FR3065202A1 - SPATIAL THRUSTER - Google Patents
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Abstract
Un système de propulsion spatiale hybride chimique-électrique comprenant une module de propulsion chimique et un module de propulsion électrique. Le module de propulsion chimique comprend une électropompe configurée pour pomper un carburant et/ou un comburant dans une chambre de combustion et le module de propulsion électrique comprend un système d'alimentation électrique pour ioniser et éjecter des atomes d'une masse propulsive. L'électropompe est connectée au système d'alimentation électrique pour être alimentée en énergie électrique. L'invention est d'intérêt pour tous les acteurs actifs dans le domaine de la propulsion spatiale. Le système proposé permet d'optimiser la performance mission (durée et masse de charge utile) d'un étage orbital ou d'un étage supérieur de lanceur, cela au prix d'une complexité système limitée (grâce à la liaison entre baie propulsive chimique et électrique).A chemical-electric hybrid space propulsion system comprising a chemical propulsion module and an electric propulsion module. The chemical propulsion unit includes an electric pump configured to pump a fuel and / or an oxidant into a combustion chamber and the electric propulsion unit includes an electrical power system for ionizing and ejecting atoms of a propellant mass. The electric pump is connected to the power supply system to be supplied with electrical energy. The invention is of interest to all actors active in the field of space propulsion. The proposed system makes it possible to optimize the mission performance (duration and mass of payload) of an orbital stage or of a top stage of launcher, this at the cost of a limited system complexity (thanks to the connection between the chemical propellant bay and electric).
Description
(54) PROPULSEUR SPATIAL (57) un système de propulsion spatiale hybride chimiqueelectrique comprenant une module de propulsion chimique et un module de propulsion électrique. Le module de propulsion chimique comprend une électropompe configurée pour pomper un carburant et/ou un comburant dans une chambre de combustion et le module de propulsion électrique comprend un système d'alimentation électrique pour ioniser et éjecter des atomes d'une masse propulsive. L'électropompe est connectée au système d'alimentation électrique pour être alimentée en énergie électrique.(54) SPATIAL PROPELLER (57) a hybrid chemical-electric space propulsion system comprising a chemical propulsion module and an electric propulsion module. The chemical propulsion module includes an electric pump configured to pump fuel and / or oxidant into a combustion chamber and the electric propulsion module includes an electrical power system for ionizing and ejecting atoms from a propellant mass. The electric pump is connected to the electric power system to be supplied with electric energy.
L'invention est d'intérêt pour tous les acteurs actifs dans le domaine de la propulsion spatiale. Le système proposé permet d'optimiser la performance mission (durée et masse de charge utile) d'un étage orbital ou d'un étage supérieur de lanceur, cela au prix d'une complexité système limitée (grâce à la liaison entre baie propulsive chimique et électrique).The invention is of interest to all actors active in the field of space propulsion. The proposed system makes it possible to optimize the mission performance (duration and payload mass) of an orbital stage or an upper stage of the launcher, at the cost of a limited system complexity (thanks to the connection between chemical propellant bay and electric).
Domaine Technique [0001] De manière générale, l’invention concerne un système de propulsion spatiale hybride chimique-électrique.Technical Field [0001] In general, the invention relates to a chemical-electric hybrid space propulsion system.
Arrière-plan technologique [0002] Les systèmes spatiaux utilisant de la propulsion électrique sont actuellement très étudiés, en vue, par exemple, d’une mission d’exploration et de colonisation humaine sur Mars, ou pour toute autre mission nécessitant des étages orbitaux à durée opérationnelle longue. En effet, des missions longues telles que l’exploration de planètes ou d’autres corps célestes (astéroïdes, comètes, etc.) ont des besoins îo énergétiques drastiques et la propulsion électrique, très économe en carburant, permet de répondre au mieux à ces besoins. Cependant, la propulsion électrique reste très lente par rapport à la propulsion chimique plus classique.Technological background Space systems using electric propulsion are currently very studied, for example, for a mission of exploration and human colonization on Mars, or for any other mission requiring orbital stages to long operational life. Indeed, long missions such as the exploration of planets or other celestial bodies (asteroids, comets, etc.) have drastic energy needs and electric propulsion, very economical in fuel, makes it possible to best respond to these needs. However, electric propulsion remains very slow compared to more conventional chemical propulsion.
[0003] Une étude de la NASA « Human Exploration of Mars Design Référencé Architecture 5.0 » (NASA/SP-2009-566-ADD2, Mars 2014, Bret G. Drake et Kevin D.A NASA study "Human Exploration of Mars Design Referenced Architecture 5.0" (NASA / SP-2009-566-ADD2, March 2014, Bret G. Drake and Kevin D.
Watts, éditeurs) analyse, conceptuellement, sur base des technologies actuelles, différentes approches possibles pour une mission sur Mars. En particulier, cette étude liste (section 3, p 152 : « Advanced ln-space Transportation ») les différents systèmes de propulsion spatiale disponibles tels que la propulsion nucléaire cryogénique, la propulsion nucléaire électrique, la propulsion électrique solaire et la propulsion chimique.Watts, editors) conceptually analyzes, based on current technologies, different possible approaches for a mission to Mars. In particular, this study lists (section 3, p 152: "Advanced ln-space Transportation") the different space propulsion systems available such as cryogenic nuclear propulsion, nuclear electric propulsion, solar electric propulsion and chemical propulsion.
[0004] L’objectif de la présente invention est d’améliorer les solutions existantes de propulsion spatiale.The objective of the present invention is to improve existing solutions for space propulsion.
Description générale de l’invention [0005] Un aspect de l’invention se rapporte à un système de propulsion spatiale hybride chimique-électrique. Le système comprend un module de propulsion chimique (incluant un ou plusieurs moteurs-fusée, des réservoirs d’ergols chimiques, l’installation pour acheminer les ergols des réservoirs aux moteurs-fusée, etc.) comprenant une électropompe configurée pour pomper un carburant et/ou un comburant dans une chambre de combustion (débouchant dans une tuyère). Le système de propulsion spatiale hybride comprend aussi un module de propulsion électrique comprenant un système d’alimentation électrique pour ioniser et éjecter des atomes d’une masse propulsive. L’électropompe du système de propulsion est connectée au système d’alimentation électrique du module de propulsion électrique pour être alimentée en énergie électrique. Le module de propulsion électrique peut inclure, en outre des panneaux solaires, des réservoirs de masse propulsive et un ou plusieurs propulseurs électriques (p.ex. des moteurs plasmiques ou ioniques.) Le système de propulsion spatiale hybride chimique-électrique permet donc un transfert d’énergie électrique entre le module de propulsion électrique et le module de propulsion chimique. Un transfert d’énergie peut être réalisé à certains instants d’une îo mission. Selon la configuration du système de propulsion spatiale hybride chimiqueélectrique, le transfert d’énergie électrique peut être à sens unique du module de propulsion électrique vers le module de propulsion chimique ou bien bidirectionnel. Dans le deuxième cas, l’électropompe est entraînée par un moteur-générateur électrique.General description of the invention One aspect of the invention relates to a hybrid chemical-electric space propulsion system. The system comprises a chemical propulsion module (including one or more rocket motors, chemical propellant tanks, the installation for delivering the propellants from the tanks to the rocket motors, etc.) comprising an electric pump configured to pump fuel and / or an oxidizer in a combustion chamber (opening into a nozzle). The hybrid space propulsion system also includes an electric propulsion module including a power supply system for ionizing and ejecting atoms from a propellant mass. The propulsion system electric pump is connected to the power supply system of the electric propulsion module to be supplied with electrical energy. The electric propulsion module can also include solar panels, propellant tanks and one or more electric propellants (eg plasma or ionic motors). The chemical-electric hybrid space propulsion system therefore allows a transfer of electrical energy between the electrical propulsion module and the chemical propulsion module. Energy can be transferred at certain times during a mission. Depending on the configuration of the chemical-electric hybrid space propulsion system, the transfer of electrical energy can be one-way from the electric propulsion module to the chemical propulsion module or else bidirectional. In the second case, the electric pump is driven by an electric motor-generator.
[0006] Dans le contexte de ce document, un système de propulsion spatiale est un système de propulsion prévu pour propulser un engin spatial étant dans l’espace. Le système de propulsion spatiale hybride chimique-électrique selon un aspect de l’invention est particulièrement adapté pour être intégré p. ex. dans l’étage supérieur d’un lanceur ou dans un remorqueur spatial (« space tug » en anglais) qui effectue plusieurs longues missions en orbite.In the context of this document, a space propulsion system is a propulsion system intended to propel a spacecraft being in space. The chemical-electric hybrid space propulsion system according to one aspect of the invention is particularly suitable for being integrated p. ex. in the upper stage of a launcher or in a space tug that performs several long missions in orbit.
[0007] La propulsion chimique permet de propulser un engin spatial grâce à l’éjection d’une masse propulsive à haute température, produite par une réaction exothermique entre un carburant et un comburant (combustion). La combustion se déroule dans une chambre de combustion et le(s) produit(s) de réaction sont ensuite détendus et accélérés dans une tuyère attenante à la chambre de combustion.Chemical propulsion makes it possible to propel a spacecraft thanks to the ejection of a propellant at high temperature, produced by an exothermic reaction between a fuel and an oxidizer (combustion). The combustion takes place in a combustion chamber and the reaction product (s) are then expanded and accelerated in a nozzle adjoining the combustion chamber.
[0008] Généralement, le carburant et le comburant (les ergols) sont injectés à haute pression dans la chambre de combustion en vue de leur combustion. La pression des ergols peut se situer dans une plage allant de plusieurs bars à plusieurs centaines de bars (p.ex. entre 10 et 400 bars), selon le type et la puissance du moteur-fusée.Generally, the fuel and the oxidant (propellants) are injected at high pressure into the combustion chamber for their combustion. The propellant pressure may be in a range from several bars to several hundred bars (eg between 10 and 400 bars), depending on the type and power of the rocket engine.
[0009] L’électropompe permet de pomper le carburant et/ou le comburant et de mettre le carburant et/ou le comburant à la pression désirée pour l’injection dans la chambre de combustion. Dans le cadre du présent document, le terme « électropompe » désigne une pompe ou un ensemble de pompes qui sont entraînées par un ou plusieurs moteurs électriques.The electropump makes it possible to pump the fuel and / or the oxidant and to put the fuel and / or the oxidant at the pressure desired for injection into the combustion chamber. For the purposes of this document, the term “electric pump” designates a pump or a set of pumps which are driven by one or more electric motors.
[0010] Le module de propulsion électrique (plus particulièrement le propulseur électrique) utilise de l’énergie électrique, fournie par le système d’alimentation électrique, pour propulser l’engin spatial. En effet, le module de propulsion électrique (plus particulièrement le propulseur électrique) est configuré pour ioniser et éjecter, grâce à l’énergie électrique fournie par le système d’alimentation électrique, les atomes d’une masse propulsive afin de propulser l’engin spatial. L’ionisation peut se faire, par exemple, par la traversée d’un nuage d’électrons, par une décharge îo électrique, par une source haute fréquence, par contact, par ondes électromagnétiques, etc. L’éjection peut être réalisée, par exemple, par une interaction entre les ions et un champ électrique et/ou un champ magnétique.The electric propulsion module (more particularly the electric propellant) uses electric energy, supplied by the electric power system, to propel the spacecraft. Indeed, the electric propulsion module (more particularly the electric propellant) is configured to ionize and eject, thanks to the electric energy supplied by the electric power system, the atoms of a propellant mass in order to propel the machine spatial. Ionization can be done, for example, by the crossing of an electron cloud, by an electrical discharge, by a high frequency source, by contact, by electromagnetic waves, etc. Ejection can be achieved, for example, by an interaction between the ions and an electric field and / or a magnetic field.
[0011] Selon un mode de réalisation, le module de propulsion chimique comprend une turbine configurée pour récupérer une partie de l’énergie de combustion générée dans la chambre de combustion.According to one embodiment, the chemical propulsion module comprises a turbine configured to recover part of the combustion energy generated in the combustion chamber.
[0012] Selon un mode de réalisation de l’invention, le module de propulsion chimique comprend un système de refroidissement de la chambre de combustion et/ou de la tuyère, dans lequel une partie du comburant et/ou du carburant est dirigée vers les parois de la chambre de combustion et/ou de la tuyère afin de les refroidir. L’énergie de combustion récupérée par le comburant et/ou carburant chaud peut alors être utilisée pour actionner la turbine. Alternativement ou additionnellement, le module de propulsion chimique peut comprendre une chambre de précombustion, dans laquelle une partie des ergols réagissent et libèrent de l’énergie pouvant faire fonctionner la turbine et/ou préchauffer les ergols.According to one embodiment of the invention, the chemical propulsion module comprises a system for cooling the combustion chamber and / or the nozzle, in which part of the oxidant and / or of the fuel is directed towards the walls of the combustion chamber and / or the nozzle in order to cool them. The combustion energy recovered by the oxidizer and / or hot fuel can then be used to drive the turbine. Alternatively or additionally, the chemical propulsion module can comprise a precombustion chamber, in which part of the propellants react and release energy which can operate the turbine and / or preheat the propellants.
[0013] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’électropompe comprend un moteur-générateur couplé mécaniquement à la turbine pour réinjecter de l’énergie électrique dans le système d’alimentation électrique. Dans ce contexte, l’expression « moteur-générateur » désigne une machine électrique pouvant fonctionner en tant que générateur (convertissant de l’énergie mécanique en énergie électrique) et en tant que moteur (convertissant de l’énergie électrique en énergie mécanique). La turbine permet d’alimenter le moteur-générateur électrique de l’électropompe en mode générateur de puissance, et de transmettre de la puissance électrique du module de propulsion chimique vers le module de propulsion électrique.According to a preferred embodiment of the invention, the electric pump comprises a motor-generator mechanically coupled to the turbine for injecting electrical energy into the electrical supply system. In this context, the expression "motor-generator" designates an electrical machine which can function as a generator (converting mechanical energy into electrical energy) and as a motor (converting electrical energy into mechanical energy). The turbine is used to power the electric motor-generator of the electric pump in power generator mode, and to transmit electric power from the chemical propulsion module to the electric propulsion module.
[0014] Selon un mode de réalisation, le système d’alimentation électrique comprend une batterie (ou batterie d'accumulateurs).According to one embodiment, the power supply system comprises a battery (or storage battery).
[0015] Selon un mode de réalisation, le système d’alimentation électrique comprend un module de distribution et de gestion de l'énergie électrique.According to one embodiment, the electrical supply system comprises a module for the distribution and management of electrical energy.
[0016] Dans un mode de réalisation comprenant une batterie et un module de distribution et de gestion de l'énergie électrique, la batterie est préférablement connectée au module de distribution et de gestion de l'énergie électrique. Le module de distribution et de gestion de l'énergie électrique peut être configuré pour se servir de la batterie comme d’une batterie tampon.In an embodiment comprising a battery and a module for distributing and managing electrical energy, the battery is preferably connected to the module for distributing and managing electrical energy. The electrical power distribution and management module can be configured to use the battery as a buffer battery.
îo [0017] Dans un mode de réalisation préféré, le module de propulsion chimique comprend un réservoir de carburant et un réservoir de comburant et le module de propulsion électrique comprend un réservoir de masse propulsive. Préférablement, le système de propulsion comprend un compartiment cryogénique commun aux réservoirs des modules de propulsion chimique et électrique. Le compartiment cryogénique commun peut éventuellement être connecté au système d’alimentation électrique pour être alimenté en énergie électrique.îo In a preferred embodiment, the chemical propulsion module comprises a fuel tank and an oxidizer tank and the electric propulsion module comprises a propellant tank. Preferably, the propulsion system comprises a cryogenic compartment common to the tanks of the chemical and electrical propulsion modules. The common cryogenic compartment can optionally be connected to the electrical supply system to be supplied with electrical energy.
[0018] Selon un mode de réalisation, le carburant peut être sélectionné dans le groupe consistant en : oxygène (liquide ou gazeux), T-Stoff ou autre composé de péroxyde d’hydrogène, peroxyde d’azote et acide nitrique. Le carburant est, de préférence sélectionné dans le groupe consistant en : hydrogène (liquide ou gazeux), hydrocarbure (p.ex. méthane, éthane, etc.) ou mélange d’hydrocarbures (p.ex. kérosène), C-Stoff ou autre composé d’éthanol, hydrazine et composé dérivé d’hydrazine. D’autres couples comburant-carburant sont également possibles.According to one embodiment, the fuel can be selected from the group consisting of: oxygen (liquid or gaseous), T-Stoff or other compound of hydrogen peroxide, nitrogen peroxide and nitric acid. The fuel is preferably selected from the group consisting of: hydrogen (liquid or gaseous), hydrocarbon (eg methane, ethane, etc.) or mixture of hydrocarbons (eg kerosene), C-Stoff or other ethanol compound, hydrazine and hydrazine derivative compound. Other oxidant-fuel couples are also possible.
[0019] Le kérosène est un mélange d'hydrocarbures contenant des alcanes (CnH2n+2) de formule chimique allant de C10H22 à C14H30. L’hydrazine (diazane) a une formule chimique N2H4 (formule semi-développée H2N-NH2). Le T-Stoff est composé d'une fraction oxydante à 80% de peroxyde d'hydrogène H2O2 et 20% d'eau H2O et de stabiliseurs (acide phosphorique, phosphate de sodium et 8-hydroxyquinoléine). Le CStoff est un mélange d'environ 57% de méthanol CH3OH et 43% d'hydrate d’hydrazineKerosene is a mixture of hydrocarbons containing alkanes (C n H2n + 2) of chemical formula ranging from C10H22 to C14H30. Hydrazine (diazane) has the chemical formula N2H4 (semi-developed formula H2N-NH2). T-Stoff is composed of an oxidizing fraction with 80% hydrogen peroxide H2O2 and 20% water H2O and stabilizers (phosphoric acid, sodium phosphate and 8-hydroxyquinoline). CStoff is a mixture of approximately 57% methanol CH3OH and 43% hydrazine hydrate
Ν2Η4Ή2Ο (fractions massiques) avec un catalyseur K3[Cu(CN)4] (tripotassium tetracyanocuprate).Ν2Η4Ή2Ο (mass fractions) with a catalyst K3 [Cu (CN) 4] (tripotassium tetracyanocuprate).
[0020] Selon un mode de réalisation, la masse propulsive comprend des atomes sélectionnés dans le groupe consistant en les espèces suivantes : xénon, krypton, bismuth, argon, iode, magnésium, zinc. Cette liste n’est pas exhaustive mais indique certaines espèces préférées. Selon un mode de réalisation préféré, exactement une de ces espèces constitue la masse propulsive.According to one embodiment, the propellant mass comprises atoms selected from the group consisting of the following species: xenon, krypton, bismuth, argon, iodine, magnesium, zinc. This list is not exhaustive but indicates some preferred species. According to a preferred embodiment, exactly one of these species constitutes the propellant mass.
[0021] Optionnellement, le module de propulsion chimique du système de propulsion comprend un système d’actionneurs électriques, qui permet l’orientation de la tuyère, connecté au système d’alimentation électrique pour être alimenté en énergie électrique. Un tel « module de poussée vectorielle » est encore appelé « TVC » îo (acronyme du terme anglais « thrust vector control »). Il sera apprécié que l’utilisation d’un TVC électrique permet de grandement réduire la complexité par rapport à un TVC hydraulique usuellement utilisé dans un module de propulsion chimique.Optionally, the chemical propulsion module of the propulsion system comprises an electrical actuator system, which allows the orientation of the nozzle, connected to the electrical supply system to be supplied with electrical energy. Such a “vector push module” is also called “TVC” (acronym of the English term “thrust vector control”). It will be appreciated that the use of an electric TVC makes it possible to greatly reduce the complexity compared to a hydraulic TVC usually used in a chemical propulsion module.
[0022] Préférablement, le système d’alimentation électrique comprend un ou plusieurs panneaux solaires.Preferably, the power supply system includes one or more solar panels.
[0023] Selon un mode de réalisation préféré, le système de propulsion décrit cidessus est intégré dans un engin spatial. Selon des modes de réalisation, l’engin spatial peut être un remorqueur spatial, l’étage supérieur d’un lanceur, une sonde spatiale ou une capsule spatiale. Une sonde spatiale est un engin spatial sans équipage lancé dans l'espace pour étudier différents objets célestes (Soleil, planètes, ...). Une capsule spatiale est un engin spatial simple habité par un équipage.According to a preferred embodiment, the propulsion system described above is integrated in a spacecraft. According to embodiments, the spacecraft can be a space tug, the upper stage of a launcher, a space probe or a space capsule. A space probe is an unmanned spacecraft launched into space to study different celestial objects (Sun, planets, ...). A space capsule is a simple spacecraft manned by a crew.
[0024] Le système de propulsion spatiale proposé permet d’optimiser la performance mission (en termes de durée et masse de charge utile) d’un étage orbital ou d’un étage supérieur de lanceur, au prix d’une complexité système limitée (grâce à la liaison entre les baies propulsives chimique et électrique). Avec un tel système, la mission de l’étage orbital comprendrait une alternance de phases propulsées en mode chimique et de phases propulsées en mode électrique. Si la propulsion électrique continue à assurer la majorité de l’impulsion totale de la mission (plus de 60%), l’impulsion spécifique moyenne reste proche des valeurs élevées qui sont atteintes par la propulsion électrique (2000 sec et plus). La propulsion chimique pourra être employée lors des parties de la mission durant lesquelles l’accélération a une forte valeur ajoutée (début de mission ou la gravité est la plus forte, traversée des ceintures de Van Hallen, manoeuvres au périgée, rendez-vous avec un satellite, etc.). La propulsion chimique permettra également de réduire la durée totale de la mission.The proposed space propulsion system makes it possible to optimize the mission performance (in terms of duration and payload mass) of an orbital stage or of an upper stage of a launcher, at the cost of a limited system complexity ( thanks to the connection between the chemical and electric propellants). With such a system, the mission of the orbital stage would include alternating phases propelled in chemical mode and phases propelled in electric mode. If electric propulsion continues to provide the majority of the total mission impulse (more than 60%), the average specific impulse remains close to the high values which are reached by electric propulsion (2000 sec and more). Chemical propulsion can be used during parts of the mission during which the acceleration has a high added value (start of the mission where gravity is the strongest, crossing of Van Hallen belts, maneuvers in the perigee, meeting with a satellite, etc.). Chemical propulsion will also reduce the total duration of the mission.
Brève description des dessins [0025] D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de certains modes de réalisation avantageux présentés cidessous, à titre d'illustration, avec référence aux dessins annexés qui montrent :BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other particularities and characteristics of the invention will emerge from the detailed description of certain advantageous embodiments presented below, by way of illustration, with reference to the appended drawings which show:
Fig. 1: un système de propulsion spatiale hybride chimique-électrique selon un premier mode de réalisation de l’invention ; etFig. 1: a hybrid chemical-electric space propulsion system according to a first embodiment of the invention; and
Fig. 2: un système de propulsion spatiale hybride chimique-électrique selon un second mode de réalisation de l’invention.Fig. 2: a chemical-electric hybrid space propulsion system according to a second embodiment of the invention.
Description détaillée de plusieurs modes de réalisation de l’invention îo [0026] La Fig. 1 illustre un système de propulsion 10 spatiale hybride chimiqueélectrique d’un remorqueur spatial, selon un premier mode de réalisation préféré de l’invention. Le système de propulsion 10 comprend un module de propulsion chimique 12 et un module de propulsion électrique 14. La ligne pointillée verticale 16 délimite schématiquement les éléments du module de propulsion chimique 12 des éléments du module de propulsion électrique 14.Detailed description of several embodiments of the invention îo [0026] FIG. 1 illustrates a chemical-electric hybrid space propulsion system of a space tug, according to a first preferred embodiment of the invention. The propulsion system 10 comprises a chemical propulsion module 12 and an electric propulsion module 14. The vertical dotted line 16 schematically delimits the elements of the chemical propulsion module 12 from the elements of the electric propulsion module 14.
[0027] Un remorqueur est un type d’étage orbital, c’est-à-dire un étage qui passe toute sa vie opérationnelle dans l’espace. Il peut être conçu pour interagir avec d’autres satellites et réaliser, p.ex. des rendez-vous coopératifs, des captures, des transports, des manoeuvres de désorbitation, des échanges d’ergols et/ou d’énergie.A tug is a type of orbital stage, that is to say a stage which spends its entire operational life in space. It can be designed to interact with other satellites and carry out, for example cooperative meetings, captures, transport, desorbiting maneuvers, exchanges of propellants and / or energy.
Généralement, la propulsion d’un tel remorqueur est électrique, ayant une impulsion spécifique (Isp) élevée (de l’ordre de 2000 secondes pour un propulseur électrique au Krypton). L’Isp élevée traduit le fait que la propulsion électrique consomme relativement peu de masse propulsive. Un aspect parfois considéré comme un désavantage des propulseurs électrique est le fait qu’ils ne génèrent qu’une poussée relativement faible (de l’ordre de du Newton pour un propulseur électrique à effet Hall au Xénon).Generally, the propulsion of such a tug is electric, having a high specific impulse (Isp) (of the order of 2000 seconds for an electric thruster in Krypton). The high Isp reflects the fact that electric propulsion consumes relatively little propulsive mass. An aspect sometimes considered as a disadvantage of electric thrusters is the fact that they generate only a relatively weak thrust (of the order of Newton for an electric thruster with Hall effect in Xenon).
[0028] Le système de propulsion 10 intègre, en plus, une propulsion chimique. La propulsion chimique a une Isp modérée (de l’ordre de 350 secondes pour un couple comburant-carburant oxygène liquide-méthane) traduisant le fait qu’elle consomme beaucoup de réactifs de combustion. Par contre, la poussée d’un propulseur chimique est importante (de l’ordre de 5 kN pour un couple comburant-carburant oxygène liquide-méthane). La propulsion chimique est dès lors idéale lors de manœuvres dans lesquelles l’accélération a une forte valeur ajoutée (p. ex. dans une zone où la gravité est plus forte, lors de la traversée des ceintures de Van Hallen, lors de manœuvres au périgée, lors de rendez-vous, etc.).The propulsion system 10 incorporates, in addition, a chemical propulsion. Chemical propulsion has a moderate Isp (of the order of 350 seconds for an oxidant-fuel liquid oxygen-methane couple) reflecting the fact that it consumes a lot of combustion reagents. On the other hand, the thrust of a chemical propellant is significant (of the order of 5 kN for an oxidant-fuel-liquid oxygen-methane couple). Chemical propulsion is therefore ideal during maneuvers in which acceleration has a high added value (e.g. in an area where gravity is stronger, when crossing Van Hallen belts, during perigee maneuvers , during meetings, etc.).
[0029] Le système de propulsion 10 «marie» la propulsion chimique avec la propulsion électrique. Le système 10 permet de contourner certains aspects considérés comme désavantageux liés à chaque propulsion, utilisée seule. Le remorqueur spatial peut alors être propulsé par une propulsion chimique ou une propulsion électrique selon les besoins de sa mission. Typiquement, la propulsion îo électrique est active pendant une grande partie de la mission du remorqueur (p.ex. 60% à 99% de l’impulsion totale de la mission) et la propulsion chimique prend le relais lors de manœuvres dans lesquelles l’accélération a une forte valeur ajoutée (p.ex. 1% à 40% de l’impulsion totale de la mission). Dans ce cas, l’Isp moyenne du système 10 sera proche de l’Isp du propulseur électrique mais la durée totale d’une mission sera réduite par rapport à un système de propulsion ne comprenant qu’un propulseur électrique.The propulsion system 10 "marries" the chemical propulsion with the electric propulsion. The system 10 makes it possible to bypass certain aspects considered to be disadvantageous linked to each propulsion, used alone. The space tug can then be propelled by chemical propulsion or electric propulsion according to the needs of its mission. Typically, electric propulsion is active during a large part of the tug's mission (eg 60% to 99% of the total mission impulse) and chemical propulsion takes over during maneuvers in which the acceleration has a high added value (eg 1% to 40% of the total mission impetus). In this case, the average Isp of system 10 will be close to the Isp of the electric thruster but the total duration of a mission will be reduced compared to a propulsion system comprising only one electric propellant.
[0030] Le module de propulsion chimique 12 propulse le remorqueur spatial dans l’espace grâce à l’éjection des produits de combustion d’un comburant avec un carburant dans l’espace. La combustion se déroule dans une chambre de combustion 18 dans laquelle sont injectés les ergols. Les produits de combustion sont éjectés au travers de la tuyère 20 attenante à la chambre de combustion.The chemical propulsion module 12 propels the space tug into space through the ejection of the products of combustion of an oxidizer with a fuel into space. The combustion takes place in a combustion chamber 18 into which the propellants are injected. The combustion products are ejected through the nozzle 20 adjoining the combustion chamber.
[0031] Le module de propulsion chimique 12 comprend un réservoir de carburant 22 et un réservoir de comburant 24. Le carburant et le comburant sont pompés dans la chambre de combustion 18 par une électropompe 26, comprenant une pompe à carburant 28 et une pompe à comburant 30. Une vanne de contrôle 32 de carburant et une vanne de contrôle 34 de comburant sont placées en aval (ou en amont) des pompes 28, 30 et en amont de la chambre de combustion 18 afin de réguler finement la pression et le débit des ergols.The chemical propulsion module 12 comprises a fuel tank 22 and an oxidizer tank 24. The fuel and the oxidizer are pumped into the combustion chamber 18 by an electric pump 26, comprising a fuel pump 28 and a pump oxidizer 30. A fuel control valve 32 and an oxidizer control valve 34 are placed downstream (or upstream) of the pumps 28, 30 and upstream of the combustion chamber 18 in order to finely regulate the pressure and the flow rate propellants.
[0032] De plus (en option), le module de propulsion chimique 12 comprend un module de poussée vectorielle (TVC) électrique 36 permettant d’orienter l’éjection des gaz d’échappement dans l’espace afin de contrôler la vitesse angulaire du remorqueur spatial. Le module de poussée vectorielle électrique 36 oriente la tuyère 20 pour guider le flux de gaz d’échappement. Dans un autre mode de réalisation, au lieu d’orienter la tuyère 20, le module de poussée vectorielle électrique 36 oriente des panneaux déflecteurs afin de guider le flux de gaz d’échappement.In addition (optional), the chemical propulsion module 12 comprises an electric vector thrust module (TVC) 36 allowing to direct the ejection of the exhaust gases into space in order to control the angular speed of the space tug. The electric vector thrust module 36 orients the nozzle 20 to guide the flow of exhaust gas. In another embodiment, instead of orienting the nozzle 20, the electric vector thrust module 36 orients deflector panels in order to guide the flow of exhaust gases.
[0033] Le module de propulsion électrique 14 propulse le remorqueur spatial par l’éjection d’atomes ionisés. Il comprend un réservoir de masse propulsive 38 connecté à un propulseur électrique 40. Le propulseur 40 peut être un propulseur électrothermique (p. ex. un moteur résistojet ou un moteur arcjet), un moteur électromagnétique (p. ex. un moteur magnétoplasmadynamique, un moteur à force pondéromotrice ou un moteur à plasma pulsé) ou un moteur électrostatique (p. ex. un moteur à émission de champ, un moteur ionique à grille, un moteur RIT (du terme îo anglais « Radiofrequency ionisation thruster ») ou un moteur à Effet Hall) ou tout autre moteur adapté pour un propulseur électrique.The electric propulsion module 14 propels the space tug by the ejection of ionized atoms. It comprises a propellant reservoir 38 connected to an electric propellant 40. The propellant 40 can be an electrothermal propellant (eg a resistojet or an arcjet motor), an electromagnetic motor (eg a magnetoplasmadynamic, a ponderomotive force motor or pulsed plasma motor) or electrostatic motor (eg, field emission motor, ion grid motor, RIT motor (from the English term "Radiofrequency ionization thruster") or motor Hall Effect) or any other motor suitable for an electric thruster.
[0034] Le propulseur 40 du module de propulsion électrique 14 est alimenté en énergie électrique provenant d’un système d’alimentation électrique 42.The propellant 40 of the electric propulsion module 14 is supplied with electrical energy from an electrical supply system 42.
[0035] Le système d’alimentation électrique 42 comprend un module de distribution et de gestion de l'énergie électrique 44 (« Power Management And Distribution » (PMAD) en anglais), une batterie 46 et des panneaux solaires 48. Les panneaux solaires 48 captent l’énergie solaire et la transforment en énergie électrique, qui peut éventuellement être stockée dans la batterie 46. En effet, la batterie 46 permet de stocker les surplus d’énergie pour la redistribuer au besoin, p. ex. pendant des phases d’éclipse ou en cas de plus importante consommation d’énergie.The power supply system 42 includes a distribution module and management of electrical energy 44 ("Power Management And Distribution" (PMAD) in English), a battery 46 and solar panels 48. Solar panels 48 collect the solar energy and transform it into electrical energy, which can possibly be stored in the battery 46. Indeed, the battery 46 makes it possible to store the surplus energy to redistribute it if necessary, p. ex. during eclipse phases or in case of higher energy consumption.
[0036] En accord avec un aspect de l’invention, l’électropompe 26 est connectée au système d’alimentation électrique 42, en particulier au PMAD 44 pour être alimentée en énergie électrique. L’énergie électrique fournie par le PMAD 44 à l’électropompe 26 alimente le moteur 50 de celle-ci. Le moteur 50 est configuré pour entraîner la pompe à carburant 28 et la pompe à comburant 30.In accordance with one aspect of the invention, the electropump 26 is connected to the power supply system 42, in particular to the PMAD 44 to be supplied with electrical energy. The electrical energy supplied by the PMAD 44 to the electropump 26 supplies the motor 50 thereof. The engine 50 is configured to drive the fuel pump 28 and the oxidizer pump 30.
[0037] Il sera apprécié que le système de propulsion 10 établi un pont entre la propulsion chimique et la propulsion électrique produisant un effet synergique entre ces deux propulsions. En effet, il réalise une hybridation entre la propulsion chimique et la propulsion électrique du fait que le système d’alimentation électrique 42 du propulseur électrique 14 alimente des éléments du propulseur chimique 12, en particulier l’électropompe 26.It will be appreciated that the propulsion system 10 establishes a bridge between the chemical propulsion and the electric propulsion producing a synergistic effect between these two propellants. Indeed, it performs a hybridization between the chemical propulsion and the electric propulsion because the electric power supply system 42 of the electric propellant 14 supplies elements of the chemical propellant 12, in particular the electric pump 26.
[0038] Dans le mode de réalisation représenté à la Fig. 1, le moteur 50 de l’électropompe 26 entraine les pompes 28, 30 au travers d’un système de transmission mécanique, ici illustré par un arbre de transmission 52.In the embodiment shown in FIG. 1, the motor 50 of the electric pump 26 drives the pumps 28, 30 through a mechanical transmission system, here illustrated by a transmission shaft 52.
[0039] Il sera apprécié que d’autres configurations de l’électropompe sont possibles.It will be appreciated that other configurations of the electric pump are possible.
P.ex., l’électropompe 26 pourrait être remplacée par des électropompes à entraînements séparés pour le carburant et pour le comburant.For example, the electric pump 26 could be replaced by electric pumps with separate drives for fuel and for oxidizer.
[0040] Le module de poussée vectorielle 36 du module de propulsion chimique 12 est connecté système d’alimentation électrique 42 du propulseur électrique 14 pour être alimenté en énergie électrique.The vector thrust module 36 of the chemical propulsion module 12 is connected to the electric power system 42 of the electric propellant 14 to be supplied with electric energy.
îo [0041] Dans le mode de réalisation illustré, les réservoirs de carburant 22 et de comburant 24 ainsi que le réservoir de masse propulsive 38 se partagent un même compartiment cryogénique 54. Cette configuration permet de réduire l’impact de l’emploi de cryoréfrigérateurs pour les ergols chimiques sur la consommation d’énergie électrique. L’emploi de ces cryoréfrigérateurs est optionnel. Si les exigences de la mission le permettent, carburant, comburant et masse propulsive peuvent être stockés à des températures non cryogéniques.îo In the illustrated embodiment, the fuel tanks 22 and oxidizer 24 and the propellant tank 38 share the same cryogenic compartment 54. This configuration reduces the impact of the use of cryorefrigerators for chemical propellants on electrical energy consumption. The use of these cryorefrigerators is optional. If mission requirements allow, fuel, oxidizer, and propellant can be stored at non-cryogenic temperatures.
[0042] La Fig. 2 illustre un système de propulsion d’un remorqueur spatial selon deuxième mode de réalisation préféré de l’invention. Le système de propulsion du remorqueur spatial est similaire au système de propulsion illustré à la Fig. 1. Il diffère cependant de celui-ci en ce qu’il comprend, en plus, une turbine 56, un circuit de refroidissement 58 de la chambre de combustion 60 et éventuellement de la tuyère 62. En outre, le moteur de l’électropompe est remplacé par moteur-générateur 64.[0042] FIG. 2 illustrates a propulsion system of a space tug according to the second preferred embodiment of the invention. The propulsion system of the space tug is similar to the propulsion system illustrated in FIG. 1. However, it differs from this in that it further comprises a turbine 56, a cooling circuit 58 of the combustion chamber 60 and possibly of the nozzle 62. In addition, the motor of the electric pump is replaced by motor-generator 64.
[0043] Il sera apprécié que le mode de réalisation illustré à la Fig. 2 permet de convertir une partie de l’énergie de combustion en énergie électrique utilisable par le propulseur électrique. Il sera aussi apprécié que, selon ce mode de réalisation préféré, l’hybridation entre la propulsion chimique et la propulsion électrique permet la réalisation d’un transfert bidirectionnel d’énergie entre les deux propulsions.It will be appreciated that the embodiment illustrated in FIG. 2 converts part of the combustion energy into electrical energy usable by the electric thruster. It will also be appreciated that, according to this preferred embodiment, the hybridization between the chemical propulsion and the electric propulsion allows the realization of a bidirectional transfer of energy between the two propellants.
[0044] Une partie du carburant (ou du comburant) est dirigée dans le circuit de refroidissement 58 en tant que fluide caloporteur afin de récupérer une partie de l’énergie de combustion. Le flux de carburant (ou de comburant) injecté dans le système de refroidissement 58 est contrôlé par une vanne de contrôle 66.Part of the fuel (or oxidant) is directed into the cooling circuit 58 as a heat transfer fluid in order to recover part of the combustion energy. The flow of fuel (or oxidant) injected into the cooling system 58 is controlled by a control valve 66.
[0045] Après avoir absorbé une partie de la chaleur, le fluide caloporteur chaud entraine la turbine 56. L’énergie mécanique produite par la turbine 56 peut être utilisée pour entraîner les pompes 72, 74 et/ou par le moteur-générateur 64 pour générer de l’énergie électrique. Cette énergie électrique est mise à disposition du PMAD 68 du système d’alimentation électrique 70.After having absorbed part of the heat, the hot heat transfer fluid drives the turbine 56. The mechanical energy produced by the turbine 56 can be used to drive the pumps 72, 74 and / or by the motor generator 64 for generate electrical energy. This electrical energy is made available to the PMAD 68 of the electrical supply system 70.
[0046] La partie du carburant ou comburant ayant entraîné la turbine peut être injectée dans la chambre de combustion 62 ou être évacuée d’une autre manière.The part of the fuel or oxidizer which has driven the turbine can be injected into the combustion chamber 62 or be evacuated in another way.
[0047] II sera aussi apprécié que la surface des panneaux solaires pourrait être réduite par rapport à celle d’un remorqueur spatial (ou tout autre engin spatial) sans îo propulsion chimique grâce à la synergie entre le propulseur chimique et le propulseur électrique.It will also be appreciated that the surface of the solar panels could be reduced compared to that of a space tug (or any other spacecraft) without chemical propulsion thanks to the synergy between the chemical propellant and the electric propellant.
[0048] Alors que des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits en détail, l’homme du métier appréciera que diverses modifications et alternatives à ceuxlà puissent être développées à la lumière de l’enseignement global apporté par la présente divulgation de l’invention. Par conséquent, les agencements et/ou procédés spécifiques décrits ci-dedans sont censés être donnés uniquement à titre d’illustration, sans intention de limiter la portée de l’invention.While particular embodiments have just been described in detail, those skilled in the art will appreciate that various modifications and alternatives to those can be developed in the light of the overall teaching provided by the present disclosure of the invention. Consequently, the specific arrangements and / or methods described herein are intended to be given by way of illustration only, without the intention of limiting the scope of the invention.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR1753331A Active FR3065202B1 (en) | 2017-04-18 | 2017-04-18 | SPACE PROPELLER |
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FR (1) | FR3065202B1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2636095A1 (en) * | 1988-09-05 | 1990-03-09 | Aerospatiale | System for supplying the boosters of an artificial satellite with at least one liquid ergol |
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FR2991391A1 (en) * | 2012-05-30 | 2013-12-06 | Snecma | Feeding device for feeding cryogenic propellant e.g. liquid oxygen, into propellant chamber of rocket engine, has tank containing cryogenic propellant, and electric pump connected within tank for pumping propellant through feeding circuit |
FR3024436A1 (en) * | 2014-07-30 | 2016-02-05 | Snecma | SYSTEM AND METHOD FOR SPACE PROPULSION |
-
2017
- 2017-04-18 FR FR1753331A patent/FR3065202B1/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2636095A1 (en) * | 1988-09-05 | 1990-03-09 | Aerospatiale | System for supplying the boosters of an artificial satellite with at least one liquid ergol |
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Publication number | Publication date |
---|---|
FR3065202B1 (en) | 2020-07-17 |
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