FR2965305A1 - Systeme propulsif de lanceur spatial mettant en oeuvre un procede de regulation de la consommation d'ergols - Google Patents

Systeme propulsif de lanceur spatial mettant en oeuvre un procede de regulation de la consommation d'ergols Download PDF

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Abstract

Ce système propulsif de lanceur spatial comporte : - un moteur (200) alimenté par au moins deux réservoirs d'ergols (131, 132) ; - des moyens de mesure (50) aptes à mesurer, par dénoyage, la quantité d'ergol (MCT , MCT ) effectivement consommée dans chacun desdits réservoirs ; - des moyens d'estimation (EST) aptes à estimer, à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement (PC, VT1, VT2) dudit moteur, les débits instantanés (Q * , Q * ) de chacun desdits ergols ; et - des moyens pour corriger la méthode mise en œuvre par lesdits moyens d'estimation à partir des quantités consommées mesurées (MCT , MCT ) et des débits instantanés estimés (Q * , Qi* ).

Description

Arrière-plan de l'invention
L'invention se situe dans le domaine des moteurs à plusieurs ergols et plus particulièrement dans le domaine des systèmes propulsifs de lanceurs spatiaux comportant au moins deux réservoirs d'ergol.
Plus précisément, l'invention cherche à optimiser la consommation d'ergols dans de tels lanceurs. En général, dans l'état actuel de la technique, les moteurs de lanceurs spatiaux sont réglés, ce qui signifie qu'ils ont un point de fonctionnement prédéterminé pour toute la durée du vol, ce réglage n'étant pas ajustable au cours du vol. Ceci présente un premier inconvénient, car le réglage étant prédéterminé, celui-ci n'est pas en mesure de s'adapter efficacement aux modifications du comportement du moteur pendant le vol, par exemple en cas de panne ou de baisse du rendement d'un sous-système.
Par ailleurs, afin de palier aux incertitudes de réglage, il est usuel de surcharger les réservoirs en ergol afin de couvrir le besoin en poussée quelles que soient les incertitudes en rapport de mélange. En pratique, il s'avère qu'au moins un des réservoirs est non vide en fin de propulsion.
On comprend que ceci n'est pas souhaitable, la masse d'ergol non consommée étant une charge inutile pour le lanceur. Le document FR2524938 décrit un procédé pour réguler le rapport de mélange d'ergols dans un moteur à ergol consistant à mesurer le débit des ergols à la sortie des turbopompes, à comparer ces débits avec une valeur de consigne et à agir sur la vitesse des turbopompes de manière à obtenir l'épuisement total des ergols à l'arrêt du fonctionnement du moteur. Ce procédé présente un inconvénient majeur en ce qu'il nécessite l'utilisation de débit-mètres, une telle instrumentation n'étant en pratique pas utilisable pour des raisons de coût et de poids et, selon la technologie, de précision. 1 Objet et résumé de l'invention
La présente invention propose un procédé de régulation de la consommation d'ergols stockés dans les réservoirs d'un lanceur spatial qui ne présente pas les inconvénients des procédés connus de l'état de la technique. Plus précisément, selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de régulation de la consommation d'ergols stockés dans au moins deux réservoirs d'un lanceur spatial, ce procédé comportant : - une étape pour mesurer, par dénoyage, la quantité d'ergol effectivement consommée dans chacun desdits réservoirs ; - une étape d'estimation, à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur, des débits instantanés de chacun des ergols ; et - une étape de correction de la méthode mise en oeuvre pour effectuer cette étape d'estimation, à partir des quantités consommées mesurées et des débits instantanés estimés. Corrélativement, l'invention vise aussi un moteur de lanceur spatial alimenté par au moins deux réservoirs d'ergols, ce moteur comportant : - des moyens de mesure aptes à mesurer, par dénoyage, la quantité d'ergol effectivement consommée dans chacun des réservoirs ; - des moyens d'estimation aptes à estimer, à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur, les débits instantanés de chacun des ergols ; et - des moyens pour corriger la méthode mise en oeuvre par les moyens d'estimation à partir des quantités consommées mesurées et des débits instantanés estimés.
Ainsi, le procédé de régulation et le moteur selon l'invention sont remarquables en ce qu'ils n'utilisent pas de débit-mètres pour mesurer le débit des ergols. Au contraire, conformément à l'invention, les débits d'ergols sont estimés, la fonction d'estimation étant recalée au cours de vol, après chacune des mesures de quantité d'ergol effectivement consommée dans 2 chacun des réservoirs, l'instant de ces mesures pouvant ainsi être qualifié de « point de rendez-vous ». L'invention permet en outre de corriger les fonctions d'estimation, celles-ci étant susceptibles de dériver en cours de vol, par exemple en cas de dégradation des performances d'un sous-système du moteur. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, on utilise également les quantités consommées mesurées et les débits instantanés estimés pour chacun des ergols pour corriger au moins une des consignes de régulation de moteur de manière à obtenir l'épuisement total des deux ergols à l'arrêt du fonctionnement de ce moteur. Préférentiellement, les quantités d'ergol mesurées par dénoyage sont effectuées en utilisant des sondes de température agencées à différents niveaux dans les réservoirs permettant de mesurer le niveau de façon discrète, chacune de ces sondes étant apte à émettre un signal lorsqu'elle n'est plus immergée dans l'ergol. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, les paramètres du moteur utilisés pour estimer les débits instantanés d'ergols sont les vitesses de rotation des turbopompes associées aux réservoirs et la poussée du moteur, celle-ci étant déduite directement de la pression dans la chambre de combustion du moteur. Dans un mode particulier de réalisation, les différentes étapes du procédé de régulation sont déterminées par des instructions de programme d'ordinateur.
En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en oeuvre par un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en oeuvre des étapes du procédé de régulation tel que mentionné ci-dessus.
Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable.
L'invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy disc) ou un disque dur.
Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
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 illustre un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 représente un moteur de lanceur spatial conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente, sous forme d'organigramme les principales étapes d'un procédé de régulation conforme à l'invention ; - la figure 3 représente l'évolution d'une consigne de régulation du moteur de la figure 1 ; - les figures 4A et 4B représentent l'évolution de la masse résiduelle des ergols dans chacun des réservoirs du moteur de la figure 1 ; - la figure 5 représente l'évolution du temps résiduel estimé ou calculé d'épuisement des volumes d'ergol dans le moteur de la figure 1 ; et - la figure 6 représente un moteur de lanceur spatial conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention.35 Description détaillée de l'invention
La figure 1 représente un système propulsif conforme à l'invention. Ce système propulsif comporte deux réservoirs d'ergol référencés 131 et 132 comportant, dans cet exemple respectivement de l'hydrogène et de l'oxygène, un moteur 200 et un dispositif de calcul 500. Les réservoirs d'ergol 131 et 132 sont placés en amont d'une pompe 111, 112, le débit de chacun des ergols pouvant être régulé par des vannes V1, V2 du moteur 200.
Dans le mode de réalisation décrit ici, le dispositif de calcul 500 est constitué par un contrôleur apte à mettre en oeuvre le procédé représenté sous forme d'organigramme à la figure 2. Dans le mode de réalisation décrit ici, le dispositif de calcul 500 comporte des moyens REG de régulation recevant en entrée deux consignes de régulation du moteur à savoir une consigne PCcons de pression dans la chambre de combustion 100 du moteur et une consigne RMcons du rapport de débit massique des ergols en entrée de la chambre de combustion 100. Conformément à l'invention, le système propulsif comporte des moyens pour mesurer, de façon discrète, la quantité d'ergols effectivement consommée dans chacun des réservoirs 131, 132. Plus précisément, dans le mode de réalisation décrit ici, des sondes de température ST sont agencées à différents niveaux des réservoirs 131, 132, ces sondes ST étant adaptées à générer un signal SIG dès lors qu'elles ne sont plus immergées dans l'ergol. Bien entendu, les réservoirs ne se vidant pas à la même vitesse, les signaux SIG sont émis indépendamment, à des instants qualifiés de « points de rendez-vous ». A chaque point de rendez-vous, un signal SIG est reçu, au cours d'une étape E10 du procédé de régulation conforme à l'invention, par des moyens 50 aptes à déterminer la masse totale d'ergol consommée dans le réservoir concerné. On note MCTo et MCTH les masses totales consommées en oxygène et hydrogène.
Par ailleurs, conformément à l'invention, le dispositif de calcul 500 comporte des moyens EST pour estimer, au cours d'une étape E20 du 5 procédé de régulation selon l'invention, les débits instantanés Q;*o et Q;*H de chacun des ergols, à partir d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement du moteur. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, ces paramètres de 5 fonctionnement sont les vitesses VT1, VT2 des turbopompes 111 et 112 et la pression PC dans la chambre de combustion 100. Ces moyens d'estimation EST utilisent une fonction d'estimation susceptible d'être corrigée à chacun des points de rendez-vous. Plus précisément, le dispositif de calcul 500, comporte des 10 moyens d'intégration 121 aptes à effectuer le cumul, entre deux points de rendez-vous des débits instantanés estimés instantanés estimés Q;*H, Q;*o. On note respectivement OMEfH et OMETo la masse estimée totale consommée en hydrogène et en oxygène entre deux points de 15 rendez-vous. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de calcul 500 comporte des moyens RST pour réinitialiser les moyens d'intégration 121 à chaque point de rendez-vous, autrement dit, à chaque occurrence du signal SIG. 20 Dans ce mode de réalisation, le dispositif de calcul 500 comporte des moyens 122 pour comparer ces cumuls estimés OMErH, OMET° avec les variations de masses consommées réelles AMCT° et AMCTH, les résultats CORN et COR° de ces comparaisons étant fournis en entrée des moyens d'estimation EST afin d'ajuster la fonction d'estimation 25 des débits. Le rapport de mélange d'ergols RM* estimé est fourni en entrée des moyens REG de régulation du moteur. L'ajustement ou la correction de la fonction d'estimation mise en oeuvre pour l'étape d'estimation est ainsi effectué au cours d'une étape 30 générale E30 du procédé de régulation représenté à la figure 2. Dans le mode de réalisation décrit ici, les moyens REG de régulation du moteur reçoivent en entrée deux consignes, à savoir une consigne de pression PCcons dans la chambre de combustion 100 et une consigne en rapport de mélange RMcons. 35 Dans le mode de réalisation décrit ici, la consigne RMcoNs sur les rapports de mélange est corrigée à chacun des points de rendez-vous, de manière à ce que l'on puisse obtenir l'épuisement total des deux ergols à l'arrêt du fonctionnement du moteur 200. A cet effet, on détermine, sur la base des masses restantes totales (MRTo, MRTH) et des débits instantanés estimés (Q;*o, Q;*H), l'instant (TR*H, TR*o) auquel chacun des deux réservoirs 131, 132 serait entièrement vide dans l'hypothèse d'un fonctionnement du moteur non modifié, en divisant chaque masse restante totale (MRTH, MRTo) par le débit instantané estimé correspondant (Q;*o, Q;*H). On retient la valeur TR minimum de ces deux valeurs Q;*o et Q;*H, appelée ci-après « temps résiduel ». Après avoir estimé la durée TR minimum, on recalcule, par des moyens 127, les débits de consigne (QOcoNS, QHcoNs) qui permettraient d'obtenir l'épuisement total des deux ergols au même moment. En divisant ces débits (fonction 128), on obtient la consigne en rapport de mélange RMcoNs. La correction de cette consigne RMcoNs constitue une étape E40 du procédé de régulation selon l'invention. La figure 3 permet d'illustrer l'évolution de la consigne RMcoNs mentionnée ci-dessous.
En traits pointillés, on a représenté le rapport de mélange entre les masses d'oxygène et d'hydrogène (rapport = 6) au moment du démarrage de lanceur. Il est intéressant de noter, sur cette figure que la consigne RMcoNs au démarrage est différente du rapport des ergols, le procédé de régulation selon l'invention permettant de recaler assez rapidement la consigne pour permettre d'obtenir l'épuisement total des deux ergols à l'arrêt du fonctionnement du moteur de façon simultanée. En référence aux figures 4A et 4B, on observe l'évolution de la masse résiduelle MRTH en hydrogène et en oxygène MRTo dans les réservoirs 131, 132 (masse résiduelle réelle en trait plein et estimée en trait pointillé, ces courbes étant confondues pour l'oxygène). Les masses consommées total MCTH, MCTo et estimées IXMETH, OMEI-o entre deux points de rendez-vous sont aussi représentées. La figure 5 représente en abscisse le temps réel, et en ordonnées le temps résiduel TR obtenu en sortie du comparateur 126.
On peut noter entre 80s et 100s une évolution du temps résiduel TR minimum suite à la correction d'une des masses résiduelles estimées M RTo et/ou M RTH. La figure 6 représente un moteur de lanceur spatial conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le procédé de régulation de consommation d'ergols est mis en oeuvre par un programme d'ordinateur PG mémorisé dans un support d'enregistrement 1002, ce programme pouvant être exécuté par un processeur 1001, les variables nécessaires à l'exécution de ce programme étant mémorisées temporairement dans une mémoire vive 1003. Ce programme d'ordinateur reçoit via un module d'entrées/sorties (E/S) en entrée les signaux SIG émis par les réservoirs 131 et 132 à chacun des points de rendez vous.
Ce programme d'ordinateur est apte à calculer les masses totales MCTo et MCTH consommées en oxygène et hydrogène et à estimer les débits instantanés QI*o et QI*H de chacun des ergols à partir des paramètres de fonctionnement du moteur constitué, dans cet exemple, par les vitesses VT1 et VT2 des turbopompes et de la pression PC dans la chambre de combustion. Ce programme d'ordinateur est apte à mettre en oeuvre les opérations décrites précédemment en référence au mode de réalisation de la figure 1. En particulier, il comporte des instructions pour comparer les masses totales estimées consommées en hydrogène et en oxygène (AMETH et AMETo) avec les variations des masses consommées réelles OMCTo et AMCTH ) pour ajuster la fonction d'estimation des débits. Ce programme d'ordinateur permet ainsi de corriger, à chacun des points de rendez-vous, la consigne en rapport de mélange RMcoNS de manière à ce que l'on puisse obtenir l'épuisement total des deux ergols à l'arrêt du fonctionnement du moteur 200. Cette consigne en rapport de mélange RMcoNS et une consigne en pression PCcoNS permettent de réguler le débit des vannes V1 et V2.35

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de régulation de la consommation d'ergols stockés dans au moins deux réservoirs (131, 132) d'un moteur (200) de lanceur spatial, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape (E10) pour mesurer, par dénoyage, la quantité d'ergol (MCTo, MCTH) effectivement consommée dans chacun desdits réservoirs ; - une étape (E20) d'estimation, à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement (PC, VT1, VT2) dudit moteur, des débits instantanés (Q;*o, Q;*H) de chacun desdits ergols ; et - une étape (E30) de correction de la méthode mise en oeuvre pour effectuer ladite étape d'estimation à partir des quantités consommées mesurées (MCTo, MCTH) et des débits instantanés estimés (Q *o, Q *H)-
  2. 2. Procédé de régulation selon la revendication 1 caractérisé en ce que, le moteur étant régulé pour tendre vers au moins une consigne (RMcons, PCcons), ce procédé comporte en outre : - une étape (E40) de correction d'au moins une dite consigne (RMcons) à partir desdites quantités consommées mesurées et desdits débits instantanés estimés de manière à obtenir l'épuisement total des deux ergols à l'arrêt du fonctionnement dudit moteur.
  3. 3. Système propulsif de lanceur spatial comportant un moteur (200) alimenté par au moins deux réservoirs d'ergols (131, 132), caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens de mesure (50) aptes à mesurer, par dénoyage, la quantité d'ergol (MCTo, MCTH) effectivement consommée dans chacun desdits réservoirs ; - des moyens d'estimation (EST) aptes à estimer, à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement (PC, VT1, VT2) dudit moteur, les débits instantanés (Q;*o, Q;*H) de chacun desdits ergols ; et - des moyens pour corriger la méthode mise en oeuvre par lesdits moyens d'estimation à partir des quantités consommées mesurées (MCTo, MCTH) et des débits instantanés estimés (Q;*o, Q;*H).
  4. 4. Système propulsif selon la revendication 3 caractérisé en ce que, le moteur étant régulé pour tendre vers au moins une consigne (RMcons, Pcons), il comporte en outre : - des moyens pour corriger au moins une dite consigne (RMoons) à partir desdites quantités consommées mesurées et desdits débits instantanés estimés de manière à obtenir l'épuisement total des deux ergols à l'arrêt du fonctionnement dudit moteur.
  5. 5. Système propulsif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'estimation utilisent comme paramètres de fonctionnement les vitesses (VT1, VT2) de rotation de turbopompes associées à chacun desdits réservoirs (131, 132) et la pression (PC) dans une chambre de combustion (100) dudit moteur.
  6. 6. Système propulsif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure utilisent des sondes de températures (ST) agencées à différents niveaux desdits réservoirs et aptes à émettre un signal (SIG) lorsqu'elles ne sont plus immergées dans l'ergol.
  7. 7 Programme d'ordinateur (PG) comportant des instructions pour la mise en oeuvre d'un procédé de régulation de la consommation d'ergols selon la revendication 1 ou 2 lorsque ce programme est exécuté par un ordinateur.
  8. 8. Support d'enregistrement (1002) lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes d'un procédé de régulation de la consommation d'ergols selon la revendication 1 ou 2.
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