FR2800131A1 - Fusees thermiques solaires - Google Patents
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Abstract
Fusée thermique solaire (10) comprenant une section de stockage d'énergie thermique (12), un réchauffeur intermédiaire radiant (14), un concentrateur solaire primaire (16), et une buse de propulsion (18). Le concentrateur (16) dirige l'énergie solaire (34) soit vers le réchauffeur (14), soit vers la section (12), celle-ci, avec son isolant (20), définit une cavité (32) laissant pénétrer les rayons solaires (34). La section (12) absorbe et stocke l'énergie (34) qui va la chauffer à des hautes températures. Le réchauffeur (14) reçoit directement les rayons (34) et transfère la chaleur vers le propergol qui est dirigé à travers la section (12) où il est davantage chauffé jusqu'à sa température de crête et est ensuite expulsé par la buse (18) produisant une poussée. Le réchauffeur (14) réduit la vitesse d'extraction de chaleur, prolongeant la période de température de crête du propergol, donnant une impulsion spécifique moyenne supérieure.
Description
La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à des fusées et plus particulièrement à fusées thermiques solaires.
Les fusées thermiques solaires ont d'abord proposées en 1954 comme solution pour donner une impulsion spécifique supérieure aux fusées chimiques. Les fusées thermiques solaires utilisent l'énergie du soleil pour chauffer un propergol (de manière classique, 'hydrogène) à des températures extrêmement élevées et pour expulser ensuite les gaz chauds par l'intermédiaire d' buse pour réaliser la poussée. La température élevée et le faible poids moléculaire du propergol se combinent pour produire une impulsion spécifique égale à deux à quatre fois celle d'une fusée chimique. D'une manière générale, les fusées thermiques solaires ont été soit d'une conception à "gain direct" dans laquelle le propergol est directement chauffé par de très grands capteurs solaires lors d'une longue combustion continue, soit d'une conception à "stockage d'énergie thermique" qui capte et stocke l'énergie en provenance de capteurs plus petits à utiliser dans de courtes "combustions" propulsives. Récemment, une conception "hybride à gain direct / stockage énergie thermique" a été proposée, laquelle combine la capacité de propergol à haute température de la conception a gain direct avec la particularité de capteur plus petit de la conception à stockage d'énergie thermique. Chacune ces conceptions a des avantages et des inconvénients.
La fusée à gain direct exige de très grands capteurs solaires (concentrateurs) pour donner une énergie suffisante pour chauffer le propergol d'hydrogène quand passe par une cavité constituée par des tubes métalliques réfractaires ou par une mousse encapsulée (de manière classique, du rhénium). L'avantage de ce type de fusée est que la température du propergol peut être extrêmement élevée (en théorie supérieure à 3 000 K), réalisant ainsi une poussée propulsive spécifique élevée. L'inconvénient de cette conception est que le (s) capteur(s) solaire (s doi(ven)t être extrêmement grand(s) (souvent, de vingt-cinq à cinquante mètres de diamètre) pour donner l'énergie nécessaire pour chauffer le propergol à partir de son état cryogénique de stockage (25 K) jusqu'à la température poussée très élevée. La technologie des concentrateurs n'a pas mûri jusqu'au point où des concentrateurs de ce type sont disponibles pour des applications spatiales (c'est-à- dire un poids léger et un faible volume de rangement qui s'accordent avec les véhicules de lancement spatiaux existants .
La conception à stockage d'énergie thermique résout problème du concentrateur en captant et en stockant l'énergie solaire sur une période orbitale, et en utilisant ensuite 1 énergie stockée pour réaliser la poussée pendant une courte combustion propulsive. Un certain nombre combustions sont nécessaires pour amener le vaisseau spatial jusqu'à sa destination. Plus la phase de stockage de la mission est longue, plus le capteur peut être petit. Cette approche autorise l'utilisation de la technologie capteur existante pour permettre le développement d'une fusée. Cependant, l'inconvénient majeur d'un système de ce type est les matières de stockage d'énergie (de manière classique, du graphite revêtu de rhénium ou du nitrure de bore encapsulé dans du tungstène) ont des limites de température bien au-dessous de celle d'un système à gain direct. Les conceptions courantes de stockage sont limitées à environ 2 400 K pour éviter une diffusion excessive de carbone à travers le revêtement de rhénium. Un choc thermique, qui se produit lorsque la matière / revêtement de stockage thermique chaude est initialement sôumise à un propergol froid à haute vitesse, peut également être un problème dans les conceptions à stockage d'énergie thermique. Un autre problème est que la température du propergol chauffé est très élevée au début de l'impulsion mais après une courte période, elle diminue car la chaleur est extraite par le propergol froid. Les performances résultantes sont inférieures à celles possibles en théorie en utilisant la conception gain direct avec des températures de sortie de propergol extrêmement élevées.
La conception hybride gain direct / stockage d'énergie thermique ajoute une section métallique totalement réfractaire à la suite de la section de stockage d'énergie thermique pour permettre le chauffage du propergol au-dessus de la limite de température des matières de stockage d'énergie thermique. Les températures supérieures améliorent les performances de transfert en orbite.
Un problème à la fois avec la conception à gain direct et avec la conception hybride est que la rétention de l'énergie thermique devient beaucoup plus difficile lorsque la température de cavité de crête augmente. Un isolant à feuilles multiples est souvent utilisé pour confiner la chaleur dans la zone chaude. A des températures très élevées, une perte de chaleur par l'ouverture de cavité et à travers l'isolant à feuilles multiples est dominée par un transfert de chaleur par rayonnement, qui varie avec la température à la puissance quatre. Elever la température de la cavité de dix pour cent a pour conséquence une augmentation de plus de quarante pour cent de la perte de chaleur. L'entrée de chaleur doit être augmentée de manière significative pour compenser les pertes de chaleur plus grandes si on doit obtenir des températures très élevées. Comment on l'a précédemment mentionné, la taille des concentrateurs solaires spatiaux pouvant être déployés est déjà un facteur limitatif dans les systèmes à fusée thermique solaire.
Certains systèmes de fusée à énergie solaire incorporent un concentrateur secondaire entre le concentrateur primaire et la cavité pour réduire la taille de l'ouverture, ce qui, à son tour, réduit la quantité de chaleur qui peut s'échapper par rayonnement en dehors de la cavité. Les pertes dues à une réflexion imparfaite dans concentrateur secondaire peuvent être significatives. Bien qu'il soit possible en théorie de limiter ces pertes a moins de dix pour cent, les pertes réelles sont d'environ quinze à trente-cinq pour cent de la puissance provenant concentrateur primaire.
En plus des pertes de chaleur élevées, les conceptions à très haute température présentent des défis de matière de structure, et de fabrication qui sont difficiles a résoudre individuellement et même plus difficiles à résoudre dans un système particulièrement sous des contraintes budgétaires normales. Aux très hautes températures souhaitées, des matières réfractaires doivent être utilisées. Le rhénium est la matière préférée à cause de sa compatibilité avec l'hydrogène et le carbone, un comportement ductile sur la totalité de la plage de températures, une faible pression de vapeur, une résistance élevée, un module d'élasticité élevé. Malheureusement, il est coûteux, difficile à former et à joindre, très dense, a une faible capacité calorifique. Le comportement structurel du rhénium à des températures tres élevées est pas bien caractérisé et varie de manière significative avec seulement de légères variations dans processus de fabrication. Pour capter et transférer de manière efficace la chaleur vers le propergol, il va falloir fabriquer des composants étanches aux fuites ayant des aires surfaciques relativement grandes. Bien que technologie de traitement au rhénium progresse, l'expérience a prouvé qu'il est difficile de fabriquer échangeurs de chaleur en rhénium, fiables, étanches aux fuites, efficaces et de poids léger.
Comme on l'a examiné, les concepts précédents offrent des performances améliorées, mais chacun a des problèmes difficiles d'ingénierie, particulièrement en association avec des températures extrêmement élevées. Une approche plus pratique est nécessaire. La présente invention aborde le besoin precédent. Ce qui est proposé est une fusée thermique solaire qui comprend une section de stockage d'énergie thermique, un réchauffeur intermédiaire radiant, un concentrateur solaire primaire, et une buse de propulsion. Le concentrateur solaire primaire est mobile, de manière sélective, pour diriger 'énergie solaire soit vers la section stockage d'énergie thermique, soit vers le réchauffeur intermédiaire radiant. La section de stockage d'énergie thermique, avec son isolant, est conçue pour définir une cavite de sorte qu'un faisceau concentré de rayons solaires peut pénétrer dans la cavité par une ouverture dans l'isolant. La section de stockage d'énergie thermique absorbe et stocke, de manière classique, l'énergie solaire lors de la partie non propulsive de la période orbitale. Les rayons solaires sont captés absorbés et chauffent, de ce fait, la section de stockage d'énergie thermique à des températures très élevées. Un réchauffeur intermédiaire radiant reçoit directement des rayons solaires concentrés et transfère la chaleur vers le propergol pendant la phase de propulsion. Le propergol chauffé par le réchauffeur intermediaire est dirigé a travers la section de stockage d'énergie thermique où il est davantage chauffé jusqu'à sa température de crête et est ensuite expulsé par l'intermédiaire de buse pour produire une poussée. Avec le réchauffeur intermédiaire, la vitesse d'extraction de chaleur à partir de la section de stockage d'énergie thermique est réduite, prolongeant la période de température de crête du propergol, ayant pour conséquence une impulsion spécifique moyenne supérieure.
Pour une meilleure compréhension de la nature et des objectifs de la présente invention, on se référera à la description qui va suivre lorsque prise en relation avec les dessins annexés dans lesquels des éléments semblables sont désignés par des références numériques semblables, et dans lesquels la figure 1 est une section transversale longitudinale au niveau du plan médian de l'invention, le concentrateur solaire primaire dans section de stockage d'énergie thermique étant dans la position de chauffage ; la figure 2 est une section transversale longitudinale au niveau du plan médian de l'invention, le concentrateur solaire primaire dans la position de propulsion pour diriger l'énergie solaire principalement vers le réchauffeur intermédiaire radiant.
En se référant aux dessins, on voit, à la figure 1, que l'invention est globalement désignée par la référence numérique 10. Une fusée thermique solaire 10 est globalement constituée par une section de stockage d'énergie thermique 12, un réchauffeur intermédiaire radiant 14, un concentrateur solaire primaire 16, et une buse de propulsion 18.
Les sections de stockage d'énergie thermique sont connues, d'une manière générale, mais vont être décrites dans un souci de clarté. La section de stockage d'énergie thermique 12 contient la matière de stockage d'énergie thermique et des canaux d'écoulement qui guident le propergol au travers de la section quand il est en cours de chauffage. La matière de stockage d'énergie thermique est, de manière classique, du graphite revêtu de rhénium et est configurée pour former une cavité 32 dans laquelle les rayons solaires 34 sont projetés. La section de stockage d'énergie thermique 12 est enfermée dans un isolant 20. Une ou plusieurs ouvertures sont prévues dans l'isolant pour admettre les rayons solaires dans la cavité 32 dans laquelle l'énergie est captée et chauffe la matière de stockage thermique lors du processus. Un concentrateur solaire secondaire 22 peut être prévu dans chaque ouverture. Le concentrateur solaire secondaire 22 sert à réduire la taille de l'ouverture en concentrant davantage le groupe de rayons solaires. L'ouverture plus petite minimise la quantité de chaleur qui peut rayonner en dehors de la cavité 32. La section de stockage d'énergie thermique 12 est en communication de fluide avec le réchauffeur intermédiaire radiant 14 par l'intermédiaire d' tuyauterie 26 qui est entourée par un isolant 20.
Le réchauffeur intermédiaire radiant 14 est positionné autour ou côté du concentrateur solaire secondaire 22 ou de l'ouverture de la cavité 32 si le concentrateur solaire secondaire 22 n'est pas utilisé. Le réchauffeur intermédiaire radiant 14 est constitué, de manière classique, par un serpentin de tubage métallique à travers lequel le propergol s'écoule. Le propergol est chauffé quand il s'écoule à travers le tubage.
Le concentrateur solaire primaire 16 est mobile entre une première position où il dirige les rayons solaires vers la cavité de la section de stockage d'énergie thermique 12 (figure 1) et une seconde position dans laquelle il dirige la majorité des rayons solaires vers le réchauffeur intermédiaire radiant 14 (figure 2). De manière classique, la surface réfléchissante du concentrateur 16 est un segment d'un paraboloïde, et cette surface est positionnée de sorte que le point focal est situé au niveau ou très proche de l'entrée du concentrateur solaire secondaire 22.
La buse de propulsion 18 est dans une communication de fluide avec l'intérieur de la section de stockage d'énergie thermique 12 pour recevoir et expulser un gaz de propergol pour produire la poussée.
Un réservoir d'alimentation en propergol 28 contient un propergol liquide ou gazeux approprié tel que de l'hydrogène. Le réservoir 28 est en communication de fluide avec le réchauffeur intermédiaire radiant 14 par l'intermédiaire de la tuyauterie 30 pour amener, de manière sélective, du propergol vers le réchauffeur intermédiaire radiant lors de la phase de propulsion au moyen d'une vanne 36 dans la tuyauterie 30.
Les opérations sont effectuées de la manière suivante. La figure 1 représente la phase non propulsive dans laquelle le concentrateur solaire primaire 16 est dans la première position. Dans la première position, le concentrateur solaire primaire 16 concentre et dirige l'énergie solaire vers la cavité de la section de stockage énergie thermique 12 par l'intermédiaire du concentrateur solaire secondaire 22. Les lignes frappant le concentrateur représentent les rayons solaires. Les flèches représentent rayons solaires réfléchis qui sont dirigés vers concentrateur solaire secondaire. Les rayons solaires réfléchis chauffent l'intérieur de la section de stockage énergie thermique, qui stocke la chaleur pour une utilisation ultérieure lors de la phase de propulsion. Les conceptions de stockage courantes sont limitées à environ 400 K.
La figure 2 représente la phase de propulsion dans laquelle le concentrateur solaire primaire est déplacé vers extérieur vers sa seconde position dans laquelle il projette une partie significative des rayons solaires réfléchis sur le réchauffeur intermédiaire radiant, reste entrant dans la section de stockage d'énergie thermique 12 par l'intermédiaire du concentrateur solaire secondaire 22. Le réchauffeur intermédiaire radiant revêtu, de préférence, par une matière ayant une absorptivité élevée à haute température (par exemple, un carbure réfractaire). Cela l'amène à absorber et à transférer de façon efficace l'énergie solaire vers le propergol s'écoulant en provenance du réservoir d'alimentation 28 avant de pénétrer dans la section stockage d'énergie thermique 12. Le réchauffeur intermédiaire radiant est conçu, de préférence, pour chauffer le gaz de propergol à une température de 600 800 K et jusqu'à 1 200 K.
Le propergol est libéré du réservoir 28 l'intermédiaire d'une vanne 36 et se déplace à travers la tuyauterie 30 vers le réchauffeur intermédiaire radiant 14. Le propergol se déplace à travers le réchauffeur intermédiaire radiant 14 et est chauffé par ce dernier. Le propergol chauffé se déplace ensuite à travers la tuyauterie 26 vers la section de stockage d'energie thermique 12 où il est davantage chauffé. Le propergol se déplace ensuite à travers la buse de propulsion pour produire la poussée pour propulser la fusée ou le satellite comme on le souhaite.
L'invention propose plusieurs avantages. Elle améliore les performances déjà élevées de la conception à stockage d'énergie thermique avec un réchauffeur intermediaire radiant pratique, hautement efficace. Des températures très élevées sont produites dans la section de stockage d'énergie thermique en positionnant le concentrateur solaire primaire pour projeter la plupart de l'energie solaire dans la section de stockage d'énergie thermique lors de la phase de réchauffage du cycle. Lorsque le concentrateur solaire primaire est repositionné lors de la phase de propulsion, le réchauffeur intermédiaire radiant capte manière plus efficace la puissance solaire incidente et la transfère vers le propergol. Au début de la phase propulsion, des températures de crête légèrement supérieures dans la section de stockage d'énergie thermique pourraient être obtenues en continuant de concentrer le faisceau solaire dans la section. Cependant, en projetant une partie principale de l'énergie solaire sur le réchauffeur intermédiaire radiant, plus d'énergie peut être captée utilisée par l'appareil, étendant de manière significative la période durant laquelle le propergol peut être chauffé à des températures proches des températures de crête.
Un autre avantage est que le réchauffeur intermediaire fonctionne à moins de 1 200 K et qu'il peut ainsi être fabrique avec des matières et des formes classiques. Avec des températures de réchauffeur intermédiaire inférieures à 1 000 K, acier inoxydable austénitique est la fière préférée. L'utilisation de matières classiques réduit les coûts fabrication et de planification et augmente la fiabilité de l'appareil tout entier.
Un autre avantage est le placement du rechauffeur intermédiaire près ou autour du concentrateur solaire secondaire. Cela permet de régler la proportion de la puissance solaire entre le réchauffeur intermédiaire et la section de stockage en repositionnant le concentrateur solaire primaire.
Un avantage supplémentaire est que le rechauffeur intermédiaire réduit le choc thermique sur la section de stockage énergie thermique en réduisant la différence de température entre la section de stockage chaude et le propergol entrant.
On comprendra que la configuration représentée et décrite puisse être modifiée. L'invention peut être constituée par un seul concentrateur solaire primaire, un seul concentrateur solaire secondaire, et un seul réchauffeur intermédiaire radiant. La section stockage d'énergie thermique peut être divisée en deux sections ayant chacune un concentrateur solaire primaire et un concentrateur solaire secondaire et un rechauffeur intermédiaire. La section de stockage d'énergie thermique pourrait etre une structure monolithe ayant une cavité intérieure ou pourrait être un ensemble de plusieurs modules agencés pour former une cavité pour capter le rayonnement solaire concentré. On peut utiliser plus d'une buse de propulsion. Le réchauffeur intermédiaire radiant pourrait être formé à partir d'un tube unique ou à partir de tubes multiples, de chambres, ou d'autres systèmes à confinement d'écoulement qui absorbent de façon efficace le rayonnement solaire concentré et qui transfèrent la chaleur vers le propergol s'écoulant. Le réchauffeur intermédiaire pourrait être construit à partir d'un quelconque métal, de céramique, ou d'un composite qui est compatible avec le propergol et avec des matières d'interface sur la plage de températures et de pressions de l'environnement de mise en oeuvre. Quelle que soit la matière utilisée, sa surface doit avoir une absorptivité élevée au rayonnement solaire.
Parce que de nombreux modes de réalisation différents peuvent être établis l'intérieur de l'étendue du concept de l'invention enseigné dans ce document et parce que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation de ce document détaillé selon les exigences légales de description, on comprendra que les détails de ce document doivent être interprétés comme étant représenta tifs et non limitatifs.
Claims (2)
1. Fusée thermique solaire (10), caractérisée en qu'elle comprend a. une section de stockage d'énergie thermique isolée (12) ; b. un réchauffeur intermédiaire radiant (14), ledit réchauffeur intermédiaire radiant (14) étant en communication de fluide avec une première extrémité de ladite section de stockage d'énergie thermique (12) ; c. buse de propulsion (18) en communication de fluide avec une seconde extrémité de ladite section de stockage d'énergie thermique (12) ; d. concentrateur solaire primaire (16), ledit concentrateur (16) étant mobile de manière selective entre une première position dans laquelle l'énergie solaire (34) est dirigée vers ladite section de stockage d'énergie thermique et une seconde position dans laquelle l'énergie solaire (34) est dirigée principalement vers ledit réchauffeur intermédiaire radiant (14) ; et e. un conteneur de stockage de propergol (28), ledit conteneur (28) étant en communication de fluide avec ledit réchauffeur intermédiaire radiant
2. Fusée (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus un concentrateur solaire secondaire 22) disposé sur ladite section de stockage d'énergie thermique (12).
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