très ductile et présente une température de service élevée Une fois assemblée, la section en mousse est placée dans un four à vide En utilisant les techniques ICV, on infiltre le rhénium dans la structure en mousse, en revêtant toutes les surfaces Lorsque la mousse est revêtue à 100 %, on ajuste la température du four, la température de la pièce et la pression pour commencer le procédé ICV Au cours du procédé ICV, le rhénium se dépose sur toutes les surfaces externes des parties, ce qui s'apparente à la "formation d'une peau" sur la pièce Ces surfaces de peau externes forment les parois de retenue de pression de l'échangeur de chaleur à passe unique Les parois à peau externes ( 23 et 24) sont fixées d'un seul tenant et mécaniquement à la structure en mousse par

pénétration dans la surface externe 25 de la mousse.

Un échangeur de chaleur en fonctionnement est pressurisé par l'agent propulseur qui le traverse et qui sort par la tuyère La pressurisation entraîne la formation d'une contrainte mécanique dans la mousse et/ou les parois externes La structure nécessaire pour supporter la contrainte mécanique peut être obtenue selon l'une ou plusieurs des manières suivantes: ( 1) la mousse supporte toutes les contraintes en traction entre les parois alors que les parois internes et externes ne sont nécessaires que pour retenir l'agent propulseur; ( 2) un épais revêtement de métal recouvrant la mousse absorbe toutes les contraintes en traction, alors que les parois internes et externes ne sont nécessaires que pour retenir l'agent propulseur; ( 3) les parois internes et externes sont épaisses et résistent à toutes les contraintes, alors que la mousse n'a pas à supporter de charges en

traction quelconques; ou ( 4) une combinaison de ( 1), ( 2) et ( 3).

Chaque section de l'échangeur de chaleur peut incorporer une ou plusieurs des méthodes susmentionnées, le but visé étant la réduction d'ensemble du poids, des coûts, de la complexité et de la rupture par contraintes-fluage des surfaces et des parois revêtues d'un matériau réfractaire. On peut préparer une finition de la surface interne en rhénium pour obtenir un pouvoir émissif, une absorptivité et une réflectivité souhaitables de la surface Les sections 6, 8 et 14 présentent de meilleures performances si elles ont une forte réflectivité et une faible absorptivité, tandis que les sections 15 et 16 préfèrent une faible réflectivité, un fort pouvoir émissif et une faible absorptivité Le rhénium "à l'état déposé" est typiquement fortement réfléchissant et n'a besoin que d'un léger polissage pour augmenter sa réflectivité jusqu'à des valeurs optimales On peut créer des surfaces faiblement réfléchissantes par grenaillage, décapage chimique et anodisation Un bombardement par des ions d'une surface en rhénium peut également créer de petites collines et des surfaces dendritiques présentant une absorptivité élevée et un pouvoir émissif élevé Ce il procédé est décrit par T H Di Stefano et al dans "The Reflectance of dendritic-tungsten Surfaces", J Appl Phys, vol 50, No 6, pages

4431-35 ( 1979).

La figure 3 représente le concentrateur paraboloïdal Le dispositif symétrique par rapport à l'axe reçoit l'énergie solaire focalisée et diffuse par son ouverture 26 la plus importante, concentrant et dirigeant l'énergie solaire vers la petite ouverture 27 et l'envoyant dans la cavité du dispositif de propulsion thermique solaire Les parois diamétrales 28 à surface réfléchissante remplissent cette tâche On dérive la géométrie de la surface en faisant tourner une courbe parabolique autour de la ligne médiane du moteur, en formant un paraboloïde; et la surface à miroir paraboloïdal focalise l'énergie solaire dans la région située le long du plan de-la

petite ouverture 27 o elle coupe la paroi interne paraboloïdale 28.

Le rayonnement solaire non réfléchi passe directement dans la cavité ogivale 13 On choisit la géométrie paraboloïdale du fait qu'elle accepte le rayonnement solaire incident (tombant à l'intérieur de l'angle au sommet du faisceau focalisé par le miroir extérieur), ne

comprenant par d'ouverture de re-réflexion par la grande ouverture 26.

On réalise un refroidissement régénératif de la paroi paraboloïdale interne 28 au moyen de l'agent échangeur de chaleur 29 (s'il n'était pas refroidi, le rayonnement de surface annulerait en fait les bénéfices réalisés par le concentrateur paraboloïdal) Un agent propulseur relativement froid pénètre dans l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes en 30, et ne le traverse qu'une fois avant de sortir en 31 Le rayonnement solaire absorbé par la surface réfléchissante interne 28 est transféré à l'agent propulseur,

refroidissant ainsi de façon régénérative sa surface.

Sur les figures ne sont pas montrés les moyens de stockage du fluide propulseur, les moyens de collecte et de focalisation solaire, l'isolation, les écrans de rayonnement, la structure de support de même que les moyens pour empêcher la sublimation de la paroi interne

et de la paroi externe de la cavité du moteur.

Généralement, le fluide propulseur est stocké dans un réservoir compatible avec cet agent propulseur et transporté par des tuyaux

(également non montrés) vers le moteur à propulsion thermique solaire.

Les réservoirs peuvent être fixés au moteur ou à la masse satellisable Un tel réservoir est montré par exemple dans le brevet

US No 4 781 018.

Un moyen de collecte et de focalisation solaire, ou "miroir concentrateur" (qui peut être paraboloïdal ou sphérique) recueille le rayonnement solaire et le focalise sur le moteur à propulsion thermique solaire Un tel dispositif est montré dans le brevet US No 4 781 018 Des dispositifs similaires tels que des miroirs rigidifiés et composites en graphite sont utiles dans la présente invention et bien connus De préférence, dans le mode de réalisation montré à la figure 1, le rayonnement solaire est focalisé en un point le long de la ligne médiane du moteur, approximativement au milieu de la section paraboloidale 8 La figure 3 illustre avec précision cet emplacement, montré comme étant le point d'intersection des deux lignes diagonales

en tiretés.

Des matériaux fortement isolants de la chaleur et faiblement conducteurs de la chaleur sont placés à l'extérieur du moteur thermique solaire pour éviter des pertes de chaleur La mousse en carbone vitreux réticulé est excellente dans ce but et peut être revêtue d'un matériau tel que du carbure de hafnium pour éviter la sublimation. Des écrans de rayonnement concentriques en métal entourent les régions les plus chaudes du moteur à propulsion thermique solaire pour minimiser les pertes de chaleur Ils sont placés entre les parois

externes de la cavité et l'isolation en mousse.

Une structure de support relie le moteur à propulsion thermique

solaire à son système d'isolation thermique.

De plus, elle forme une interface avec le moteur, ou fixe ce dernier à la structure du véhicule de transfert orbital La structure peut être simplement un cylindre de faible poids qui entoure le moteur et le système d'isolation thermique, et peut être équipée d'éléments de séparation pour le fixer au véhicule de transfert orbital, d'un connecteur de ligne à combustible, d'un mécanisme de commande de vecteur de poussée, etc. Pour éviter la sublimation de la paroi interne chauffée de la cavité due à l'exposition à une température élevée et sous vide, la cavité est pressurisée au-dessus de la pression de vapeur, par exemple du rhénium On peut obtenir ce résultat en injectant l'agent propulseur depuis la paroi de la cavité ou en pompant cet agent propulseur qui est dans l'unité de stockage d'hydrogène vers la cavité Il est également possible de recueillir les gaz de détente de la tuyère (Prandtl-Meyer) qui quittent le plan de sortie de la tuyère et qui sont tournés sur 900 ou plus par rapport à la ligne médiane du moteur Ces gaz ne contribuent pas à une impulsion spécifique pouvant être fournie Grâce à une volute (cavité collectrice en forme de chambre à vide comprenant une fente d'entrée annulaire), située juste à l'extérieur du plan de sortie 19 de la tuyère,ces gaz peuvent être recueillis et dirigés (par une tuyauterie) à l'intérieur de la cavité, pressurisant légèrement l'atmosphère locale pour éviter la sublimation. Il existe souvent de petits interstices entre la paroi externe de la cavité et l'écran à rayonnement le plus à l'intérieur, et entre l'écran à rayonnement le plus à l'extérieur et l'isolation La paroi externe de la cavité et l'isolation qui est contiguë de la paroi externe de la cavité sont presque à la même température que la paroi interne de la cavité et il est donc souhaitable de pressuriser les interstices entre la paroi externe et l'isolation pour éviter la sublimation On peut obtenir ce résultat en encastrant la paroi externe, les écrans à rayonnement et l'isolation, et en pressurisant

le volume contenu à l'intérieur avec l'agent propulseur.

Le moteur thermique solaire de la figure 1 est relativement petit pour sa capacité thermique Un moteur d'une longueur d'approximativement 45 cm ( 1,5 pied) présente une région d'échange de chaleur suffisante pour absorber 50 k W ou plus de la puissance thermique solaire, et pour la convertir en énergie cinétique sous forme de poussée de la fusée Un tel dispositif pourrait propulser un véhicule de transfert orbital depuis une orbite terrestre basse (à une altitude d'approximativement 200 km ou 125 miles) vers une orbite circulaire géostationnaire (d'une altitude d'approximativement 35 768 km ou 22 230 miles) en environ deux semaines en délivrant la masse satellisable ou charge utile (telle qu'un satellite de communication) environ égal?à la moitié de la masse totale de départ du véhicule sur orbite terrestre basse (y compris l'agent propulseur) Par exemple, une masse satellisable d'environ 205 kg ( 450 livres) et une masse d'environ 45 kg ( 100 livres) d'éléments inertes (véhicule de transfert, moteur, réservoir, etc) peuvent être propulsées en

utilisant environ 205 kg ( 450 livres) d'agent propulseur.

La poursuite du soleil au moyen d'un miroir parabolique, indépendamment de l'orientation du véhicule de transfert orbital, et dirigeant constamment l'énergie solaire dans l'entrée de la cavité, est très difficile à réaliser si le moteur à propulsion thermique solaire est positionné rigidement au foyer du miroir De préférence, le moteur est libre d'effectuer un mouvement de translation dans trois plans à coordonnées orthogonales (X, Y, Z), de même que de tourner autour de ces axes de coordonnées Le mouvement de translation permet à l'entrée de la cavité du moteur d'être toujours correctement positionnée au foyer du miroir, évitant des pertes d'énergie solaire en raison d'erreurs de pointage du miroir La rotation du moteur sert de système de vecteur de poussée pour déterminer les manoeuvres de

tangage et de lacet du véhicule de transfert orbital.

On peut utiliser deux ou plusieurs moteurs à propulsion thermique de ce type en combinaison avec des tuyères orientées selon des angles appropriés Une combinaison de deux ou plusieurs moteurs de propulsion thermique solaire montés côte à côte, alimentés par des miroirs concentrateurs séparés, permet d'effectuer des manoeuvre de roulis. Alors que l'invention a été décrite en ce qui concerne des modes de réalisation spécifiques, on comprendra qu'elle ne doit pas être limitée à ceux-ci et que de nombreuses variantes et modifications sont possibles sans s'écarter du champ d'application et de l'esprit de l'invention.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1 Moteur à propulsion thermique solaire caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une cavité collectrice de l'énergie solaire de forme ogivale ( 13) comprenant des parois interne et externe ( 10, 10 a) retenant entre elles un agent échangeur de chaleur ( 11) qui peut laisser passer et chauffer un fluide propulseur et dont les températures les plus élevées sont situées profondément à l'intérieur de la cavité, et (b) une tuyère ( 17) fixée à et communiquant avec l'agent échangeur de chaleur, dans laquelle le fluide propulseur chauffé peut

passer et créer une poussée.

2 Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 1, dans lequel l'agent échangeur de chaleur est une mousse à cellules ouvertes et à passe unique à travers laquelle peut passer l'agent propulseur avec des turbulences, dans lequel le rayonnement solaire peut chauffer la paroi interne de la cavité collectrice d'énergie solaire ogivale et l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules

ouvertes pour que ce dernier chauffe de son côté l'agent propulseur.

3 Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 2, dans lequel la paroi interne de la cavité collectrice d'énergie solaire ogivale peut être refroidie de façon régénérative par l'agent propulseur. 4 Moteur à propulsion thermique selon l'une quelconque des

revendications précédentes, comprenant à son entrée un concentrateur

solaire paraboïdal comportant une surface paraboloïdale réfléchissante interne pouvant réfléchir et en outre focaliser le rayonnement solaire

incident à l'intérieur de la cavité.

Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 4, dans lequel aussi bien la cavité collectrice d'énergie solaire ogivale que le concentrateur solaire paraboïdal comprennent des parois internes et externes avec entre elles un agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes et à passe unique que l'agent propulseur peut traverser avec des turbulences, dans lequel le rayonnement solaire peut chauffer la paroi interne de la cavité collectrice d'énergie solaire ogivale et le concentrateur solaire paraboïdal, et l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes pour que ce dernier chauffe de son côté l'agent propulseur, et dans lequel la paroi interne de la cavité collectrice d'énergie solaire et le concentrateur solaire paraboïdal peuvent être refroidis de façon régénérative par l'agent propulseur.

6 Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 4 ou 5, qui peut recevoir le rayonnement solaire focalisé par une section conique, la section conique comportant une ouverture o le

rayonnement solaire focalisé peut pénétrer dans le moteur.

7 Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 6, dans lequel la cavité collectrice d'énergie solaire ogivale, le concentrateur solaire paraboïdal et la section conique comprennent des parois internes et externes avec entre elles un agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes et à passe unique que l'agent propulseur peut traverser avec des turbulences, dans lequel le rayonnement solaire peut chauffer la paroi interne de la cavité collectrice d'énergie solaire ogivale, le concentrateur solaire paraboïdal et la cavité collectrice d'énergie solaire, et l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes pour qu'il chauffe de son côté l'agent propulseur, et dans lequel la paroi interne de la cavité collectrice d'énergie solaire, le concentrateur solaire paraboïdal et la section conique peuvent être refroidis de façon

régénérative par l'agent propulseur.

8 Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 7, comprenant un collecteur annulaire sur le côté réception du rayonnement solaire de la section conique, dans lequel l'agent propulseur peut pénétrer dans le moteur et être distribué de façon

régulière dans tous les azimuts de la section conique.

9 Moteur à propulsion thermique solaire selon l'une quelconque

des revendications 2 à 8, dans lequel la mousse est choisie dans le

groupe constitué par de la mousse de carbone vitreux réticulé, de la mousse de carbure de hafnium, de la mousse de carbure de zirconium et

de la mousse de carbure de tantale.

Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 9, dans lequel la mousse est revêtue de rhénium, et les parois

internes et externes sont en rhénium.

11 Moteur à propulsion thermique solaire selon l'une quelconque

des revendications 2 à 8, dans lequel la mousse est de la mousse de

carbone vitreux réticulé revêtu de rhénium, de carbure de hafnium ou de carbure de zirconium, et les parois internes et externes sont

réalisées en rhénium, carbure de hafnium ou carbure de zirconium.

12 Moteur à propulsion thermique solaire selon l'une quelconque

des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de

collecte et de focalisation solaire, une isolation, des écrans de rayonnement, une structure de support et des moyens pour éviter la

sublimation des parois internes et externes de la cavité ogivale.

13 Moteur à propulsion thermique solaire qui comprend: (a) un échangeur de chaleur dont la géométrie est telle qu'il comprend des parois interne et externe enfermant entre elles un agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes à travers lequel un agent propulseur peut passer avec des turbulences, dans lequel le rayonnement solaire peut chauffer la paroi interne et l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes pour que de son côté ce dernier chauffe l'agent propulseur, et (b) une tuyère fixée à et communiquant avec l'agent échangeur de chaleur en mousse à cellules ouvertes que le fluide propulseur chauffé

peut traverser pour créer une poussée.

14 Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 13, dans lequel la mousse est choisie dans le groupe constitué par de la mousse de carbone vitreux réticulé, de la mousse de carbure de hafnium, de la mousse de carbure de zirconium et de la mousse de

carbure de tantale.

Moteur à propulsion thermique solaire selon les

revendications 13 et 14, dans lequel la mousse est revêtue de rhénium,

et les parois internes et externes sont en rhénium.

16 Moteur à propulsion thermique solaire selon la revendication 13, dans lequel la mousse est de la mousse de carbone vitreux réticulé et la mousse est revêtue de rhénium, de carbure de hafnium ou de carbure de zirconium, et les parois internes et externes sont

réalisées en rhénium, carbure de hafnium ou carbure de zirconium.

17 Moteur à propulsion thermique solaire selon l'une quelconque

des revendications 13 à 16, dans lequel l'échangeur de chaleur est un

échangeur de chaleur à passe unique.