FR2937092A1 - Procede et dispositif de calcul d'une sequence de demarrage ou d'arret d'un moteur. - Google Patents
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Abstract
Ce procédé permet de calculer une séquence de démarrage (D ) ou d'arrêt (A ) d'un moteur, une telle séquence (A , D ) comportant une pluralité de tops (X , X ) auxquels doivent être effectués des actions prédéterminées de contrôle du moteur. Il comporte : -une étape d'obtention (E15, E22) d'au moins une condition thermodynamique dudit moteur; et - une étape de calcul (E24, E26) de ladite séquence (A , D ) en fonction de ladite au moins une condition thermodynamique, de paramètres (P , P ) dimensionnels du moteur, et de critères (Y , Y ) de bon fonctionnement du moteur.
Description
Arrière-plan de l'invention La présente invention se situe dans le domaine du contrôle d'un moteur. Elle s'applique en particulier au contrôle d'un moteur de fusée.
Elle vise plus particulièrement un procédé et un dispositif pour optimisation des séquences de démarrage ou d'arrêt d'un tel moteur. De façon connue de l'homme du métier, de telles séquences définissent le cadencement des événements tels que, par exemple, l'ouverture, le réglage ou la fermeture des vannes, ou la mise à feu des moyens pyrotechniques. Dans l'état actuel de la technique, les séquences de démarrage et d'arrêt d'un moteur de fusée sont prédéterminées une fois pour toutes au sol et programmées dans un calculateur de bord. Par conséquent, à chaque fois qu'un moteur de fusée doit être (ré-)allumé, au lancement ou après un premier vol autour de la Terre, il exécute toujours la même séquence. Or il s'avère que le moteur ne réagit pas toujours de la même façon à une même séquence, notamment en raison de la dérive de certaines de ses caractéristiques structurelles, (par exemple son coefficient d'échange thermique) de son environnement, ou de ses conditions thermodynamiques. Les séquences de l'état actuel de la technique, précalculées, ne sont pas toujours optimales, tout au long de la vie du moteur.
Objet et résumé de l'invention La présente invention résout ces inconvénients. A cet effet, l'invention concerne un procédé de calcul d'une séquence de démarrage ou d'arrêt d'un moteur, une telle séquence comportant une pluralité de tops (ou d'instants) auxquels doivent être effectués des actions prédéterminées de contrôle du moteur, ce procédé comportant: - une étape d'obtention d'au moins une condition thermodynamique du moteur ; et - une étape de calcul de la séquence en fonction de ces conditions thermodynamiques, de paramètres dimensionnels du moteur, et de critères de bon fonctionnement du moteur.
Ainsi, conformément à l'invention, les tops de la séquence de démarrage (respectivement d'arrêt) sont recalculés juste avant chaque démarrage (respectivement avant chaque arrêt) du moteur en fonction des paramètres thermodynamiques du moteur.
L'invention permet ainsi d'optimiser de telles séquences. Dans un mode particulier de réalisation, lesdites conditions thermodynamiques du moteur prises en compte sont : - la température initiale d'un circuit régénératif du moteur (démarrage) ; - un coefficient traduisant l'échauffement du circuit régénératif (démarrage et arrêt) ; et - un coefficient traduisant la perte de charge dudit circuit régénératif (démarrage et arrêt). Dans un mode particulier de réalisation, le calcul d'une séquence comporte : - une modélisation du comportement dudit moteur par un système d'équations de régression obtenue préalablement, par exemple à l'aide d'un plan d'expérience, ce modèle permettant d'exprimer les critères de bon fonctionnement, en fonction desdits tops, des paramètres dimensionnels et des conditions thermodynamiques ; et - une étape de résolution de ce système par la méthode des moindres carrés pour obtenir les tops. Dans un mode particulier de réalisation, les différentes étapes du procédé d'optimisation sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateurs.
En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur, ce programme étant susceptible d'être mis en oeuvre dans un ordinateur embarqué dans une fusée, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en oeuvre des étapes d'un procédé de calcul, tel que mentionné ci-dessus.
Corrélativement l'invention concerne un dispositif de calcul d'une séquence de démarrage ou d'arrêt d'un moteur, une telle séquence comportant une pluralité de tops (ou d'instants) auxquels doivent être effectués des actions prédéterminées de contrôle du moteur, ce dispositif comportant : - des moyens d'obtention d'au moins une condition thermodynamique dudit moteur; et des moyens de calcul de la séquence en fonction des conditions thermodynamiques, de paramètres dimensionnels du moteur, et de critères de bon fonctionnement du moteur. L'invention vise aussi un moteur de fusée comportant un tel dispositif de calcul.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 représente un moteur de fusée conforme à l'invention dans un mode particulier de réalisation ; - la figure 2 représente de façon schématique un procédé de calcul 15 de séquence de démarrage et d'arrêt du moteur de la figure 1 conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente un dispositif de calcul pouvant être utilisé dans une variante de l'invention ; et - la figure 4 illustre les performances de l'invention. 20 Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente un moteur de fusée 100 conforme à l'invention. Ce moteur utilise les ergols cryotechniques oxygène liquide (comburant) et hydrogène liquide (combustible), respectivement stockés 25 dans des réservoirs ROL et RHL, l'écoulement de chacun de ces ergols se faisant à travers par des vannes VAO, VAH. Dans l'exemple décrit ici, l'enthalpie nécessaire à l'entraînement des deux turbopompes TPO, TPH est fournie à l'hydrogène par passage dans un circuit régénératif CR constitué par une double-paroi de la 30 chambre de combustion CC. Plus précisément, l'hydrogène liquide entre dans le circuit régénératif CR par une canalisation 101, se vaporise au contact des parois, et ressort du circuit régénératif CR par une canalisation 102 sous forme de gaz hydrogène pour entraîner les turbopompes TPH, TPO.
Des vannes progressives bypass hydrogène VBPH et VBPO permettent d'ajuster la puissance des turbopompes TPH et TPO en déviant une partie de l'écoulement de l'hydrogène gazeux afin de régler : - le rapport RM de mélange oxygène/hydrogène ; et - la pression PCC dans la chambre de combustion CC. Le moteur 100 comporte une vanne VPH de purge hydrogène et une vanne VPO de purge oxygène. Ces vannes sont utilisées lors de la période de mise en froid du moteur, au cours de laquelle on fait circuler les ergols liquides uniquement dans les turbopompes TPO et TPH pour que le moteur atteigne certaines conditions de température et de pression. Les vannes de chambre VCH et VCO autorisent ou non l'arrivée du combustible (hydrogène) et du comburant (oxygène) dans la chambre de combustion CC. La vanne VCO s'ouvre en deux temps décalés de OT_VCO. Dans le mode de réalisation décrit ici, le procédé de calcul des séquences de démarrage et d'arrêt selon l'invention sont déterminées par un programme d'ordinateur mis en oeuvre par un ordinateur 105 embarqué dans le moteur 100.
Conformément à l'invention, le moteur 100 comporte des moyens pour mesurer la température initiale TinitCR du circuit régénératif CR. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, ces moyens de mesure sont constitués par un capteur de température CI placé dans le circuit régénératif CR et couplé à l'ordinateur 105. Le moteur 100 comporte en outre des moyens pour mesurer les coefficients DTCR traduisant l'échauffement et DPCR traduisant la perte de charge du circuit régénératif CR. Dans le mode de réalisation décrit ici, le coefficient DTCR est calculé à partir de la différence entre la température Ts mesurée dans la canalisation 102 de sortie d'hydrogène et la température TE mesurée dans la canalisation 101 d'entrée de l'hydrogène dans le circuit régénératif CR. Dans le mode de réalisation décrit ici, le coefficient DPCR est calculé à partir de la différence entre la pression PS mesurée dans la canalisation 102 de sortie d'hydrogène et la pression PE mesurée dans la canalisation 101 d'entrée de l'hydrogène dans le circuit régénératif CR.
Dans le mode de réalisation décrit ici, ces mesures de pression et de température sont effectuées par des capteurs C2, C3, placés dans les canalisations 101, 102 et couplés à l'ordinateur 105. La figure 2 représente de façon schématique le fonctionnement du moteur 100 avec ses étapes de calcul de la figure 1. Nous supposerons dans cet exemple que le moteur 100 effectue trois séquences de démarrage D1 à D3 et trois séquences d'arrêt Al à A3. Conformément à l'invention, avant chaque séquence de démarrage D; ou d'arrêt on calcule les tops de la séquence en prenant en compte les conditions thermodynamiques du moteur 100. Plus précisément : les tops de la première séquence de démarrage D1 sont calculés au cours d'une étape E14 ; les tops de la première séquence d'arrêt Al sont calculés au cours d'une étape E16 ; - les tops de la deuxième séquence de démarrage D2 sont calculés au cours d'une étape E24 ; les tops de la deuxième séquence d'arrêt A2 sont calculés au cours d'une étape E26 ; les tops de la troisième séquence de démarrage D3 sont calculés au cours d'une étape E34 ; et les tops de la troisième séquence d'arrêt A3 sont calculés au cours d'une étape E36.
A) Séquence de démarrage : Nous allons maintenant décrire en détails un mode de réalisation de l'invention pour l'optimisation d'une séquence de démarrage D1r D3. 1/ Conditions thermodynamiques au démarrage Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les conditions thermodynamiques prises en compte pour calculer les tops des séquences de démarrage D; sont: - la température initiale TinitCR du circuit régénératif CR ; et - - les coefficients DTCR traduisant l'échauffement et DPCR traduisant la perte de charge du circuit régénératif CR.
Dans le mode de réalisation décrit ici, la température initiale TinitCR du circuit régénératif CR est mesurée avant chaque démarrage, en fin de mise à froid. Ainsi, à titre d'exemple, le calcul de la séquence de démarrage Al (étape E14), est précédé d'une mesure (étape E12) de la température TinitCR du circuit régénératif CR, en fin de mise à froid (étape E11). Dans le mode de réalisation de l'invention, les coefficients DTCR traduisant l'échauffement et DPCR traduisant la perte de charge du circuit régénératif CR sont estimés (étape E13) avant la première séquence de démarrage D1 (étape E14) et mesurés (étapes E15, E25) lors du pallier précédant chaque séquence D2, D3 de redémarrage (étapes [24, E34).
2/ Ajustement des Tops de démarrage Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les tops To à T12 d'une 15 séquence de démarrage D; sont les suivants : Top : Instant Action To HO - AD Calcul de la séquence de démarrage T1 TOP VPO Ouverture de la vanne VPO __Ouv T2 TOP_VPH_Ouv Ouverture de la vanne VPH T3 TOP_VAO_Ouv Ouverture de la vanne VAO pour mise à froid T4 TOP_VAH_Ouv Ouverture de la vanne VAH pour mise à froid T5 TOP_VBPH_Ferm Fermeture de la vanne VBPH vers la portion de réglage en butée T6 TOP_VBPO_Ferm Fermeture de la vanne VBPO vers la position de réglage en butée T, HO Ouverture VCH entraînant le démarrage du moteur 100 T8 TOP_ALL Mise à feu de l'allumeur T9 TOP_VCO Premier temps d'ouverture de VCO T10 TOP_VCO + Deuxième temps d'ouverture de VCO AT_VCO T11 TOP VPH Fermeture de VPH __Ferm T12 TOP_VPO_Ferm Fermeture de VPO En pratique, la durée AD (à déterminer) entre le calcul de la séquence de démarrage et l'ouverture de VCH est de l'ordre de quelques centaines de millisecondes. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, l'invention permet 5 d'optimiser la séquence de démarrage du moteur en ajustant les tops To à T12 en fonction : - des conditions thermodynamiques du moteur ; - de paramètres dimensionnels du moteur ;et - de critères de bon fonctionnement du moteur. 10 On notera XDEM le vecteur colonne des Tops d'ajustement de la séquence de démarrage: XDEM = t(TOP_VOP_Ouv, TOP_VPH_Ouv, TOP_VAO_Ouv, TOP_VAH_Ouv, TOP_VBPH_Ferm, TOP_VBPO_Ferm, TOP_ALL, TOP_VCO, TOP_VPH_Ferm, TOP_VPO_Ferm, OT_VCO) 15 3/ Paramètres dimensionnels du moteur Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les paramètres dimensionnels du moteur pris en compte au démarrage sont : les sections KS_VPH et KS_VPO des vannes de purge VPH et VPO, les durées TM_VBPH et TM_VBPO d'ouverture des vannes bypass VBPH et VBPO ; les durées TM_VPH et TM_VPO d'ouverture des vannes de purge VPH et VPO ; et la durée TM_VCO d'ouverture de la vanne VCO. On notera PDEM le vecteur colonne de ces paramètres dimensionnels : PDEM=t(KS VPH, KS_VPO, TM VBPH, TM VBPO, TM VPH, TM VPO, TM_VCO)
30 4/ Critères de bon fonctionnement du moteur Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les critères de bon fonctionnement du moteur devant être respectés au démarrage, notés y1, yN, sont notamment des critères relatifs : - à l'amplitude DeltaRTH d'inversion de vitesse de la 35 turbopompe à hydrogène TPH ; 20 25 - à la vitesse de rotation et à l'accélération de la turbopompe à hydrogène TPH ; - à la vitesse de rotation et à l'accélération de la turbopompe à oxygène TPO ; - au rapport RM de mélange oxygène/hydrogène ; - et à l'écart entre ce rapport RM et des limites acceptables déterminées pour ce rapport. On notera YDEM, le vecteur colonne de ces critères y; de bon fonctionnement.
YDEM =t(Y1, ..., YN)•
5/ Calcul des tops de démarrage
a/ Première variante de réalisation Dans une première variante de réalisation de l'invention, le comportement du moteur est modélisé par un système S d'équations. Ce modèle S obtenu préalablement à l'aide d'un plan d'expérience, permet d'exprimer les critères YDEM de bon fonctionnement au démarrage du moteur, en fonction : des tops XDEM d'ajustement de la période de démarrage ; des paramètres dimensionnels PDEM du moteur au démarrage ; et des conditions thermodynamiques du moteur TinitCR, DTCR et DPCR.
YDEM = S(XDEM, PDEM, TinitCR, DTCR, DPCR)
A titre d'exemple, on peut exprimer le critère de non fonctionnement Delta RTH (amplitude d'inversion de vitesse de TPH) sous la forme :
DeItaRTH = y1 = E a1,; x;, où x; est une coordonnée de XDEM
Dans ce mode de réalisation, on exprime le système S d'équations sous la forme d'un système linéaire par rapport aux tops XDEM d'ajustement.
YDEM = A.XDEM + G(PDEM, TinitCR, DTCR, DPCR) dans lequel : - A est une matrice [a;,;] de sensibilité associée aux tops de démarrage XDEM ; et - G est une matrice [g;,;] de sensibilité associée aux conditions thermodynamiques du moteur, indépendante de XDEM.
Cette opération est connue de l'homme du métier et ne sera pas décrite en détails. Elle peut notamment être réalisée en : - décomposant S en deux fonctions H et G, respectivement dépendante et indépendante des tops XDEM ; et - linéarisant la fonction H par rapport à XDEM. YDEM = H + G = A.XDEM+ G: Dans un mode particulier de réalisation, pour améliorer le conditionnement de la matrice A, on normalise le système de régression par le vecteur initial Yo des critères de bon fonctionnement, et on cherche à résoudre : Y1DEM = Al.XDEM + G1 ou : Y1DEM = YDEM / YO, X1DEM = XDEM / Yo , G1 = G / Yo
Puis, dans le mode de réalisation décrit ici, on utilise la méthode des moindres carrés pour obtenir le vecteur X1DEM, et on en déduit le vecteur XDEM des tops d'ajustement de la séquence de démarrage. La méthode des moindres carrés consiste à minimiser la distance entre (Y1DEM ù G1) et A1.XDEM, min I I Al.XDEM ù (Y1DEM ù G1)I I. Dans un mode particulier de réalisation, on utilise un vecteur de pondération X, convenablement choisi pour pondérer les critères de démarrage et d'arrêt en fonction de leur niveau de criticité.
b/ Deuxième variante de réalisation
Dans une deuxième variante de réalisation, le calcul d'une séquence de démarrage A; est réalisé au sein d'un dispositif de calcul 300 schématisé à la figure 3.
Dans un mode de réalisation de cette deuxième variante, le dispositif de calcul 300 comporte : - un module de prédiction 301, apte à prédire les critères de bon fonctionnement YDEM, en fonction des paramètres thermodynamiques TinitCR, DPCR, DTCR et des paramètres dimensionnels PDEM du moteur pris en compte au démarrage ; et - un système à logique floue 302, apte à déterminer le vecteur de tops XDEM en fonction des critères YDEM déterminés par le module de prédiction 301.
Le module de prédiction 301 peut être un module à logique floue. En variante, ce module est déterministe et apte à résoudre le système d'équations linéaires de matrice KI, A étant la matrice de sensibilité associée aux tops de démarrage déjà décrite.
B) Séquence d'arrêt : La méthodologie d'ajustement des tops d'une séquence d'arrêt A; est identique à celle décrite pour l'ajustement des tops d'une séquence de démarrage, et ne sera pas décrite en détails. 1/ Conditions thermodynamiques à l'arrêt Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les conditions thermodynamiques prises en compte pour calculer les tops des séquences de démarrage A; sont les coefficients DTCR d'échauffement et DPCR de perte de charge du circuit régénératif CR.
Dans le mode de réalisation de l'invention, les coefficients DTCR d'échauffement et DPCR de perte de charge du circuit régénératif CR sont mesurés (étapes E15, E25, E35) avant chaque séquence d'arrêt AI, A2, A3 (étapes E16, E26, E36). 2/ Ajustement des Tops d'arrêt Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les tops To à T7 d'une séquence d'arrêt A; recalés par rapport au Top Tl, d'ouverture de la vanne by-pass hydrogène VBPH: Top : Instant Action To TOP_VBPOA Ouverture de la vanne s VBPO. Ti Os Ouverture de la vanne VBPH. T2 TOP_VPOA Ouverture VPO T3 TOP_VPHA Ouverture VPH T4 TOP_VCOA Fermeture VCO T5 TOP_VCHA Fermeture VCH On notera XARR le vecteur colonne des Tops d'ajustement de la séquence d'arrêt: XARR = t(TOP_VBPOA, TOP_VPOA, TOP_VPHA, TOP_VCOA, TOP_VCHA).
3/ Paramètres dimensionnels du moteur Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les paramètres dimensionnels du moteur pris en compte à l'arrêt PAR, sont les mêmes qu'au démarrage (PDEM).
4/ Critères de bon fonctionnement Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les critères de bon fonctionnement du moteur pris en compte à l'arrêt YARR sont les mêmes qu'au démarrage (YDEM). En variante, ces critères peuvent être différents.
5/ Optimisation des tops d'arrêt Cette optimisation peut être réalisée en utilisant l'une ou l'autre 20 des variantes décrites précédemment, à savoir par la méthode des moindres carrés, ou par le dispositif de calcul 300 à logique floue. La figure 4 illustre les performances de l'invention. Sur cette figure, la courbe Cl est une courbe de référence qui donne l'évolution de la pression PCC dans la chambre de combustion CC 25 du moteur de la figure 1 dans des conditions nominales, à savoir dans cet exemple pour une température initiale TinitCR du circuit représentatif CR égale à 265 K.
Les courbes C2 et C3 représentent l'évolution de la pression PCC dans cette même chambre pour une température initiale TinitCR de 200 K respectivement : - sans la mise en oeuvre de l'invention (séquences prédéterminées et indépendantes des conditions thermodynamiques) ; et - avec mise en oeuvre de l'invention (séquences calculées avec prise en compte des conditions thermodynamiques). Cette figure permet de constater que, grâce à l'invention, l'évolution de la pression PCC dans la chambre de combustion conserve un profil très proche du modèle de référence (courbe Cl) établi aux conditions nominales, l'invention permettant au moteur fusée de garder un comportement optimum, tout au long de sa vie, indépendamment des conditions thermodynamiques de son environnement.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Procédé de calcul d'une séquence de démarrage (D;) ou d'arrêt (A;) d'un moteur (100), ladite séquence (Al, D;) comportant une pluralité de tops (XDEM, XARR) auxquels doivent être effectués des actions prédéterminées de contrôle dudit moteur (100) caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape d'obtention (E15, E22) d'au moins une condition thermodynamique dudit moteur (100); et - une étape de calcul (E24, E26) de ladite séquence (Al, D;) en fonction de ladite au moins une condition thermodynamique, de paramètres (PDEM, PARR) dimensionnels dudit moteur, et de critères (YDEM, YARR) de bon fonctionnement dudit moteur.
- 2. Procédé de calcul selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites conditions thermodynamiques du moteur prises en compte pour le calcul d'une séquence de démarrage (D;) sont: - la température initiale d'un circuit régénératif (CR) dudit moteur ; - un coefficient traduisant l'échauffement dudit circuit régénératif (CR) ; et - un coefficient traduisant la perte de charge dudit circuit régénératif (CR).
- 3. Procédé de calcul selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites conditions thermodynamiques du moteur prises en compte pour le calcul d'une séquence d'arrêt (A;) sont: - un coefficient traduisant l'échauffement dudit circuit régénératif (CR) ; et - un coefficient traduisant la perte de charge dudit circuit régénératif (CR).
- 4. Procédé de calcul selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite étape de calcul (E14) d'une dite séquence comporte : - une modélisation du comportement dudit moteur par un système d'équations de régression obtenue préalablement, ledit modèle (S) permettant d'exprimer lesdits critères de bon fonctionnement (YDEM, YARR), en fonction desdits tops (XDEM, XARR), desdits paramètresdimensionnels (PDEM, PARR) et desdites conditions thermodynamiques ; et une étape de résolution dudit système par la méthode des moindres carrés pour obtenir lesdits tops (XDEM, XARR).
- 5. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de calcul selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur. 10
- 6. Dispositif de calcul d'une séquence de démarrage (D;) ou d'arrêt (A;) d'un moteur (100), ladite séquence (Al, D;) comportant une pluralité de tops (XDEM, XARR) auxquels doivent être effectués des actions prédéterminées de contrôle dudit moteur (100) caractérisé en ce qu'il 15 comporte : des moyens (CI, C2, C3) d'obtention d'au moins une condition thermodynamique dudit moteur (100); et des moyens (300) de calcul de ladite séquence (Ai, D;) en fonction de ladite au moins une condition thermodynamique, de paramètres (PDEM, 20 PARR) dimensionnels dudit moteur, et de critères (YDEM, YARR) de bon fonctionnement dudit moteur.
- 7. Dispositif de calcul selon la revendication 6 dans lequel lesdits moyens de calcul (300) comportent : 25 - un module de prédiction (301), apte à prédire les critères de bon fonctionnement (YDEM), en fonction des paramètres thermodynamiques (TinitCR, DPCR, DTCR) et des paramètres dimensionnels (PDEM) du moteur ; et - un système à logique floue (302), apte à déterminer le vecteur de 30 tops (XDEM) en fonction des critères (YDEM) déterminés par le module de prédiction (301).
- 8. Moteur de fusée (100) comportant un dispositif de calcul selon la revendication 6 ou 7. 35
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