FR3018315A1 - Dispositif electrothermique de generation d'energie mecanique optimise, et systeme de propulsion associe - Google Patents

Abstract

Dispositif (1, 100) électrothermique de génération d'énergie mécanique, comprenant au moins une chambre primaire (2) comportant une tuyère anodique (6) munie d'un passage d'entrée (7), une cathode (9), une entrée de gaz (10) primaire débouchant dans le passage d'entrée (7), et un générateur de tension (11) disposé entre la tuyère anodique (6) et la cathode (9) de manière à générer un arc électrique (12) sur le trajet du flux de gaz primaire (13) injecté dans ladite chambre primaire (2). La cathode (9) comprend une cathode à surface de contact étendue disposée à l'entrée de la chambre primaire (2).

Description

Dispositif électrothermique de génération d'énergie mécanique optimisé, et système de propulsion associé L'invention concerne les systèmes turbo-mécaniques et notamment les systèmes de propulsion de type turboréacteurs, et se rapporte plus particulièrement à un dispositif thermoélectrique pour un tel système de propulsion. Les avions utilisent souvent des systèmes de propulsion à réaction, nommés turboréacteurs, basés sur l'utilisation d'une énergie chimique telle que du kérosène. La poussée générée par un turboréacteur thermochimique résulte de l'accélération de l'air entre l'entrée formée par une manche à air et la sortie formée par une tuyère. L'accélération est produite par la combustion d'un mélange comprenant par exemple du kérosène et de l'air comprimé.

L'inflammation du mélange permet de fortement dilater les gaz qui s'échappent du turboréacteur par la tuyère qui, en raison de sa section convergente, augmente la vitesse de l'air. Une partie de l'énergie produite est récupérée à la sortie de la tuyère par une turbine solidaire d'un compresseur placé en entrée du turboréacteur qui permet de comprimer l'air entrant dans la chambre de combustion. La variation de vitesse de l'air entre l'entrée et la sortie du réacteur crée une quantité de mouvement, ou poussée, vers l'arrière du turboréacteur qui, par réaction, engendre un déplacement vers l'avant du turboréacteur, et donc de l'avion équipé du turboréacteur.

Différents problèmes se posent avec ce type de propulsion chimique. Ces problèmes sont principalement liés à la combustion incomplète du kérosène, au filtrage du kérosène ainsi qu'à son pompage, à l'émission de dioxyde de carbone et d'autres particules polluantes, et aux risques inhérents à l'utilisation d'un carburant (par exemple incendies, dégagement de gaz toxiques, ...). L'inconvénient majeur lié à l'utilisation d'un turboréacteur thermochimique concerne l'utilisation d'une énergie fossile pour générer une poussée suffisante. Les engins aérospatiaux tels que des satellites spatiaux comprennent plusieurs systèmes de propulsion. L'un des systèmes de propulsion est un système de propulsion électrique uniquement utilisé pour les manoeuvres spatiales, la poussée pour la mise en orbite étant généralement générée par un système de propulsion thermochimique. Les systèmes de propulsion électrique utilisés peuvent être des systèmes de propulsion électrothermique, c'est-à-dire fondés sur la transformation d'une énergie électrique en énergie thermique, capables, d'une part, de convertir une énergie électrique en une énergie thermique par transfert de chaleur entre un arc électrique et un fluide propulseur, et d'autre part, de convertir l'énergie thermique en énergie cinétique par expansion du fluide chauffé au travers d'une tuyère pour générer une poussée. Un système de propulsion électrothermique de type « arcjet » embarqué sur un satellite utilise l' énergie électrique fournie généralement par des panneaux solaires pour générer un arc électrique qui réagit avec le fluide propulseur pour augmenter sa température. Ce type de propulsion thermoélectrique présente l'avantage par rapport à une propulsion thermochimique d'éviter d'embarquer une énergie fossile lourde et dont le rendement est moins bon pour l'allumage. En effet, l'énergie électrique peut être fournie à partir de toute source d'énergie électrique appropriée, par exemple des batteries d' alimentation. La plupart des systèmes de propulsion électrothermique comprennent une anode en forme de tuyère polarisée positivement et une cathode cylindrique ayant une extrémité conique polarisée négativement. L'anode et la cathode sont maintenues à proximité, séparées par un isolant. La tuyère définit une chambre d'expansion comportant un passage étroit sur une portion arrière et une ouverture divergente sur une portion avant. La cathode est alignée avec l'axe longitudinal de la tuyère anodique, l'extrémité conique de la cathode s'étendant dans le passage étroit de la chambre d'expansion. Le réacteur est rempli d'un gaz, ou fluide propulseur, et une haute tension est appliquée entre la cathode et l'anode de manière à générer un arc électrique. L'arc électrique généré entre les électrodes ionise le gaz de manière à entretenir un plasma et donc un canal de conduction entre la cathode et l'anode, jusqu'à ce que le gaz atteigne une haute température, l'augmentation de la température et de la pression du gaz engendrant une expansion et une accélération consécutive du gaz propulseur.

Les systèmes de propulsion électrothermique généralement utilisés possèdent une efficacité limitée. Le rendement est en effet inférieur à 50%, c'est-à-dire que moins de la moitié de l'énergie électrique est convertie en énergie cinétique, l'énergie résiduelle étant perdue en énergie calorifique et en particules ionisées.

Les pertes par énergie calorifique ne représentent qu'une part de l'énergie électrique initiale. L'efficacité est en fait principalement limitée par des pertes par ionisation et de dissociation des particules qu'on nomme « flux froids » ou plus communément en anglais « frozen flows ». Ces pertes proviennent de l'ionisation, de la dissociation, ou plus généralement du passage des particules à des états moléculaires excités emprisonnant une partie de l'énergie. Ces pertes se produisent lorsque le gaz ou le fluide propulseur est chauffé à haute température par l'arc électrique avant d'être éjecté au travers de la tuyère. Dans des propulseurs électrothermiques standard à arc électrique, le fluide propulseur chauffé demeure pendant une durée trop courte dans des zones à haute pression et à plus faibles températures, en l'occurrence la chambre d'expansion, pour permettre une recombinaison des atomes ou une désexcitation des molécules excitées. Par conséquent, l'énergie des ions et molécules encore dans des états excités est perdue et non disponible pour la poussée du réacteur. En plus de ces pertes dans le réacteur, les propulseurs électriques usuels utilisant un arc électrique ne tolèrent pas d'importantes variations dans le fluide propulseur car l'arc peut être « soufflé » par un flux de fluide propulseur trop important, rompant le canal de conduction formé par le plasma. On connaît, du document US 4 882 465, un système de propulsion électrothermique à arc électrique destiné à la propulsion de satellites pour des manoeuvres spatiales uniquement. Ce système comprend une injection secondaire de fluide propulseur pour réduire les pertes dues aux « frozen flows » et améliorer l'efficacité de propulsion. Cependant, ce type de propulsion n'est généralement utilisé que pour les manoeuvres des satellites car la poussée générée par un tel propulseur reste faible par manque de masse de fluide propulseur. De plus, l'injection d'un flux secondaire de fluide propulseur est réalisée au travers d'un passage formé dans l'anode, complexifiant la réalisation de l'anode. En effet, les systèmes connus de propulsion à arc électrique ne permettent pas de générer une poussée suffisante pour permettre la propulsion d'un engin aérospatial, notamment aéronautique, en particulier dans un environnement atmosphérique, tel qu'un avion. La poussée est limitée par la quantité de gaz éjecté et par les pertes, la quantité de gaz entrant dans le passage étroit étant limitée à cause des risques que l'arc électrique soit « soufflé » dans le passage étroit. L'invention se propose de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en fournissant un dispositif électrothermique permettant de chauffer un flux d'air assez important pour permettre la propulsion d'un engin aérospatial ou aéronautique tout en évitant des pertes importantes, et plus particulièrement un dispositif optimisé à arc électrique offrant une érosion réduite et homogène de la cathode. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif électrothermique de génération d'énergie mécanique, comprenant au moins une chambre primaire comportant une tuyère anodique munie d'un passage d'entrée, une cathode, une entrée de gaz primaire débouchant dans le passage d'entrée, et un générateur de tension disposé entre la tuyère anodique et la cathode de manière à générer un arc électrique sur le trajet du flux de gaz primaire injecté dans ladite chambre primaire.

Selon une caractéristique générale de l'invention, la cathode comprend une cathode à surface de contact étendue disposée à l'entrée de la chambre primaire. Une cathode présentant une pointe favorise la formation d'un arc électrique au niveau de la pointe et ne constitue donc pas une cathode à surface étendue. Une cathode à surface étendue comporte une surface de génération et d'attache d'un arc électrique conformée de sorte que la probabilité qu'un arc électrique se forme est la même quel que soit l'endroit de ladite surface. L'utilisation d'une cathode à surface de contact étendue plutôt qu'une pointe cathodique permet de réduire l'usure localisée en un point spécifique, l'usure de la cathode étant principalement provoquée par la très haute température de l'arc électrique. Avantageusement, la cathode à surface de contact étendue peut 10 comprendre une cathode creuse comportant une surface intérieure électriquement conductrice, la cathode creuse étant conformée pour pouvoir être traversée par du gaz. Une cathode creuse offre une grande surface homogène pour la formation d'un arc électrique. 15 L'isolation de la surface externe de la cathode creuse permet de réduire les surfaces disponibles pour la génération et l'attache d'un arc électrique à la paroi interne de la cathode creuse. De plus, le passage de gaz à l'intérieur de la cathode creuse, et donc au contact de sa paroi interne, permet de limiter la chute de 20 tension dans la gaine cathodique et donc de limiter l'énergie des ions frappant la surface et ainsi de limiter son érosion. Ceci favorise la maintien de l'arc électrique. En outre, le dispositif peut avantageusement également comprendre une ou plusieurs grille d'extraction montée en sortie de la 25 cathode creuse, c'est-à-dire entre la cathode creuse et l'orifice de sortie du passage d'entrée de la chambre primaire et un générateur de tension, voire de haute tension, apte à appliquer une différence de potentielle entre la cathode creuse et la grille pour extraire les électrons. 30 La grille d'extraction sur laquelle est appliqué un potentiel élevé par rapport au potentiel appliqué sur la cathode creuse permet d'extraire des d'électrons de la cathode creuse vers le passage d'entrée de manière à créer un chemin de conduction électrique favorable à la formation d'un arc électrique. Ainsi, les électrons extraits par la grille favorisent la formation de l'arc électrique entre la tuyère anodique et la paroi interne de la cathode creuse. Alternativement, le dispositif peut comprendre au moins un canon à électrons apte à générer un flux d'électrons dans le gaz injecté pour former une cathode à surface étendue sous la forme d'une cathode virtuelle, l'arc électrique étant généré entre la cathode virtuelle et la tuyère anodique. Le canon à électrons émet un flux d'électrons croisant le flux de gaz injecté dans le passage d'entrée. Le flux d'électrons permet de réaliser un préchauffage du flux de gaz injecté, l'énergie des électrons permettant d'exciter voire d'ioniser une partie des atomes et des molécules du gaz de manière à former un plasma. Les électrons libres à l'intérieur du plasma ainsi généré sont acheminés jusque dans le passage d'entrée grâce à l'énergie cinétique du flux de gaz. Les électrons favorisent la génération d'un arc électrique en créant un chemin privilégié pour la génération de l'arc électrique. L'arc électrique possède alors un point d'attache sur la cathode « virtuelle » située dans le plasma formé par le bombardement d'électrons sur le flux de gaz injecté.

On parle de cathode virtuelle car elle n'est pas formée par une électrode solide mais pas un plasma généré par un canon à électrons à distance du flux de gaz. De préférence, ledit canon à électrons est déporté par rapport à l'axe directif principal du flux de gaz dans le passage d'entrée. Le déport du canon permettant d'utiliser plusieurs canons et surfaces cathodiques et donc d'obtenir une densité de courant moindre sur celle-ci. Alternativement, le dispositif peut comprendre un canon à électrons annulaire monté sur l'entrée du passage d'entrée.

L'intégration du canon à électrons à un élément de la chambre primaire permet d'optimiser la taille du dispositif. En variante, la cathode à surface étendue peut comprendre une cathode annulaire montée sur un arbre rotatif traversant la chambre primaire le long de l'axe de révolution de la chambre primaire, la cathode annulaire comprenant une surface électriquement isolée disposée en regard de l'entrée de gaz de la chambre primaire et une surface électriquement conductrice opposée à la surface électriquement isolée.

Ceci permet de maximiser la surface favorable d'attache de l'arc et donc de limiter la concentration de courant en un seul point. Avantageusement, le dispositif peut comprendre en outre une chambre secondaire dans laquelle circule un flux de gaz secondaire en relation d'échange thermique avec le flux de gaz primaire chauffé issu de la chambre primaire, le flux de gaz secondaire possédant une température inférieure au flux de gaz primaire chauffé sortant de la chambre primaire. La chambre primaire fournit ainsi un premier flux de gaz chauffé à haute température permettant par échange thermique de chauffer le flux de gaz secondaire acheminé par la chambre de combustion secondaire. Lorsqu'il est intégré à un système de propulsion, par exemple à un turboréacteur, ce dispositif permet ainsi d'obtenir un grand flux de gaz chauffé, notamment avant le passage dans la turbine du turboréacteur. Cela permet de réduire les pertes en « flux froids » du flux de gaz primaire tout en permettant de chauffer un flux de gaz relativement important sans toutefois « souffler » l'arc. D'autre part, le flux de gaz secondaire ayant une température plus faible que la température du flux de gaz primaire chauffé, l'interaction entre les deux flux permet de réduire les pertes énergétiques du flux de gaz primaire chauffé dus aux « frozen flows ». La température plus faible du flux de gaz secondaire incite les ions et molécules excités du flux de gaz primaire chauffé à se désexciter et à se recombiner, et de dégager par conséquent de l'énergie radiative supplémentaire pour, notamment, le chauffage du flux secondaire. Le rendement du chauffage par l'arc électrique est ainsi nettement amélioré par l'interaction entre le flux d'air secondaire froid et le flux de gaz primaire chauffé.

Avantageusement, le dispositif électrothermique comprend des moyens de séparation d'un flux de gaz comprimé en un flux de gaz primaire et un flux de gaz secondaire. Lorsque le dispositif est intégré à un turboréacteur, en séparani ainsi un flux de gaz comprimé, notamment d'air comprimé, par le compresseur d'entrée du turboréacteur, la portion du flux de gaz comprimé prélevée pour former le flux de gaz primaire injecté dans la chambre primaire peut être dimensionnée pour maximiser le flux de gaz primaire chauffé sans risquer de souffler l'arc électrique généré dans la chambre primaire par un flux trop important. Le reste du flux de gaz comprimé est utilisé pour former le flux d'air secondaire. De préférence, la chambre secondaire comprend la chambre primaire. Elle peut être dirigée de manière à prélever une partie du flux de gaz comprimé entrant dans la chambre secondaire et à délivrer le flux de gaz primaire chauffé dans la même direction que le flux de gaz secondaire. La chambre primaire peut s'étendre parallèlement à la chambre secondaire. En variante, la chambre primaire débouche orthogonalement dans la chambre secondaire de sorte que le flux de gaz primaire chauffé soit orthogonal au flux de gaz secondaire, de manière à augmenter la section d'échange thermique. Lorsque le dispositif comprend une pluralité de chambres primaires, cela permet de multiplier le nombre de chambres primaires en relation d'échange thermique avec la chambre secondaire ce qui permet d'augmenter la température moyenne du flux de gaz en sortie du dispositif électrothermique, ou d'augmenter les dimensions du flux de gaz secondaire pour une même température de flux de gaz en sortie du dispositif de combustion. Le dispositif peut comprendre en outre au moins une turbine apte à recevoir en entrée le gaz chauffé dans la chambre primaire, la chambre primaire et la turbine étant couplées de sorte que le gaz chauffé dans la chambre génère un flux de gaz dans la turbine apte à actionner un arbre de transmission mécanique de la turbine.

Un tel dispositif électrothermique permet de réaliser un moteur électrique avec une densité d'énergie maximale permettant de s'affranchir des limitations des moteurs électriques connus, et notamment de réalieer un moteur électrique compact et léger pour une densité d'énergie générée maximale. Le dispositif peut comprendre en outre au moins un compresseur disposé en regard de l'entrée de gaz d'au moins une chambre primaire, le ou les compresseur(s) étant respectivement couplé(s) mécaniquement à une turbine.

Le compresseur, entraîné par la turbine, permet d'augmenter la quantité de gaz injectée dans le passage d'entrée au travers de l'entrée de gaz de chaque chambre primaire. L'invention a également pour objet un système de propulsion comprenant un dispositif électrothermique tel que défini ci-dessus pour engendrer un flux de gaz propulseur. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un engin aérospatial ou aéronautique comprenant au moins un système de propulsion tel que défini ci-dessus. D' autres avantages et caractéristiques de l 'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre de manière schématique une vue en coupe d'un dispositif électrothermique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 illustre schématiquement une vue en coupe d'un dispositif électrothermique selon un second mode de réalisation de l'invention la figure 3 illustre une vue en coupe d'un turboréacteur comprenant un dispositif électrothermique selon le premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 illustre une vue en coupe d'un turboréacteur comprenant un dispositif électrothermique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 est présenté un organigramme d'un procédé de traitement électrothermique de l'air aspiré dans un - turboréacteur selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Sur la figure 1 est illustrée de manière schématique une vue en coupe d'un dispositif électrothermique selon un premier mode de réalisation selon l'invention.

Le dispositif électrothermique 1 comprend une chambre primaire 2 montée à l'intérieur d'une chambre secondaire 3, la chambre secondaire 3 possédant des dimensions supérieures à celles de la chambre primaire 2. Pour une question de clarification, la turbine du dispositif n'a pas été représentée sur cette figure et sera décrite en référence à la figure 3. La chambre secondaire 3 comprend une ouverture 4 d'admission d'air permettant une injection d'un fluide propulseur, tel que de l'air, et une sortie d'échappement 5 permettant d'expulser l'air de la chambre secondaire 3, et par conséquent du dispositif électrothermique 1. La chambre primaire 2 constitue une chambre de chauffage primaire assurant le chauffage d'une partie de l'air admis en entrée du dispositif. Elle comprend une anode 6 ici en forme de tuyère comportant un passage d'entrée 7 et une ouverture d'expansion 8. On notera toutefois que l'on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque l'anode adopte un profil de forme droite et non courbée en tuyère. Le passage d'entrée 7 comprend une section plus étroite que le reste de l'anode 6. La chambre primaire 2 comprend également une cathode creuse 9 avec un corps cylindrique creux définissant une paroi intérieure 91 électriquement conductrice et une paroi extérieure 92 électriquement isolée. La cathode creuse 9 forme une cathode à surface étendue sur laquelle un arc électrique peut s'attacher à n'importe quel endroit de la paroi intérieure 92.

La cathode 9 est alignée avec l'axe longitudinal de la tuyère anodique 6. La cathode 9 est insérée dans la chambre primaire 2 de manière à avoir l'extrémité 93 en regard du passage d'entrée 7 située au voisinage du passage d'entrée 7.

L'extrémité 93 de la cathode 9 en regard du passage d'entrée 7 de la chambre primaire 2 comprend une partie en saillie 94 vers l'intérieur du cylindre. La partie en saillie 94 faisant partie du corps cylindrique, elle comporte une paroi intérieure 91 électriquement conductrice et une paroi extérieure 92 électriquement isolée.

La partie en saillie 94 favorise la formation d'un point d'attache d'un arc électrique 12 à l'intérieur du corps cylindrique creux plutôt que sur l'extrémité 93 de la cathode. Ce qui réduit l'usure de la cathode 9 à son extrémité 93. La chambre primaire 2 comprend en outre une entrée 10 d'air en regard de l'ouverture 4 d'admission d'air de la chambre secondaire 3 et débouchant sur le passage d'entrée 7. La chambre primaire 2 comprend également un générateur de courant 11 électriquement raccordé entre la tuyère anodique 6 et la cathode 9. Le générateur de courant 11 est configuré pour appliquer une différence de potentiel entre la cathode 9 polarisée négativement et l'anode 6 polarisée positivement, et ainsi engendrer un arc électrique 12 entre la pointe de la cathode 9 et la tuyère anodique 6, dans le passage d'entrée 7. L'arc électrique 12 est ainsi généré sur la trajectoire du flux d'air primaire 13 injecté dans la chambre primaire 3 par l'entrée 10 d'air jusque dans le passage d'entrée 7. L'arc électrique 12 permet l'ionisation du flux d'air primaire 13 et la création d'un plasma permettant de chauffer le flux d'air primaire 13 traversant le passage d'entrée 7. Un flux d'air primaire chauffé 14 s'échappe ensuite par l'ouverture d'expansion 8. Le flux d'air primaire 13 injecté dans la chambre primaire 2 est injecté avec une trajectoire tourbillonnaire initiée par exemple par les aubes rotatives d'un compresseur placé en amont du dispositif électrothermique 1. La trajectoire tourbillonnaire du flux d'air primaire 13 permet d'augmenter la quantité d'air interagissant directement avec l'arc électrique 12, et ainsi d'optimiser le chauffage du flux d'air secondaire 15 sans augmenter le flux et risquer de souffler l'arc électrique 12. Bien entendu, on pourrait également, en variante, prévoir une injection d'air primaire selon une trajectoire droite, ou rectiligne. La chambre secondaire 3 reçoit un flux d'air secondaire 15 à travers l'ouverture 4 d'admission d'air qui vient se mélanger au flux d'air primaire chauffé 14 à la sortie de la chambre primaire 2. La chambre secondaire 3 constitue dès lors une chambre de chauffage secondaire assurant le chauffage d'une portion du flux d'air admis par l'ouverture 4 mais non prélevée par la chambre primaire, sous l'action du flux d'air primaire 14 chauffé. Le flux d'air secondaire 15 possède également une trajectoire tourbillonnaire initiée par exemple par les pâles d'un compresseur. La trajectoire tourbillonnaire permet d'améliorer le mélange entre le flux d'air primaire chauffé 14 et le flux d'air secondaire 15, en augmentant la distance, et donc la surface, d'interaction entre les deux flux 14 et 15. On pourrait toutefois, en variante, prévoir une injection d'air secondaire selon une trajectoire droite. Comme on le conçoit, le chauffage du flux délivré en sortie 5 d'échappement résultant du mélange des flux d'air primaire 13 et secondaire 15 permet d'augmenter la pression et, par conséquent, la vitesse du flux de sortie.

Dans ce premier mode de réalisation, le flux d'air primaire 13 est réalisé en prélevant à l'aide de l'entrée 10 d'air une portion du flux d'air secondaire 15 admis dans le dispositif 1 au niveau de l'ouverture d'admission 4. Sur la figure 2 est illustrée schématiquement une vue en coupe d'un dispositif électrothermique selon un second mode de réalisation de l'invention. Le dispositif électrothermique 1 illustré sur la figure 2 diffère du premier mode de réalisation en ce que la cathode 9 est une cathode virtuelle.

Le dispositif comprend un canon à électrons (95) apte à générer un flux d'électrons croisant le flux le gaz injecté dans le passage d'entrée 7. Le flux d'électrons forme une cathode à surface étendue sous la forme d'une cathode virtuelle permettant la génération d'un a.rc électrique entre la cathode virtuelle et la tuyère anodique 6. Le canon à électrons 95 émet un flux d'électrons croisant le flux de gaz injecté dans le passage d'entrée 7. Le flux d'électrons permet de réaliser un préchauffage du flux de gaz injecté grâce à l'excitation ou l'ionisation d'une partie des atomes et des molécules du gaz de manière à former un plasma. Les excitations et/ou les ionisations atomiques ou moléculaires sont dues aux interactions entre les électrons émis par le canon à électrons 95 et les éléments constitutifs du flux gazeux injecté dans le passage d'entrée 7. Les électrons libres générés à l'intérieur du plasma par l'ionisation des atomes et, ou des molécules, sont acheminés jusque dans le passage d'entrée 7 grâce à l'énergie cinétique du flux de gaz. Ces électrons libres favorisent la génération d'un arc électrique 12 en créant un chemin privilégié pour la génération de l'arc électrique. L'arc électrique 12 possède alors un point d'attache sur la cathode « virtuelle » située dans le plasma formé par le bombardement d'électrons sur le flux de gaz injecté. La cathode est dite, cathode virtuelle car elle n'est pas formée par une électrode solide mais pas un plasma généré par un canon à électrons à distance du flux de gaz.

Sur la figure 3 est représentée de manière schématique une vue en coupe d'un turboréacteur comprenant un dispositif électrothermique de propulsion selon le premier mode de réalisation de l'invention. Le turboréacteur 20 électrothermique comprend une enceinte 21 comportant un étage d'admission 22 et un étage de sortie 23 séparés par un étage de traitement thermique 24. L'étage d'admission 22 comprend un compresseur 25 et l'étage de sortie 23 comprend une turbine 26. La turbine 26 est mécaniquement couplée au compresseur 25 par un arbre de transmission 27. Le compresseur 25 comprend, dans ce mode de réalisation, une pluralité de roues à aubes 28 de compression de manière à augmenter le facteur de compression, et ainsi augmenter la quantité d'air comprimé injecté dans l'étage de combustion 24. De la même manière, la turbine 26 comprend une pluralité de roues à aubes 29 permetta,nt d'augmenter la quantité d'air expulsé et la force transmise par l'arbre de transmission 27 au compresseur 25 via l'arbre de transmission 27. Bien que l'étage de combustion 24 puisse être équipé d'un dispositif 1 tel que décrit précédemment en référence à la figure 1, il est ici pourvu d'un dispositif électrothermique 100 selon un second mode de réalisation de l'invention. Les éléments du dispositif électrothermique 100 selon le second mode de réalisation identiques au dispositif électrothermique 1 selon le premier mode de réalisation comportent les mêmes références numériques. Comme dans l'exemple de réalisation décrit précédemment, le dispositif électrothermique 100 est destiné à assurer un traitement thermique de l'air admis en entrée pour engendrer une augmentation de la pression du gaz et son expansion ainsi que son accélération consécutive pour générer, en sortie, une poussée. Le dispositif électrothermique 100 selon le second mode de réalisation diffère du dispositif électrothermique 1 selon le premier mode de réalisation en ce qu'il comprend deux chambres primaires 2 disposées dans une unique chambre secondaire 3 cylindro-annulaire. Les deux chambres primaires 2 sont disposées de part et d'autre de l'arbre de transmission 27 et sont montées chacune sur un bras B fixé sur un manchon 30 disposé autour de l'arbre de transmission 27 et délimitant la paroi radialement interne de la chambre secondaire 3. Le manchon 30 est indépendant de l'arbre de transmission 27 de manière à rester fixe lorsque l'arbre de transmission 27 est mis en rotation. Cette disposition permet de générer deux flux d'air primaire chauffé 14 répartis de part et d'autre de l'arbre de transmission 27 et ainsi d'augmenter la quantité d'air primaire chauffé destiné à chauffer le flux d'air secondaire 15 dont la température est inférieure à celle des flux d'air primaire chauffé 14.

Dans ce mode de réalisation, les flux d'air primaire 13 entrant dans les chambres primaires 2 sont prélevés dans le flux d'air comprimé délivré par le compresseur 25, le flux d'air comprimé non prélevé formant le flux d'air secondaire 15 circulant dans la chambre secondaire 3. Dans le second mode de réalisation, les flux d'air primaire 13 et le flux d'air secondaire 15 ont donc la même température initiale en entrée du dispositif électrothermique 100, avant d'être chauffé. Le flux d'air secondaire 15 est chauffé par les flux d'air primaire chauffé 14 en sortie des chambres primaires 2. Les flux d'air chauffé, primaire 14 et secondaire 15, ainsi mélangés sont alors délivrés aux roues à aubes 29 de la turbine 26 qui sont mises en rotation et entraînent le compresseur 24 de l'étage d'admission 22 via l'arbre de transmission 27.

L'énergie électrique engendrant les arcs électriques 12 entre les anodes 6 et les cathodes 9 est convertie dans les chambres primaires 2 en énergie calorifique. Cette énergie calorifique est transférée par les flux d'air primaire chauffé 14 au flux d'air secondaire 15 de manière à générer un flux d'air de sortie chauffé.

Comme indiqué précédemment, l'apport d'énergie calorifique au flux d'air de sortie engendre une augmentation consécutive de l'énergie cinétique, la différence de température entre l'entrée et la sortie du turboréacteur 20, c'est-à-dire entre l'étage d'admission 22 et l'étage de sortie 23, générant une différence de pression et de vitesse de l'air entraînant l'apparition d'une force de poussée du turboréacteur 20 vers l'avant qui s'ajoute à la force générée par le débit d'air. Dans un autre mode de réalisation, il est possible d'envisager un turboréacteur comprenant un dispositif électrothermique comprenant plus de deux chambres primaires de manière à augmenter la quantité de flux d'air primaire chauffé. 11 est également possible d'envisager un turboréacteur comprenant une seule chambre primaire. Dans ce cas, on prévoira un arbre de transmission creux à l'intérieur duquel est injecté le flux d'air comprimé délivré par le compresseur, l'arbre creux comprenant un dispositif électrothermique avec une chambre primaire centrale. Dans les modes de réalisation illustrés, les chambres primaires sont réalisées selon un axe parallèle à l'axe de la turbine. Il est possible en variante de prévoir des turbines montées dans un plan radial ou ortho-radial par rapport à la chambre primaire, notamment de prévoir des petites chambres primaires montées chacune sur une pâle de la turbine. Les chambres primaires, et notamment les moyens de chauffage peuvent être alimentés électriquement par une source d'alimentation telle qu'une batterie, une pile à combustible, un générateur embarqué ou encore un panneau solaire. Les produits de combustion et la chaleur générée par une pile à combustible ou par un générateur embarquée peuvent être récupérés et réinjectés dans le flux de gaz en entrée de la turbine ou en sortie de turbine de manière à récupérer le flux massique et la chaleur de la source de chaleur et l'utiliser pour augmenter le rendement énergétique du dispositif. Sur la figure 4 est représentée schématiquement une vue en coupe d'un turboréacteur comprenant un dispositif électrothermique selon un troisième mode de réalisation de l'invention Le dispositif électrothermique illustré sur la figure 4 diffère du premier mode de réalisation illustré sur la figure 3 en ce qu'il comprend une seule chambre primaire 2 traversée sur son axe de symétrie de révolution par l'arbre de transmission 27, et en ce que la cathode 9 à surface étendue utilisée est une cathode annulaire montée sur l'arbre rotatif 27 de sorte à être en saillie de l'arbre de transmission. La cathode annulaire 9 s'étend radialement par rapport à l'arbre de transmission et est placée en entrée de la chambre primaire 2. La cathode annulaire 9 comprend une surface électriquement isolée 92 disposée en regard de l'entrée de gaz 10 de la chambre primaire 2 et une surface électriquement conductrice 91 opposée à la surface électriquement isolée.

La cathode annulaire 9 est entraînée en rotation par le mouvement de l'arbre de transmission 27, ce qui a pour effet de faire tourner le point d'attache de l'arc électrique 12 ce qui peut contribuer au déplacement du point d'attache de l'arc électrique 12 sur la cathode annulaire 9. Sur la figure 5 est présenté un organigramme d'un procédé de traitement électrothermique de l'air aspiré dans un turboréacteur selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Le procédé de traitement électrothermique comprend dans une première étape 301, l'admission d'un flux d'air comprimé dans un dispositif électrothermique comprenant une chambre de traitement thermique primaire 2 disposée dans une chambre secondaire 3 de traitement thermique. Dans une étape suivante 302, on prélève une partie 13 du flux d'air comprimé admis dans le dispositif électrothermique et on injecte ce flux d'air primaire 13 dans la chambre primaire 2. Puis, dans une étape 303, on génère un arc électrique 12 sur le trajet du flux d'air primaire 13 injecté dans la chambre primaire 2 de manière à ioniser l'air et former un plasma permettant de chauffer le flux d'air primaire 13 et ainsi former un flux d'air primaire chauffé 14. Dans une étape suivante 304, on injecte un flux d'air secondaire 15 dans une chambre secondaire 3, le flux d'air secondaire 15 étant formé à partir du flux d'air comprimé restant après le prélèvement réalisé à l'étape 302 pour former le flux d'air primaire 13. Le flux d'air secondaire 15 est alors à une température inférieure à la température du flux d'air primaire chauffé 14. La chambre secondaire 3 est réalisée de sorte que le flux d'air secondaire 15 soit en relation d'échange thermique avec le premier flux d'air chauffé 14 lorsque celui-ci sort de la chambre primaire 2. Cet échange thermique permet d'une part de réduire les pertes énergétiques dues aux « frozen flows », la température plus faible du flux d'air secondaire 15 forçant la recombinaison des molécules et des ions se trouvant dans des états excités à la sortie de la chambre primaire 2. D'autre part, l'échange thermique entre le flux d'air primaire chauffé 14 et le flux d'air secondaire 15 permet également de chauffer le flux d'air secondaire 15 et d'obtenir ainsi en sortie du dispositif électrothermique un flux d'air de sortie ,possédant une température supérieure à la température du flux d'air comprimé admis. Le flux d'air de sortie peut alors être délivré à une turbine d'un turboréacteur pour actionner l'arbre de transmission reliant le compresseur 25 à la turbine 26, avant d'être expulsé du turboréacteur 20 et de générer une force de poussée vers l'avant du turboréacteur 20.

L'invention fournit ainsi un dispositif électrothermique capable de chauffer un flux d'air assez important pour permettre la propulsion d'un engin aérospatial. Le dispositif électrothermique permet d'augmenter le rendement énergétique d'une chambre de traitement électrothermique à arc électrique et d'augmenter la quantité d'air chauffé dans un turboréacteur. On notera en outre que le dispositif électrothermique qui vient d'être décrit permet d'augmenter la durée pendant laquelle le flux d'air se situe dans des conditions favorables à la récupération des « frozen flows », c'est-à-dire des pertes par ionisation et de dissociation des particules, en réduisant la vitesse du flux primaire. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. En effet, dans les exemples de réalisation décrits en référence aux figures 1 et 2, la chambre de traitement thermique primaire 2 débouche dans l'axe de la chambre de traitement thermique secondaire. Il serait également possible, en variante, d'orienter différemment la chambre de traitement primaire de manière qu'elle soit orientée orthogonalement à la chambre secondaire de telle sorte que le flux d'air primaire chauffé soit orthogonal au flux d'air secondaire afin d'augmenter la section d'échange thermique entre les deux flux d'air primaire et secondaire.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (1, 100) électrothermique de génération d'énergie mécanique, comprenant au, moins une chambre primaire (2) comportant une tuyère anodique (6) munie d'un passage d'entrée (7), une cathode (9), une entrée de gaz (10) primaire débouchant dans le passage d'entrée (7), et un générateur de tension (11) disposé entre la tuyère anodique (6) et la cathode (9) de manière à générer un arc électrique (12) sur le trajet du flux de gaz primaire (13) injecté dans ladite chambre primaire (2), caractérisé en ce que la cathode (9) comprend une cathode à surface de contact étendue disposée à l'entrée de la chambre primaire (2).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cathode (9) à surface de contact étendue est une cathode creuse comportant une surface intérieure (91) électriquement conductrice, la cathode creuse étant conformée pour pouvoir être traversée par du gaz.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant une grille d'extraction montée en sortie de la cathode creuse et un générateur de haute tension apte à appliquer une différente de potentielle entre la cathode creuse (9) et la grille pour extraire les électrons.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, comprenant au moins un canon à électrons (95) apte à générer un flux d'électrons dans le gaz injecté pour former une cathode à surface étendue sous la forme d'une cathode virtuelle, l'arc électrique étant généré entre la cathode virtuelle et la tuyère anodique (6).
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit au moins un canon à électrons (95) est déporté par rapport à l'axe directif principal du flux de gaz dans le passage d'entrée (7).
6. 6. Dispositif selon la revendication 4, comprenant un canon à électrons annulaire monté sur l'entrée du passage d'entrée (7).
7. 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cathode à surface étendue est une cathode annulaire montée sur un arbre rotatif traversant la chambre primaire (2) le long de l'axe de révolution de la chambre primaire (2), la cathode annulaire comprenant une surfaceélectriquement isolée disposée en regard de l'entrée de gaz (10) de la chambre primaire (2) et une surface électriquement conductrice opposée à la surface électriquement isolée.
8. 8. Dispositif (1, 100) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une chambre secondaire (3) dans laquelle circule un flux de gaz secondaire (3) en relation d'échange thermique avec le flux de gaz primaire chauffé (14) généré par la chambre primaire (2), le flux de gaz secondaire (15) possédant une température inférieure au flux de gaz primaire chauffé (14) sortant de la chambre primaire (2).
9. 9. Dispositif (1, 100) selon la revendication 8, comprenant des moyens de séparation d'un flux de gaz comprimé en un flux de gaz primaire (13) et un flux de gaz secondaire (15).
10. 10.Dispositif (1, 100) selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel la chambre secondaire (3) comprend la chambre primaire (2).
11. 11.Dispositif (1, 100) selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la chambre primaire s'étend parallèlement à la chambre secondaire de manière à délivrer un flux de gaz chauffé dans la même direction que le flux de gaz secondaire.
12. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la chambre primaire s'étend perpendiculairement à la chambre secondaire de manière à délivrer un flux de gaz chauffé orthogonal au flux de gaz secondaire.
13. 13. Système de propulsion, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (100) électrothermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
14. 14. Engin aérospatial comprenant au moins un système de propulsion (20) selon la revendication 13.