FR3139367A1 - Moteur-fusée hybride autophage - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système propulsif à réaction équipé d’un moteur-fusée hybride et plus précisément, le stockage des ergols avant d’être inséré dans la chambre de combustion. Ce système propulsif est constitué d’une chambre de combustion (1) fermée par un bouchon (2) et une vanne (3). Un ergol solide (4) sert de réservoir à un ergol liquide (5). Ces deux ergols sont insérés dans la chambre (1) pour y brûler. Les gaz issus de cette combustion s’échappent par une tuyère (6) pour fournir une poussée propulsive. Le système est autophage dans le sens où il consomme sa propre structure pour se propulser. Le système propulsif décrit par cette invention est particulièrement destiné à la propulsion de lanceurs et véhicules spatiaux. Figure pour l’abrégé: fig 1.
Description
La présente invention concerne un système propulsif à réaction équipé d’un moteur-fusée hybride et plus précisément, le stockage des ergols avant d’être inséré dans la chambre de combustion. Les moteur-fusées chimiques à réaction expulsent à travers une tuyère les fluides issus d’une réaction entre plusieurs ergols pour se propulser. Dans le cas des moteur-fusées hybrides, au moins un ergol est solide et au moins un est fluide.
Dans l’état de la technique actuelle, le stockage des ergols pour les moteurs-fusées dépend de la nature de l’ergol. Les ergols solides sont stockés sous forme de grain directement dans la chambre de combustion et les ergols fluides sont stockés dans des réservoirs de géométrie fixe.
Lorsque le système propulsif est en vol, les réservoirs à ergols fluides se vident et deviennent progressivement une charge inutile qui réduit les performances du système global.
Lorsque le système propulsif est en vol, les réservoirs à ergols fluides se vident et deviennent progressivement une charge inutile qui réduit les performances du système global.
La présente invention propose une solution pour se libérer des réservoirs afin d’augmenter les performances du système propulsif.
Cet objectif est atteint grâce à l’utilisation du grain d’ergol solide en tant que structure sous la forme d’un cylindre quelconque creux qui permet de stocker l’ergol fluide.
Le grain d’ergol solide sert à contenir l’ergol fluide mais aussi à transmettre les efforts de poussée de la tuyère à la charge utile du système propulsif. A l’intérieur du grain se trouve un bouchon équipé d’une vanne et d’un injecteur, qui sert à délimiter la partie du grain destinée à contenir l’ergol fluide de la partie du grain destinée à brûler dans la chambre de combustion.
Un ou plusieurs systèmes permettent d’insérer le grain dans la chambre de combustion et de déplacer le bouchon au fur et à mesure que le grain cylindrique brûle. Le système est autophage dans le sens où il consomme sa propre structure.
Cet objectif est atteint grâce à l’utilisation du grain d’ergol solide en tant que structure sous la forme d’un cylindre quelconque creux qui permet de stocker l’ergol fluide.
Le grain d’ergol solide sert à contenir l’ergol fluide mais aussi à transmettre les efforts de poussée de la tuyère à la charge utile du système propulsif. A l’intérieur du grain se trouve un bouchon équipé d’une vanne et d’un injecteur, qui sert à délimiter la partie du grain destinée à contenir l’ergol fluide de la partie du grain destinée à brûler dans la chambre de combustion.
Un ou plusieurs systèmes permettent d’insérer le grain dans la chambre de combustion et de déplacer le bouchon au fur et à mesure que le grain cylindrique brûle. Le système est autophage dans le sens où il consomme sa propre structure.
Lorsque l’ergol solide entre dans la chambre, le volume de stockage de l’ergol fluide diminue. Par compression, l’ergol fluide est donc lui aussi forcé dans la chambre. Un seul système d’insertion est suffisant pour forcer les deux ergols dans la chambre.
Dans une version de l’invention, on peut (ou non) imaginer qu’un système d’insertion se situe au niveau du bouchon, et que le bouchon soit lié mécaniquement à la chambre, se déplaçant ainsi à la même vitesse à l’intérieur du grain. Par exemple, le bouchon et la chambre de combustion peuvent être liés par un certain nombre de couteaux. Le cas échéant, le grain cylindrique, déjà soumis à une forte pression interne, est facilement coupé par les couteaux au fur et à mesure qu’il pénètre la chambre.
Un système mécanique d’insertion du grain peut être par exemple composé d’un système vis-écrou dans lequel le grain comporte un filet interne qui vient s’interfacer avec une vis autour du bouchon. Un système mécanique de mise en rotation tel qu’un moteur électrique alimenté par batteries, piles à combustible, générateur à gaz ou n’importe quelle autre source d’électricité permet de faire tourner la vis, entraînant ainsi le grain en translation. Une turbine utilisant les gaz de combustion, ou n’importe quel autre système peut également être considéré pour entraîner la vis. L’arrêt en rotation du grain dans le système vis-écrou peut être réalisé avec les couteaux précédemment décrit ou un autre système d’arrêt en rotation, quel qu’il soit. Le système de mise en rotation de la vis pourrait également être utile pour entraîner une pompe qui servirait à augmenter la pression de l’ergol fluide entre le réservoir et la chambre.
Les caractéristiques du grain solide peuvent être adaptées en utilisant des revêtements, des additifs ou une micro-structure particulière. Une couche de polytétrafluoroéthylène peut être appliquée au grain pour permettre à celui-ci une meilleure compatibilité chimique avec l’ergol fluide, une meilleure étanchéité dans le filetage ou une friction réduite avec la vis ou la paroi de chambre. Le grain solide peut aussi être composé de plusieurs matériaux : l’enveloppe externe du grain peut être constituée d’un matériau ablatif qui libère des gaz froids en étant pyrolysé, ce qui servirait à isoler les parois de la chambre de combustion et de la tuyère. On peut également considérer utiliser des matériaux composites en tant qu’ergol solide ou réaliser celui-ci par un processus de fabrication additive.
La figure décrit le fonctionnement basique du moteur-fusée hybride autophage, sans plus de détails quant aux systèmes utiles à l’insertion du grain dans la chambre.
La figure représente une réalisation possible de l’invention, décrite ci-après, où le grain est entraîné dans la chambre par l’intermédiaire d’un système vis-écrou.
L’invention est ici illustrée dans le cas d’un moteur-fusée hybride dont les ergols sont un comburant cryogénique liquide et un carburant solide à température ambiante, mais l’invention peut être mise en œuvre avec d’autres combinaisons d’ergols.
La chambre de combustion (1), capable de résister à la pression en son sein, est fermée par un bouchon (2) et une vanne (3) qui délimitent deux parties dans le grain solide (4): la zone destinée à la combustion au niveau de la chambre (1) et la zone destinée au stockage de l’ergol fluide (5). L’ergol fluide (5) peut pénétrer dans la chambre par le biais de la vanne (3). En entrant dans la chambre (1) et en brûlant avec le grain (4), l’ergol fluide (5) génère des gaz de combustion ensuite éjectés par la tuyère (6) ce qui permet la propulsion par réaction du système.
Le bouchon (2) est lié mécaniquement à la chambre de combustion (1) par le biais de couteaux (7) qui reprennent les efforts de pression interne. Ces couteaux traversent le grain solide (4).
Lorsque le moteur-fusée est en fonctionnement, la vis (8) tourne en entraînant le filet (9) interne du grain solide (4). Le grain (4) ne peut pas tourner relativement à la chambre de combustion car il est bloqué en rotation par les couteaux (7), il est donc forcé de se déplacer axialement dans la chambre de combustion (1).
Lorsque le moteur-fusée est en fonctionnement, la vis (8) tourne en entraînant le filet (9) interne du grain solide (4). Le grain (4) ne peut pas tourner relativement à la chambre de combustion car il est bloqué en rotation par les couteaux (7), il est donc forcé de se déplacer axialement dans la chambre de combustion (1).
L’oxydant (5) est contenu dans un volume qui diminue car le bouchon (2) avance dans le grain (4). Cette diminution de volume force l’oxydant (5) à travers la vanne (3) dans la chambre (1). La vitesse de rotation de la vis (8) impose donc le débit massique à passer dans la chambre de combustion.
Comme le grain avance dans la chambre au fur et à mesure qu’il brûle, la surface du grain (4) aura une forme conique dans la chambre (1), et la forme de cette surface sera stationnaire au cours de la combustion pour une vitesse fixe de rotation de la vis (8).
Comme le grain avance dans la chambre au fur et à mesure qu’il brûle, la surface du grain (4) aura une forme conique dans la chambre (1), et la forme de cette surface sera stationnaire au cours de la combustion pour une vitesse fixe de rotation de la vis (8).
Ce type de propulsion est particulièrement adapté aux lanceurs spatiaux. Lorsque la combustion arrive à sa fin, le moteur-fusée aura consommé une majeure partie du grain solide. La masse restante du lanceur spatial utilisant ce dispositif de propulsion sera donc très faible à la fin de la combustion.
Claims (8)
- Moteur-fusée hybride dans lequel une chambre de combustion (1) sous pression fermée par un bouchon (2) et une vanne (3) contient un ergol solide creux (4) dont la face interne brûle avec un ergol fluide (5) injecté à travers le bouchon (2), générant des gaz chauds (6) s’échappant par une tuyère (6) de manière à produire une poussée sur le véhicule caractérisé en ce qu’une partie délimitée par le bouchon (2) de l’ergol solide creux (4) sert de contenant à l’ergol fluide (5) avant d’être tout deux insérés dans la chambre de combustion (1).
- Moteur-fusée suivant la revendication 1 caractérisé en ce que un certain nombre de couteaux (7) lient la chambre de combustion (1) au bouchon (2) dont l’extérieur est une vis (8) mise en rotation dans un filetage (9) composant la face interne de l’ergol solide creux (4) de manière à appliquer un effort pour l’insérer dans la chambre.
- Moteur-fusée suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la rotation de la vis (8) entraîne également une pompe qui permet une pressurisation additionnelle de l’ergol fluide (5) entre l’intérieur de l’ergol solide (4) et la chambre de combustion (1).
- Moteur-fusée suivant la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que la vis (8) est mise en rotation par un moteur électrique alimenté par une source d’énergie tel que des batteries, des piles à combustibles, ou un générateur à gaz.
- Moteur-fusée suivant l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que la vis (8) est mise en rotation par une turbine entraînée par les gaz produits par la combustion.
- Moteur-fusée suivant l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que une couche d’ablatif thermique se situe sur l’extérieur de l’ergol solide (4) et libère des gaz froids pour isoler les parois de la chambre (1) et de la tuyère (6).
- Moteur-fusée suivant l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’ergol solide (4) est un matériau composite.
- Moteur-fusée suivant l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’ergol solide (4) est produit par fabrication additive.
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| US2987881A (en) * | 1958-04-29 | 1961-06-13 | Mullane Leo Wayne | Solid propellant power plant and fuel feed method |
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| US3250216A (en) * | 1960-01-26 | 1966-05-10 | Zissimos A Typaldos | Autophage rocket |
| US4703694A (en) * | 1984-10-15 | 1987-11-03 | Grumman Aerospace Corporation | Single stage autophage rocket |
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