FR3101383A1 - Propulseur électrothermique à double-flux - Google Patents
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- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
- F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
- F03H1/0012—Means for supplying the propellant
Abstract
Propulseur électrothermique à double flux.
Ce dispositif génère de la poussée en ionisant des gaz atmosphériques sans avoir recours à des réactions de combustion.
Il est constitué d’un corps (1) surmonté d’une hélice conique (12). Quand l’air s’y engouffre, il contourne ou passe au travers du cône (2). Dans ce dernier l’air va accélérer et être injecté dans la cellule d’ionisation (6) où il va être exposé à une forte différence de potentiel et un fort ampérage ce qui va provoquer son ionisation et son expansion au sein de la tuyère interne (8). En sorti de cellule (6) ce flux chaud va rencontrer l’air ayant contourné cet ensemble et va l’entrainer générant le flux froid. Les deux flux mélangés sortent par une tuyère à section variable.
Le dispositif génère de la poussée à haute altitude ou en atmosphère extra-terrestre.
Figure pour l’abrégé : [Fig.1]
Description
Le dispositif présenté ici est un système de propulsion atmosphérique dont le fonctionnement est basé sur l’ionisation des gaz entrants suite à leur exposition à une grande quantité d’énergie électrique.
Jusqu’à présent la quasi-totalité des systèmes de propulsion produisent de la poussée grâce à des réactions de combustion ce qui les rend dépendant de la concentration en dioxygène limitant leurs utilisations à un domaine d’altitude, une durée de fonctionnement ou une vitesse minimale de fonctionnement.
De plus les systèmes de propulsion tels que les turboréacteurs ou les turbopropulseurs ont des mécanismes complexes ayant beaucoup de pièces en rotation ce qui constitue un frein à leur efficience. Bien que les statoréacteurs conventionnels ne souffrent pas de ce problème, leur vitesse minimale d’utilisation constitue une contrainte majeure limitant leurs applications.
Même si des propulseurs ioniques sont à l’étude, il est clair que ces derniers ne permettront pas de générer suffisamment de poussée pour trouver des applications sur terre.
Ce dispositif permet de remédier à ces inconvénients car la poussée est due à la dilatation des gaz atmosphériques suite à une exposition à un fort courant électrique.
Contrairement aux propulseurs électrothermiques de type Arcjet ce n’est pas un gaz spécifique sous pression qui est ionisé mais de l’air atmosphérique.
L’air entrant passe au travers d’une hélice conique afin d’éviter que de la matière solide ne rentre mais aussi pour gérer des ingestions telles que le sable ou l’eau. Après cela le flux est scindé en deux grâce à la tuyère d’entrée du cône. Le flux primaire passe au travers celui-ci qui va le faire accélérer et baisser en pression avant son injection au sein de la cellule d’ionisation où il sera exposé à une grande différence potentielle et à un fort ampérage. Le gaz se retrouve ainsi partiellement ionisé et sa température augmente brutalement ce qui a pour conséquence sa rapide expansion au sein de la tuyère interne. En sortie le gaz chaud du flux primaire rencontre le gaz froid du flux secondaire qui a transité autour du cône et de la cellule. Le mélange des deux flux va ensuite passer au travers d’une tuyère à section variable afin de faire accélérer les gaz sortants. Le maintien de l’ionisation et la gestion de la puissance s’opèrent en modifiant la distance anode – cathode, la tuyère de sortie du corps et d'entrée du cône et les paramètres de l'énergie électrique envoyée (f, A, U).
Selon des modes particuliers de réalisation :
- Le gaz ionisé au sein de la cellule est de l’air à pression atmosphérique.
- Les gaz entrants ne sont pas chauffés par une réaction de combustion mais par leur exposition à une grande quantité d’énergie électrique au sein de l’espace entre l’anode et la cathode.
- L’ensemble bague de coulissement, conduites du support anodique et le support anodique constitue un moyen de modifier la distance entre les électrodes sans fuites au niveau de la jonction cône–cellule ou corps-conduites.
- La section variable du cône permet de répartir les gaz entrants entre les 2 flux.
- Le système de refroidissement de la cellule permet de récupérer l’énergie dissipée dans le matériau.
- La tuyère interne plaque la cathode dans son logement et permet ainsi de la changer facilement.
- Le dispositif est un statoréacteur à double flux.
Les dessins annexés illustrent l’invention :
La représente en coupe le dispositif de l’invention hors hélice.
La représente de côté l’hélice conique.
La représente en coupe l’hélice conique.
La représente en coupe le cône à section variable.
La représente de côté le cône à section variable.
La représente de face le cône à section variable.
La représente en coupe le support anodique.
La représente en coupe le support anodique selon un plan perpendiculaire aux précédentes vues en coupe.
La représente de côté le support anodique.
La représente de face le support anodique.
La représente en coupe la bague de coulissement.
La représente de côté la bague de coulissement.
La représente en coupe une conduite d’alimentation électrique du support anodique.
La représente en coupe une conduite d’alimentation en hydrogène du support anodique.
La représente en coupe la cellule d’ionisation.
La représente de côté la cellule d’ionisation.
La représente de face la cellule d’ionisation.
La représente de face une conduite de la cellule d’ionisation.
La représente de côté le dispositif de l’invention.
En référence à ces dessins, le dispositif comporte une hélice conique (12) qui ne joue aucun rôle dans la production de poussée mais permet d’éviter les ingestions. Elle est composée de pales qui viennent s’insérer au sein d’une base placée sur roulement à bille et sont reliées à une pointe centrale. Les pales sont concaves de façon à résister à la force centrifuge. Des pales hétérogènes en titane et en matériaux composites semblent particulièrement indiquées ici car résistantes aux impactes et à l’érosion.
Bien que les volatiles, le gravier ou les pièces métalliques représentent un danger évident pour les pièces perpendiculaires aux flux, le sable est également une ingestion à risque. Ce dernier pourrait se vitrifier et encrasser la cathode, la tuyère interne et externe perturbant le bon fonctionnement du dispositif. L’hélice conique (12) doit pour cela faire en sorte que l’air tourbillonne de façon à ce que la force centrifuge plaque le sable contre la paroi du propulseur, le flux secondaire étant froid le sable ressortira sans se vitrifier. Cet élément n’a pas nécessité à être directement installé sur le corps du propulseur (1), il pourrait être installé sur la nacelle.
Le cône (2) est une pièce essentielle car il permet de soutenir la cellule (6), d’y acheminer l’air entrant ainsi que de gérer la circulation des gazs.
L’extérieur de son cylindre vient s’insérer dans le corps du propulseur (1) et ses quatre encoches viennent bloquer sa position, ces dernières permettent un bon maintien de l’ensemble qui va être soumis à de fortes contraintes. A l’avant de cette pièce, nous retrouvons une tuyère d’entrée à section variable qui va permettre de répartir l’air entre les deux flux (primaire et secondaire). Les vérins se trouvent à l’intérieur et le fluide hydraulique est acheminé par les quatre montants. Ces derniers sont creux et présentent un filetage vertical qui vient s’aligner sur le corps du propulseur (1) également fileté ce qui offre une bonne étanchéité lors de l’acheminement du liquide hydraulique. Leur position inclinée permet une meilleure résistance aux contraintes mécaniques et crée moins de turbulences dans le flux secondaire. La forme de cet élément va faire accélérer le fluide passant à l’intérieur le faisant par conséquent diminuer sa pression ce qui va permettre une fois dans la cellule (6) d’obtenir un arc avec une différence de potentiel moins importante.
Cet élément n’étant pas exposé à une tension électrique, l’utilisation d’alliages métalliques pour sa réalisation correspond parfaitement. Cela offrirait une plus grande élasticité ce qui éviterait que la pièce ne casse en cas de choc violent par exemple.
La jonction avec la cellule d’ionisation (6) est parfaitement à niveau pour permettre au support d’anode de coulisser sans fuites. Le filetage au bout du cône se trouve à l’extérieur et vient se visser dans le filetage interne de la cellule (6).
Le support anodique (3) supporte l’anode (4), l’alimente électriquement et fait office de système de démarrage. Il vient se glisser dans quatre encoches au sein de la cellule (6). Cet élément étant exposé aux deux flux, sa forme est telle qu’elle perturbe le moins possible leurs écoulements. L’étanchéité est garantie par deux cylindres imbriqués qui viennent coulisser à la fois sur la cellule et sur la partie cylindrique du cône ce qui empêche les fuites au niveau des rainures. Afin d’équilibrer la pression au sein de ces interstices, des perforations sont présentes sur la partie externe.
Les deux cylindres sont reliés en quatre points à une flèche à quatre montants. Au cœur de cette pièce on retrouve deux cavités pour l’alimentation électrique et deux autres pour le dihydrogène servant de système de démarrage, le combustible y est injecté à haute pression, s’embrase grâce à l’arc et se détend dans la tuyère interne (8) aspirant ainsi de l’air à l’avant du propulseur ce qui va alimenter les cycles suivants. L’alimentation électrique de l’anode (4) est assurée par deux câbles gainés en contact avec un culot pour maximiser la surface de contact.
Les quatre conduites du support anodique (10) sont de deux types : celles pour l’hydrogène et celles pour l’énergie électrique. Elles sont 2 à 2 identiques. En plus d’alimenter le support anodique ces dernières le soutiennent et permettent de le déplacer.
Une extrémité est dotée d’un filetage externe large qui vient s’insérer dans la bague de coulissement (5), l’autre extrémité est dotée d’un filetage interne plus fin qui se fixe sur un filetage du support anodique (3).
La bague de coulissement (5) est un anneau qui vient coulisser sur les parois internes du corps (1). Elle permet de garantir l’étanchéité avec ce dernier lors d’un déplacement de l’anode (4). Sa forme perturbe au minimum le flux secondaire tout en assurant une bonne liaison aux conduites (10). Elle permet également de bien répartir la force et de guider le mouvement des conduites (10) en cas de modification de la distance inter-électrode.
La cellule d’ionisation (6) sert à ioniser le flux primaire et à transformer efficacement son énergie interne en énergie cinétique. Elle est reliée au cône (2) par un filetage interne muni de quatre fentes pour la circulation du support de l’anode (3). Elle est constituée d’une partie convergente et d’une partie divergente composée par la tuyère interne (8), le col étant situé à l’emplacement de la cathode (7). La tuyère (8) peut se retirer facilement de manière à changer la cathode (7). Quand l’air du flux primaire s’engouffre dans l’espace situé entre l’anode (4) et la cathode (7) il est exposé à une forte différence de tension. Sa vitesse ayant augmenté et sa pression ayant diminué durant son passage dans le cône (2), sa tension de claquage est plus basse. En conséquence, on obtient un arc avec une tension plus faible et grâce à la forte résistance électrique de l’air, ce dernier va s’échauffer. Lors de ce processus, une grande quantité d’énergie est communiquée au flux. Le fluide surchauffé se détend dans la tuyère interne (8) ce qui convertit son énergie interne en énergie cinétique.
Au travers de la cellule (6) circule un fluide qui va permettre de la refroidir, l’énergie dissipée dans le matériau est donc en partie récupérée et peut servir à alimenter un petit générateur par exemple.
L’alimentation électrique de la cathode (6) se fait par une cavité où un fil conducteur gainé vient entrer en contact avec elle.
Un moyen de réalisation réaliste serait l’utilisation d’imprimantes 3D. Cela offrirait le niveau de précision désiré ainsi que la possibilité d’obtenir facilement les cavités nécessaires. Les seuls matériaux offrant une isolation électrique et une rigidité plastique suffisante semblent être les céramiques. Ce type de matériau convient également pour la tuyère interne (8) qui sera exposée à de fortes contraintes thermiques.
Les conduites d’alimentation de la cellule (9) viennent alimenter la cathode (7) en énergie électrique, servent à l’entrée et à l’évacuation du fluide caloporteur et soutiennent l’élément en question.
Une extrémité est dotée d’un filetage externe large qui vient s’insérer dans le corps du propulseur (1). L’autre extrémité est dotée d’un filetage interne plus fin. A l’intérieur on retrouve 2 canaux, un pour le fluide et l’autre pour l’alimentation électrique.
Selon une variante non illustrée, la tuyère à section variable (11) reliée au corps (1) pourrait être remplacée par une tuyère de Laval dans le cas où le dispositif fonctionnerait en régime supersonique.
Selon une variante non illustrée, l’intérieur du corps du propulseur (1), au niveau de la tuyère interne (8) pourrait être doté d’une bobine afin de chauffer d’avantage le plasma par effet inductif.
A titre d’exemple non limitatif, le corps du propulseur à des dimensions de l’ordre de 200cm de long pour 70cm de diamètre extérieur.
Le dispositif selon l’invention serait destiné à la propulsion d’engins au sein de l’atmosphère terrestre ainsi qu’en atmosphère extra-terrestre.
Claims (8)
- Propulseur électrothermique à double flux caractérisé en ce qu’il comporte un cône à section variable (2) suivit d’une cellule d’ionisation (6) le tout étant entouré par le corps (1) du réacteur.
- Propulseur électrothermique à double flux selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte un support anodique (3) qui alimente électriquement l’anode (4), le support anodique venant se glisser dans quatre encoches au sein de la cellule d’ionisation (6),le cellule d’ionisation (6) comportant en outre un filetage interne sur lequel vient se visser le filetage extérieur au bout du cône (2).
- Propulseur électrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte :-des conduites d’alimentation de la cellule (9) qui viennent alimenter la cathode (7) en énergie électrique, permettent l’entrée et l’évacuation du fluide caloporteur et soutiennent l’élément en question, les quatre conduites du support anodique (10) sont de deux types : celles pour l’hydrogène et celles pour l’énergie électrique et sont deux à deux identiques ;-une bague de coulissement (5) qui est un anneau venant coulisser sur les parois internes du corps (1).
- Propulseur électrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tuyère interne (8) est doté d’un filetage externe s’insérant dans le filetage interne de la cellule d’ionisation (6) bloquant de ce fait la cathode (7) dans son emplacement.
- Propulseur électrothermique à double flux selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tension circule via les conduites du support anodique (10) dédiées à cet effet avant de passer par les câbles gainés reliés au culot présent dans le support anodique (3) et d’atteindre l’anode (4). Le courant électrique traverse ensuite le flux primaire ionisé avant de passer par la cathode (7), les câbles gainés de la cellule d’ionisation (6) et les conduites de la cellule (9).
- Propulseur électrothermique selon la revendication 3 caractérisé en ce que le support anodique (3) est doté de deux cylindres imbriqués qui viennent coulisser à la fois sur la cellule (6) et sur la partie cylindrique du cône (2), la partie externe du support anodique (3) est dotée de perforations.
- Propulseur électrothermique selon quelconque revendications précédentes caractérisé en la présence d’un cône à section variable (2) relié au corps (1) et à la cellule d’ionisation (6).
- Propulseur électrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cellule d’ionisation (6) est constituée d’une partie convergente et d’une partie divergente où se trouve la tuyère interne (8), le col étant situé à l’emplacement de la cathode (7).
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