FR3101676A1 - Ensemble propulsif pour fusée - Google Patents

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Abstract

Ensemble propulsif pour fusée Contenu de l’abrégé. L’invention se rapporte à un ensemble propulsif (1) pour fusée comprenant un réservoir (2) conçu pour contenir un ergol, un moteur comprenant une chambre de combustion (3) configurée pour faire subir à l’ergol une combustion générant des gaz d’échappement, un circuit d’alimentation (4) disposé entre le réservoir (2) d’ergol et la chambre de combustion (3) configuré pour alimenter la chambre de combustion (3) en ergol et un circuit de gaz d’échappement (8) disposée entre la chambre de combustion (3) et le réservoir (2) d’ergol configuré pour acheminer au moins une partie des gaz d’échappement depuis la chambre de combustion (3) vers le réservoir (2) d’ergol en vue d’en assurer sa pressurisation. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Ensemble propulsif pour fusée
La présente invention se rapporte à un ensemble propulsif pour fusée comprenant un réservoir d’ergol ainsi qu’un procédé de pressurisation dudit réservoir.
Le moteur est habituellement un moteur dans lequel des gaz d’échappement générés dans une chambre de combustion sont évacués via une tuyère de manière à développer une poussée.
On connait dans l’art antérieur des moteurs de fusée alimentés en ergol(s) liquide(s). Les ergols sont contenus dans des réservoirs et sont acheminés au moyen de conduits d’alimentation vers la chambre de combustion du moteur dans laquelle ils sont mélangés. Ce mélange d’ergols produit une combustion dont les gaz d’échappement évacués par la tuyère en sortie de la chambre de combustion entrainent le décollage de la fusée.
Pour assurer un débit régulier d’ergol entre le réservoir et la chambre de combustion, il est nécessaire de maintenir le réservoir sous pression.
Pour cela, on utilise généralement des gaz stokés sous haute pression dans des reservoirs de gaz auxiliaires qui sont injectés dans le reservoir pour assurer la pressurisation du ou des reservoirs d’ergol. De préférence, ces gaz sont neutres de manière à éviter toute réaction avec l’ergol contenu dans le réservoir à pressuriser.
On connait également des dispositifs de pressurisation de réservoir utilisant les gaz d’échappement de la chambre de combustion pour vaporiser de l’ergol dans un réchauffeur. L’ergol vaporisé dans le réchauffeur est ensuite injecté dans le réservoir afin d’en assurer sa pressurisation. Les gaz d’échappement sont généralement rejetés à l’extérieur de l’ensemble de motorisation.
On connait également des dispositifs utilisant des gaz chauds issus d’un générateur de gaz externe puis refroidis par de l’eau pour assurer la pressurisation des réservoirs.
Un inconvénient des solutions de l’art antérieur réside dans la nécessité d’embarquer des réservoirs auxiliaires pour contenir des gaz de pressurisation du réservoir et/ou des réservoirs de fluides refroidisseurs. L’architecture des étages de fusée est complexifiée et alourdie, entrainant une augmentation des coûts de fabrication et une perte en performance de ces lanceurs.
L’invention a notamment pour but de pallier au moins l’un de ces inconvénients et concerne selon un premier aspect un ensemble propulsif pour fusée comprenant un réservoir conçu pour contenir un ergol, un moteur comprenant une chambre de combustion configurée pour faire subir à l’ergol une combustion générant des gaz d’échappement, un circuit d’alimentation disposé entre le réservoir d’ergol et la chambre de combustion configuré pour alimenter la chambre de combustion en ergol et un circuit de gaz d’échappement disposé entre la chambre de combustion et le réservoir d’ergol configuré pour acheminer au moins une partie des gaz d’échappement depuis la chambre de combustion vers le réservoir d’ergol en vue d’en assurer sa pressurisation.
Grâce au circuit de gaz d’échappement selon l’invention, au moins une partie des gaz d’échappement générés dans la chambre de combustion est directement acheminée dans le réservoir pour sa pressurisation. Ainsi, les gaz d’échappement sont recyclés dans le réservoir. Il n’est plus nécessaire de faire appel à des réservoirs de gaz auxiliaires pour stocker le gaz de pressurisation. La structure de l’ensemble propulsif est plus légère et moins couteuse. L’architecture de l’ensemble propulsif est simplifiée.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, l’ensemble propulsif de l’invention comporte l’une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes considérées seules ou selon toutes les combinaisons possibles.
Selon une caractéristique, le circuit de gaz d’échappement comprend au moins un canal débouchant à l’extérieur du réservoir.
Selon une caractéristique, le circuit de gaz d’échappement comprend un dispositif de détente, adjacent au réservoir et configuré pour réguler le débit d’entrée des gaz d’échappement dans le réservoir. La régulation du débit permet de maintenir une pression constante à l’intérieur du réservoir d’ergol, égale à une valeur pré déterminée. Le dispositif de détente peut être par exemple une platine de pressurisation ou un détenteur.
Selon une caractéristique le dispositif de détente est une platine de pressurisation.
Selon une caractéristique, la platine de pressurisation comprend au moins une vanne de régulation de pression.
Selon une caractéristique, l’ensemble propulsif comprend des moyens de mesure de pression du réservoir. Ceci permet de s’assurer que la pression à l’intérieur du réservoir est constante et égale à une valeur prédéterminée.
Avantageusement, l’ensemble propulsif comprend une pompe agencée en sortie du réservoir d’ergol. La pompe est actionnée au moyen d’une turbine agencée en sortie de la chambre de combustion, la turbine est configurée pour entrainer ladite pompe.
Dans ce mode de réalisation, l’ensemble propulsif comprend un moteur de type Tap-off, c’est-à-dire un moteur dans lequel des gaz d’échappement sont prélevés dans la chambre de combustion pour entrainer la turbine.
Dans une variante de réalisation, l’ensemble propulsif comprend une pompe agencée en sortie du réservoir et un moteur, le moteur étant configuré pour entrainer ladite pompe.
Selon une caractéristique, le circuit de gaz d’échappement comprend un échangeur de chaleur configuré pour refroidir les gaz d’échappement en sortie de la chambre de combustion. Ceci permet d’empêcher que les gaz d’échappement n’entrent dans le réservoir à des températures inacceptables.
Selon une caractéristique, l’ergol est un mono-ergol. Par mono-ergol, il est entendu un ergol comprenant un seul ergol et qui a la propriété de se suffire à lui-même pour assurer la propulsion de la fusée.
Le mono-ergol est choisi parmi les mono-ergols dont la combustion dégage un gaz inerte. De manière préférentielle, l’ergol est un mono-ergol poly-azoté métastable.
Par métastable on entend une molécule qui présente un niveau d’énergie qui ne correspond pas au minimum global. Une molécule métastable est une molécule qui stocke en elle de l’énergie correspondant au delta d’énergie avec le minimum global, cette énergie est restituée lors de la décomposition de la molécule en molécules stables de plus basses énergies. Dans le cas des molécules polyazotées, des structures avec des liaisons simples et/ou doubles entre atomes d’azote qui sont de plus faibles énergies sont favorisées.
L’utilisation d’un mono-ergol poly-azoté métastable présente pour avantage principal que sa combustion produit principalement de l’azote et permet ainsi de supprimer les risques de réaction chimique lorsque les gaz d’échappement générés entrent dans le réservoir.
Selon un autre aspect l’invention se rapporte à un procédé de pressurisation d’un réservoir d’ergol d’un ensemble propulsif tel que décrit précédemment, le procédé comprenant des étapes de :
  • Fourniture d’un ergol dans une chambre de combustion depuis un réservoir contenant l’ergol,
  • Combustion dudit ergol dans la chambre de combustion, la combustion dudit ergol générant des gaz d’échappement,
  • Acheminement des gaz d’échappement depuis la chambre de combustion vers le réservoir pour maintenir une pression dans le réservoir égale à une valeur pré déterminée.
Suivant des modes de réalisation préférés, le procédé de pressurisation selon l’invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
Selon une caractéristique, l’ergol fournit est un mono-ergol, de préférence l’ergol fournit est un mono-ergol poly-azoté métastable
Selon une caractéristique, le procédé de pressurisation comprend une étape de refroidissement des gaz d’échappement dans un échangeur de chaleur.
Selon une caractéristique, le procédé de pressurisation comprend une étape de régulation de pression à l’intérieur du réservoir, ladite étape comprenant :
  • une détermination d’une valeur de pression à maintenir à l’intérieur du réservoir préalablement à l’étape de fourniture de l’ergol,
  • une mesure de pression à l’intérieur du réservoir durant la délivrance de l’ergol dans la chambre de combustion,
  • une modification de position d’une ou plusieurs vannes de régulation de pression, la ou les vanne(s) étant fermée(s) lorsque la pression mesurée à l’intérieur du réservoir est inférieure à la valeur de pression à maintenir, au moins une vanne étant ouverte lorsque la pression mesurée à l’intérieur du réservoir est supérieure à la valeur de pression à maintenir , de manière à dévier au moins une partie des gaz d’échappement à l’extérieur du réservoir.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description nullement limitative qui suit et des figures annexées qui illustrent de manière schématique plusieurs modes de réalisation de l’ensemble propulsif selon l’invention.
La figure 1 est une illustration schématique d’un ensemble propulsif pour fusée selon un mode de réalisation.
La figure 2 est une illustration schématique d’un ensemble propulsif pour fusée selon un mode de réalisation.
Par souci de simplification, les éléments identiques sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
Dans l’exemple représenté sur la figure 1, l’ensemble propulsif est réalisé sur la base d’un moteur de type Tap-off c’est-à-dire un moteur dans lequel des gaz d’échappement sont prélevés dans la chambre de combustion pour fournir de l’énergie à certaines parties du moteur.
L’ensemble propulsif 1 comprend un réservoir 2, un moteur de fusée comprenant une chambre de combustion 3.
Le réservoir 2 est configuré pour contenir un ergol. Cet ergol se présente sous forme liquide dans le réservoir 2. De préférence, l’ergol est un mono-ergol poly-azoté métastable.
L’ensemble propulsif 1 comprend un circuit d’alimentation 4 disposé entre le réservoir 2 et la chambre de combustion 3. Le circuit d’alimentation 4 relie le réservoir 2 d’ergol à la chambre de combustion 3. Le circuit d’alimentation 4 est formé de façon conventionnel par un conduit 40 de circulation d’ergol. Le circuit d’alimentation 4 permet d’alimenter la chambre de combustion 3 en ergol depuis le réservoir 2 d’ergol.
Le circuit d’alimentation 4 comprend une pompe. Dans le présent exemple la pompe est une turbopompe 5 agencée en sortie du réservoir 2. La turbopompe 5 est configurée pour mettre sous pression l'ergol liquide en sortie du réservoir 2 avant son injection dans la chambre de combustion 3. La turbopompe est entrainée par une turbine 6 disposée en sortie de la chambre de combustion 3.
La turbine 6 est actionnée par les gaz d’échappement sortant de la chambre de combustion 3 et passant dans la turbine 6. La mise en fonctionnement de la turbine 6 entraine l’actionnement de la turbopompe 5.
Comme l’illustre la figure 2, l’ensemble propulsif 1 peut être démuni de la turbine 6 et comprendre un moteur électrique 62 configuré pour entrainer la turbopompe 5.
Adjacent à la turbopompe 5, est disposée une vanne 7 de régulation de débit d’ergol. Cette vanne de régulation de débit 7 permet de réguler le débit d’ergol entrant dans la chambre de combustion 3.
L’ensemble propulsif 1 comprend un circuit de gaz d’échappement 8 agencé en sortie de la chambre de combustion 3. Le circuit de gaz d’échappement est disposé entre la chambre de combustion 3 et le réservoir 2.
Le circuit de gaz d’échappement 8 permet d’acheminer au moins une partie des gaz d’échappement depuis la chambre de combustion 3 vers le réservoir 2 d’ergol en vue d’en assurer sa pressurisation. Le circuit de gaz d’échappement 8 est formé de façon conventionnel par un conduit 80 de circulation de gaz d’échappement.
Le circuit de gaz d’échappement 8 peut comprendre un échangeur de chaleur 9. Cet échangeur de chaleur 9 est configuré pour refroidir les gaz d’échappement sortant de la chambre de combustion 3. Le refroidissement des gaz d’échappement dans l’échangeur de chaleur 9 est assuré par une source froide. La source froide de l’échangeur de chaleur 9 est assurée par de l’ergol provenant du circuit d’alimentation 4 qui permet de s’affranchir d’une arrivée de source froide externe. En outre, l’échangeur de chaleur 9 peut être relié au circuit d’alimentation 4.
Le circuit de gaz d’échappement 8 peut comprendre un dispositif de détente 10. Dans le présent exemple, le dispositif de détente 10 est une platine de pressurisation. Cette platine de pressurisation est agencée entre la turbine 6 et l’entrée du réservoir 2. Cette platine de pressurisation est configurée pour réguler le débit de gaz d’échappement entrant à l’intérieur du réservoir 2.
Le débit d’entrée des gaz d’échappement est régulé en fonction de la pression mesurée à l’intérieur du réservoir 2. A cet effet, des moyens de mesure de pression tels que des capteurs de pression (non représentés) peuvent être disposés à l’intérieur du réservoir 2. D’autres dispositifs équivalent jugés compatibles par l'homme du métier peuvent être utilisés comme moyens de mesure de pression. L’objectif est de maintenir une pression constante à l’intérieur de ce réservoir.
Le conduit 80 de circulation de gaz d’échappement se divise, au niveau de la platine de pressurisation, en une pluralité de canaux 81, 82, 83 comprenant une ou plusieurs vanne(s) 11 de pressurisation. L’un des canaux 83 débouche à l’extérieur du réservoir 2 suivant la direction de la flèche « a ». Le canal 83 débouchant à l’extérieur du circuit de gaz d’échappement comprend une vanne 11 de régulation de pression. La vanne de régulation est mobile entre une position fermée permettant de fermer le canal 83 et une position ouverte permettant d’ouvrir le canal 83 de manière à dévier au moins une partie du flux des gaz d’échappement en dehors du réservoir lorsqu’elle est ouverte. Ceci permet de réguler le débit de gaz d’échappement entrant dans le réservoir 2 en fonction de la pression mesurée dans le réservoir 2.
Le dispositif de détente de la présente invention n’est pas limité à une platine de pressurisation et peut par exemple consister en un détendeur tel qu’un détenteur hydraulique. L’utilisation d’un tel détenteur permet de s’affranchir des capteurs de pression dans les réservoirs. Le détenteur est configuré pour déterminer de façon autonome la pression à l’intérieur du réservoir grâce à un système de membrane et est configuré pour s’ouvrir et se fermer de façon régulière pour maintenir la pression à l’intérieur du réservoir à une valeur constante.
En fonctionnement, le réservoir 2 rempli d’ergol délivre le carburant. Le carburant traverse le conduit 40 de circulation d’ergol du circuit d’alimentation 4 depuis le réservoir 2 jusqu’à la chambre de combustion 3.
Lors du passage de l’ergol dans le circuit d’alimentation 4, l’ergol passe par la turbopompe 5. Le passage dans la turbopompe 5 permet une compression du carburant de sorte que l’ergol entre dans la chambre de combustion 3 dans des conditions de pression, de vitesse et de températures optimales.
L’ergol entre ensuite dans la chambre de combustion 3 dans laquelle il subit une combustion. La combustion de l’ergol génère des gaz d’échappement.
Une partie des gaz d’échappement sortant de la chambre de combustion 3 est évacuée par une tuyère 32 de façon à développer une poussée entrainant la propulsion du moteur et celui du véhicule sur lequel il est fixé.
Une autre partie des gaz d’échappement est acheminée vers la turbine 6 à travers le conduit 80 de gaz d’échappement du circuit de gaz d’échappement 8.
Les gaz d’échappement sont préalablement refroidis dans l’échangeur de chaleur 9 disposé entre la chambre de combustion 3 et la turbine 6.
Le passage des gaz d’échappement dans la turbine 6 permet une mise en fonctionnement de la turbine 6 qui entraine à son tour l’activation de la turbopompe 5.
En sortie de la turbine 6 les gaz d’échappement sont acheminés vers le réservoir à travers le conduit 80 de gaz d’échappement, en vue d’en assurer sa pressurisation.
Avant d’entrer dans le réservoir, les gaz d’échappement passent par la platine de pressurisation 10 comprenant les vannes 11 de régulation de pression.
Le changement de position des vannes de régulation de pression est piloté par la valeur de pression mesurée à l’intérieur du réservoir 2. La pression à l’intérieur du réservoir peut varier par exemple au cours de la délivrance du carburant.
La pression à l’intérieur du réservoir 2 est mesurée grâce aux moyens de mesure de pression situés à l’intérieur du réservoir 2. L’intérêt étant de maintenir une pression constante à l’intérieur du réservoir pendant toute la durée de délivrance du carburant.
Dans le cas où la pression mesurée à l’intérieur du réservoir 2 est supérieure à une valeur prédéterminée, c’est-à-dire lorsque le réservoir 2 est en surpression, la vanne 11 de régulation de pression agencée sur le canal 83 du circuit de gaz d’échappement débouchant à l’extérieur du réservoir s’ouvre. Ainsi, au moins une partie des gaz d’échappement est déviée en dehors du réservoir 2. Le débit de gaz d’échappement est réduit, la pression à l’intérieur du réservoir 2 diminue.
Dans le cas où la pression mesurée à l’intérieur du réservoir 2 est inférieure à une valeur prédéterminée, c’est-à-dire lorsque le réservoir 2 est en sous pression, la vanne 11 de régulation de pression agencée sur le canal 83 du circuit de gaz d’échappement débouchant à l’extérieur du réservoir 2 se ferme. Les gaz d’échappement sont dirigés en totalité à l’intérieur du réservoir 2. Le débit de gaz d’échappement est augmenté, la pression à l’intérieur du réservoir 2 augmente.
Comme on peut le comprendre à la lumière de ce qui précède, l’ensemble propulsif selon l’invention permet d’utiliser une partie des gaz d’échappement afin de pressuriser le réservoir d’ergol et permet ainsi de simplifier la structure de l’ensemble propulsif.
Bien évidemment, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims (13)

  1. Ensemble propulsif (1) pour fusée comprenant un réservoir (2) conçu pour contenir un ergol, un moteur comprenant une chambre de combustion (3) configurée pour faire subir à l’ergol une combustion générant des gaz d’échappement, un circuit d’alimentation (4) disposé entre le réservoir (2) d’ergol et la chambre de combustion (3) configuré pour alimenter la chambre de combustion (3) en ergol et un circuit de gaz d’échappement (8) disposée entre la chambre de combustion (3) et le réservoir (2) d’ergol configuré pour acheminer au moins une partie des gaz d’échappement depuis la chambre de combustion (3) vers le réservoir (2) d’ergol en vue d’en assurer sa pressurisation.
  2. Ensemble propulsif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit de gaz d’échappement (8) comprend un dispositif de détente (10) adjacent au réservoir (2) et configuré pour réguler le débit d’entrée des gaz d’échappement dans le réservoir (2).
  3. Ensemble propulsif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le dispositif de détente (10) est une platine de pressurisation.
  4. Ensemble propulsif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la platine de pressurisation (10) comprend au moins une vanne (11) de régulation de pression.
  5. Ensemble propulsif selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que l’ensemble propulsif comprend des moyens de mesure de pression du réservoir (2).
  6. Ensemble propulsif selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l’ensemble propulsif comprend une pompe (5) agencée en sortie du réservoir (2) et une turbine (6) agencée en sortie de la chambre de combustion (3), la turbine (6) étant configurée pour entrainer ladite pompe (5).
  7. Ensemble propulsif selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l’ensemble propulsif comprend une pompe (5) agencée en sortie du réservoir (2) et un moteur, le moteur étant configuré pour entrainer ladite pompe (5).
  8. Ensemble propulsif selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit de gaz d’échappement (8) comprend un échangeur de chaleur (9) configuré pour refroidir les gaz d’échappement en sortie de la chambre de combustion (3).
  9. Procédé de pressurisation d’un réservoir d’un ensemble propulsif selon les revendications 1 à 8, le procédé comprenant des étapes de :
    • fourniture d’un ergol dans une chambre de combustion (3) depuis un réservoir (3) contenant l’ergol,
    • combustion dudit ergol dans la chambre de combustion (3), la combustion dudit ergol générant des gaz d’échappement,
    • acheminement des gaz d’échappement depuis la chambre de combustion (3) vers le réservoir (2) pour maintenir une pression dans le réservoir (2) égale à une valeur pré déterminée.
  10. Procédé de pressurisation selon la revendication 9 caractérisé en ce que l’ergol fournit est un mono-ergol.
  11. Procédé de pressurisation selon la revendication 9 caractérisé en ce que l’ergol est un mono-ergol poly-azoté métastable.
  12. Procédé de pressurisation selon l’une des revendications 9 à 11 caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de refroidissement des gaz d’échappement dans un échangeur de chaleur (9).
  13. Procédé de pressurisation selon l’une des revendications 9 à 12 caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de régulation de pression à l’intérieur du réservoir (2), ladite étape comprenant :
    • une détermination d’une valeur de pression à maintenir à l’intérieur du réservoir (2) préalablement à l’étape de fourniture de l’ergol,
    • une mesure de pression à l’intérieur du réservoir (2) durant la fourniture de l’ergol dans la chambre de combustion (3),
    • une modification de position d’une ou plusieurs vannes (11) de régulation de pression, la ou les vanne(s) étant fermée(s) lorsque la pression mesurée à l’intérieur du réservoir (2) est inférieure à la valeur de pression à maintenir, au moins une vanne (11) étant ouverte lorsque la pression mesurée à l’intérieur du réservoir (2) est supérieure à la pression à maintenir, de manière à dévier au moins une partie des gaz d’échappement à l’extérieur du réservoir (2).
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