FR2876753A1 - Propulseur electrothermique - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à un propulseur électrothermique (1) comprenant une section de chauffage (20) destinée à être traversée par un fluide propulsif (4) afin que celui-ci soit chauffé avant son éjection, la section de chauffage (20) étant alimentée par une source d'énergie électrique (22). Selon l'invention, la source d'énergie électrique (22) comporte des cellules photovoltaïques (24) montés sur un échangeur thermique (10) destiné à être traversé par le fluide propulsif (4), avant que ce dernier n'atteigne la section de chauffage (20).Application au domaine de la propulsion d'engins spatiaux.

Description

2876753 1
PROPULSEUR ELECTROTHERMIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte généralement à un propulseur électrothermique, comprenant de façon connue une section de chauffage alimentée électriquement et destinée à chauffer un fluide propulsif afin d'augmenter sa vitesse d'éjection du propulseur.
L'invention trouve une application toute particulière dans le domaine de la propulsion des engins spatiaux tels que des modules de transfert spatiaux, cette application n'étant cependant en aucun cas limitative.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Comme indiqué ci-dessus, les propulseurs électrothermiques connus (resistojet, arcjet) utilisent l'électricité pour chauffer un fluide propulsif tel que l'hydrogène, l'ammoniac, ou tout autre fluide approprié, afin d'obtenir un fluide propulsif chauffé et comprimé assurant une augmentation de sa vitesse d'éjection.
De l'art antérieur, on connaît des propulseurs électrothermiques du type resistojet et du type arcjet, les premiers présentant une section de chauffage employant une résistance chauffante traversée par le fluide propulsif, tandis que les seconds sont pourvus d'une section de chauffage assurant un réchauffement du fluide propulsif à l'aide d'un arc électrique.
Dans les deux cas, la source d'énergie électrique embarquée alimentant la section de chauffage est généralement complexe, et est habituellement à l'origine d'un faible rendement global pour l'ensemble du propulseur électrothermique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de proposer un propulseur électrothermique disposant d'une conception lui permettant de présenter un rendement global amélioré par rapport à celui rencontré dans les réalisations de l'art antérieur.
Pour ce faire, l'invention a pour objet un propulseur électrothermique comprenant une section de chauffage alimentée par une source d'énergie électrique et destinée à être traversée par un fluide propulsif afin que celui-ci soit chauffé avant son éjection. Selon l'invention, cette source d'énergie électrique comporte des cellules photovoltaïques montées sur un échangeur thermique destiné à être traversé par le fluide propulsif, avant que ce dernier n'atteigne la section de chauffage.
Avantageusement, dans le propulseur électrothermique selon l'invention, l'échangeur thermique associé aux cellules photovoltaïques permet de contenir l'échauffement de ces dernières, et assure donc un rendement satisfaisant pour ces mêmes cellules photovoltaïques par régénération de pertes thermiques.
Par conséquent, cette possibilité de limiter fortement l'échauffement des cellules permet d'avoir recours à des faibles surfaces de cellules photovoltaïques sur lesquelles on peut concentrer un rayonnement solaire, par exemple à l'aide de miroirs, sans pour autant engendrer une diminution du rendement de ces cellules.
Ceci s'explique bien entendu en raison du fait qu'une cellule solaire débite un courant proportionnellement au flux d'entrée sans perte de rendement et jusqu'à des taux de concentration très importants, tant que leur température est maintenue au-dessous d'une température maximale de service.
En outre, la possibilité de limiter les baisses de rendement des cellules permet aussi éventuellement d'utiliser des cellules photovoltaïques de technologies peu onéreuses.
De plus, le fluide propulsif circulant à l'intérieur de l'échangeur thermique étant le même que celui qui est destiné à traverser la section de chauffage avant d'être éjecté du propulseur, il est donc à comprendre que ce même fluide propulsif est alors avantageusement préchauffé par l'échangeur avant d'arriver dans la section de chauffage, également appelée chambre .
Ainsi, au vu de ce qui précède, il est évident que le rendement global du propulseur électrothermique peut être sensiblement amélioré par rapport à celui rencontré dans les réalisations de l'art antérieur.
Par ailleurs, que le propulseur selon l'invention soit du type resistojet ou arcjet, le rendement global obtenu peut être identique ou similaire à celui observé dans les propulseurs héliothermiques connus de l'art antérieur, sans que ce propulseur ne nécessite d'ensemble complexe et coûteux du type récepteur-échangeur-accumulateur, dont la technologie est relativement peu maîtrisée.
Comme cela a été évoqué ci-dessus, pour obtenir une puissance électrique adaptée aux besoins en électricité de la section de chauffage, il est préférable que la source d'énergie électrique comporte également un concentrateur solaire associé aux cellules photovoltaïques, ce concentrateur du type miroir prenant préférentiellement la forme d'une structure gonflable.
De manière préférée, les cellules photovoltaïques sont montées sur la surface extérieure de cet échangeur thermique, de préférence par collage.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Cette description sera faite au regard de la figure unique représentant une vue schématique de côté d'un propulseur électrothermique selon un mode de réalisation préféré de la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ En référence à la figure unique, il est représenté de façon schématique un propulseur électrothermique 1 selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, ce propulseur 1 étant indifféremment du type resistojet ou arcjet. 25
Le propulseur 1 comporte tout d'abord un réservoir 2 de fluide propulsif ou propergol 4, ce fluide propulsif 4 étant destiné à traverser l'ensemble du propulseur 1 selon une direction principale d'écoulement du fluide propulsif représentée par la flèche 6, jusqu'à être éjecté par une tuyère d'éjection 8 constituant la partie aval du propulseur 1.
Le réservoir 2 est raccordé vers l'aval à un échangeur thermique 10, et plus précisément à un collecteur amont 12 appartenant à ce dernier et destiné à diriger le fluide propulsif 4 en direction d'une portion centrale échangeuse 14 de cet échangeur 10. A ce titre, il est noté que l'échangeur thermique 10 peut en fait être réalisé à l'aide de deux échangeurs inverses, afin d'homogénéiser au maximum la température de la surface extérieure 16 de la portion centrale échangeuse 14. Cette portion centrale échangeuse 14 est de préférence réalisée en matériau du type à pas de piquage variable incluant ou non une couche de matériau très conducteur afin d'homogénéiser la température vue par les cellules photovoltaïques, qui, comme cela sera décrit de façon plus détaillée ciaprès, sont montées sur la surface extérieure 16. A titre d'exemple illustratif, la portion centrale échangeuse 14 est par exemple réalisée de la façon décrite dans le document FR-A-2 836 690.
Cette portion centrale échangeuse 14 est quant à elle raccordée à un collecteur aval 18 de l'échangeur 10, ce collecteur aval 18 étant luimême raccordé à une section de chauffage 20 du propulseur, dont la conception bien connue de l'homme du métier 2876753 6 dépend du type de propulseur réalisé (resistojet/ arcj et).
Le fluide propulsif 4, tel que l'hydrogène, l'ammoniac, ou autre, sort donc du collecteur aval 18 pour pénétrer à l'intérieur de la section de chauffage 20, avant d'en être extrait pour rejoindre la tuyère 8 depuis laquelle il est éjecté du propulseur 1 à une vitesse très importante.
L'une des particularités de l'invention réside dans le fait qu'une source d'énergie électrique embarquée 22 alimentant la section de chauffage 20 comporte des cellules photovoltaïques 24 montées sur la surface extérieure 16 de la portion centrale échangeuse 14 de l'échangeur 10.
Plus précisément, les cellules photovoltaïques 24, dites cellules solaires, sont de préférence agencées au sein d'une pluralité de panneaux solaires 26 ou panneaux de cellules solaires qui sont collés sur cette surface extérieure 16, cette dernière étant de préférence plane, ou de toute autre forme susceptible d'être rencontrée dans les échangeurs thermiques connus de l'homme du métier. A ce titre, il est précisé que cet échangeur thermique est conçu pour garder la surface extérieure 16 à une température uniforme et au-dessous de la température maximale de service des cellules 24.
En association avec les cellules solaires 24, la source d'énergie 22 comprend en outre un concentrateur solaire 28, prenant de préférence la forme d'une structure gonflable à miroirs, et éventuellement à lentilles de Fresnel. Ce type de concentrateur solaire 28, également connu de l'homme du métier, est donc agencé de manière à réfléchir la lumière en direction des cellules solaires 24, et permet de ce fait d'accroître le flux solaire capté par ces mêmes cellules, de manière significative.
Dans ce propulseur électrothermique 1, il est donc à comprendre que le fluide propulsif 4 circulant à travers la portion centrale échangeuse 14 de l'échangeur 10 assure un refroidissement des cellules solaires 24 qui voient ainsi leur débit électrique augmenter à rendement constant, tandis que ce même fluide propulsif 4 est alors en mesure de se présenter à l'entrée de la section de chauffage 20 en ayant déjà été préchauffé par l'intermédiaire de la chaleur émise par ces cellules solaires 24.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier au propulseur électrothermique 1 qui vient d'être décrit, uniquement à titre d'exemple non limitatif.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Propulseur électrothermique (1) comprenant une section de chauffage (20) alimentée par une source d'énergie électrique (22) et destinée à être traversée par un fluide propulsif (4) afin que celui-ci soit chauffé avant son éjection, caractérisé en ce que ladite source d'énergie électrique (22) comporte des cellules photovoltaïques (24) montées sur un échangeur thermique (10) destiné à être traversé par ledit fluide propulsif (4), avant que ce dernier n'atteigne ladite section de chauffage (20).
2. Propulseur électrothermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source d'énergie électrique (22) comporte également un concentrateur solaire (28) associé auxdites cellules photovoltaïques (24).
3. Propulseur électrothermique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit concentrateur solaire (28) associé auxdites cellules photovoltaïques (24) est une structure gonflable.
4. Propulseur électrothermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites cellules photovoltaïques (24) sont montées sur une surface extérieure {16) dudit échangeur thermique (10).
5. Propulseur électrothermique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites cellules solaires (24) sont montées sur la surface extérieure (16) par collage.
6. Propulseur électrothermique (1) selon 5 l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est du type resistojet.
7. Propulseur électrothermique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé 10 en ce qu'il est du type arcjet.
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