Brevet FR2227434A1 — publié le 19741122

L'inventissn concerne en général des moteurs de propulsion à réaction ainsi qu'à leur mode de fonctionnement et, plus précisément, des moteurs de propulsion par réaction avec inspiration de l'air ambiant, capables de fonctionner efficacement aux vitesses hypersoniques, notamment à des vitesses comprises entre mach 10 et mach 20, tout en pouvant servir utilement de moteur accélérateur aux vitesses de cet ordre. L'utilisatisn de la propulsion par fusée à des vitesses de croisire de mach 10 à mach 20 est inopportune à cause de la faible impulsion spécifique du combustible, inhérente aux systèmes chimiques des fusées. Les cycles usuels des statoréacteurs sont peu séduisants aux vitesses hypersoniques, car à des vitesses dépassant mach 8 environ, la quantité d'énergie dans ltorifice d'entrée est assez élevée pour que la chaleur additionnelle libérée par la combustion du carburant dans l'air comprimé par effet dynamique soit principalement absorbée par la dissociation des composants des gaz de combustion. L'énergie absorbée par la dissociation du combustible ou des produits de combustion n'est récupérée quten partie par recombinaison lors du processus d'expansion. Dans le moteur et avec le procédé selon l'invention, ces difficultés sont surmontées en transférant au combustible une partie de l'énergie de l'air comprimé par effet dyna- mique par échange thermique entre l'air comprimé et le combustible et en utilisant l'énergie ainsi transférée par détente du combustible dans une tuyère à réaction par impulsions ou dans ure turbine qui entrain un compresseur d'air, ou encore de ces deux manières. Pour obtenir un bon rendement de refroidissement, il est souhaitable que le combustible choisi ait une chabur spécifique élevée dans les limites de la gamme de température de fonctionnement, pour assurer une forte absorption d'énergie par unité de poids du combustible. Pour obtenir une transformation efficace de l'énergie en poussée dans le processus de détente, le combustible doit etre choisi de manière à donner lieu à un faiblie po9s moléculaire moyen dans les gaz d'échap i mentf Dans le carre de ces limitations, on dispose d'une gamme considérable de combustibles parmi lesquels un choix pourra etre fait sur la base d'autres propriétés des combustibles et de leur effet sur les exigences imposées au moteur. Parmi les combustibles à retenir, on mentionnera l'hydrogène et des composés hydrogénés tels que l'ammnniaque, l'alcool éthylique, le méthane et le cyclohexane, ainsi que des métaux à faible poids moléculaire tels que le lithium, le béryllium et le bore ou leurs composés. Apres avoir refroidi l'air comprimé par effet dynamique, une partie du combustible peut etre brillée stoechiométriquement avec l'air sans températures excessives de sortie ni pertes exagérées d'énergie par dissociation, tandis que le reste du combustible est détendu directement dans l'atmosphère par une tuyère de poussée séparée, la proportion ainsi détendue étant déterminée par la température maximale des gaz d'échappement ou par le degré de dissociation que l'on cherche à maintenir. Cette partie du combustible peut hêtre partiellement détendue dans la turbine d'un turbocompressaur, puis titre finalement détendue à travers la tuyère de poussée. La totalité du combustible peut titre détendue dans la turbine d'un turbocompressaur ou dans une tuyère de détente débouchant directement dans une chambre de combustion Dans l'une et l'autre de ces dispositions, une combustion approximativement stechiométrique est souhaitable lorsque le moteur fonctionne en tant que moteur d'appoint dans des gammes inférieures du nombre de Mach, alors qu'une combustion riche en combustible est souhaitable à des nombres de Mach supérieurs å 3 environ, où les températures de l'air d'admission sont plus élevées, afin de maintenir les températures des chambres de combustion au niveau voulu. En général, l'air comprimé par effet dynamique est refroidi, par échange de chaleur avec le combustible, dans une mesure suffisante pour éviter des températures excessives de sortie et une perte exagérée d'énergie par dissociation, de préférence jusqu'à un niveau inférieur à 537 C environ. Toutefois, on évite un refroidissement de l'air comprimé par effet dynamique au point que sa température s'abaisse pour une part notable au-dessous de sa température de condensation dans les conditions existantes de pression. Les systèmes de propulsion selon l'invention offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux systèmes de statoréacteur antérieurement proposés, en assurant une amélioration de la poussée spécifique rapportée à l'écoulement d'air comme au courant de combustible, ainsi qu'un bon rendement de fonctionnement dans une plus large gamme de vitesses de vol jusqu'aux vitesses de croisière hypersoniques, et en réduisant les dimensions des zones à haute température du moteur, ce qui permet une plus grande souplesse dans l'installation et la conception du mode de construction. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et représenté au dessin annexé plusieurs formes de réalisation de l'invention. Les figures 1 à 4 sont des représentations schématiques de différents systèmes de propulsion concrétisant les principes de l'invention. La figure 5 est une coupe longitudinale d'un véhicule propulsé par réaction, contenant une variante particulièrement avantageuse du système de propulsion de la figure 3. On a représenté, en particulier à la figure 1, l'une des formes de réalisation possibles de l'inven- tion dans laquelle la chaleur absorbée par le combustible à partir de l'air comprimé par effet dynamique est utilisée, avant la combustion du combustible, en détendant le combustible réchauffé à travers une tuyère qui débouche dans la chambre de combustion et qui exerce un effet d'injecteur pour accroitre la pression de l'air qui pénètre dans la chambre de combustion, ce qui améliore la poussée et l'impulsion du moteur. Dans la figure 1, 10 désigne dans l'ensemble une chambre de combustion pour un mélange combustible-air comprimé par effet dynamique riche en com bustible, muni d'une tuyère de sortie 12. A partir d'un réservoir à combustible 14, le combustible est dirigé à travers un échangeur de chaleur 16 vers au moins une tuyère de détente 18 qui débouche directement dans la zone de combustion 20 de la chambre 10 et agit à la manière d'un injecteur sur l'air qui pénètre dans la chambre de combustion. Avec cette disposition, l'air comprimé par effet dynamique, désigné dans l'ensemble par la fleche 22, après avoir été réchauffé dans le système d'entrée d'air pas conversion de l'énergie cinétique d'entrée en élévation de température statique, subit un abaissement de température par transfert de chaleur au combustible dans l'échangeur de chaleur 16. L'air 22 comprimé par effet dynamique est dirigé après avoir été refroidi au passage à travers l'échangeur de chaleur 16, vers la chambre de combustion principale 20 où la pression de cet air est augmentée par l'effet d'injection du combustible délivré à la tuyère de détente 180 Dans cette forme de réalisation de l'invention, une combustion riche en combustible est souhaitable, en particulier lorsque le véhicule à propulsion par réaction fonctionne dans des gammes élevées de nombre de Mach. Les produits de combustion sont détendus à travers la tuyère 12 de la chambre de combustion 10 pour assurer la poussée pour le véhicule. Lorsqu'il convient que le brûleur fonctionne dans des conditions approximativement stoechiométriques, bien que le rapport combustible/air global soit riche en combustible, on peut utiliser un système tel que représenté sur la figure 2. Sur la figure 2, l'air comprimé à haute température 30 est dirigé à travers un échangeur de chaleur 32 où une partie de la chaleur est absorbée par le combustible en provenance du réservoir 34. L'air comprimé refroidi est alors dirigé dans la chambre de combustion 56 où il est mélangé et brûlé dans des conditions stoechbmétriques avec une partie du combustible qui provient de l'échangeur de chaleur 32. Les produits de combustion détendus sortent ensuite de la tuyère d'échappement 38 pour fournir une partie de la poussée pour le véhicule à réaction. Sur la figure 2, la conduite 40 qui achemine le combustible à partir de l'échangeur de chaleur 32 passe par un dispositif 42 de régulation du courant de combustible qui dirige une partie du combustible vers la chambre de combustion principale 36 par une conduite 44 aboutissant à la tuyère de détente 45 qui exerce un effet d'injection sur l'air qui pénètre dans le bradeur. Le reste du combustible passe, à partir du dispositif 42 régulateur de combustible et par l'intermédiaire de la conduite 46, vers une fusée à expansion 48 où le combustible chauffé est détendu directement dans l'atmosphère en passant à travers la tuyère de sortie 50. Comme on l'a déjà indiqué, la proportion du combustible fournie à la chambre de combustion principale 36 est déterminée par la température limite des gaz d'échappement ou par le degré de dissociation du combustible que l'on veut maintenir dans la chambre de combustion 36. Le système selon l'invention peut être également utilisé en tant que turbo-fusée et la totalité du combustible chauffé peut être détendue dans la turbine du turbocompresseur, le combustible détendu pouvant etre ensuite délivré à un dispositif de combustion de mélange riche en combustible Un tel système est représenté schématiquement sur la figure 5 où l'air 60 comprimé par effet dynamique et chauffé est d'sabord dirigé à travers un échangeur de chaleur 62 où le combustible en provenance du réservoir 64 est chauffé et dirigé par la conduite 66 vers une turbine 68.La turbine 68 est couplée mécaniquement à un compresseur 70 pour l'air 60 comprimé par effet dynamique et refroidi. L'air comprimé qui sort du compresseur est dirigé vers un bradeur 72 par un passage resserré 740 Le combustible détendu qui sort de la turbine 68 est également dirigé vers la chambre de combustion 72 par une conduite 76 et, après combustion, les produits de combustion sont détendus à travers la tuyère 78 génératrice de poussée. Pour le fonctionnement dans des conditions stoechiométriques dans la chambre de combustion d'une turbofusée à air dans des rapports combustible-air globaux supérieurs aux conditions stoechiométriques, on combine le système représenté sur la figure 3 avec une fusée à détente du combustible telle que représentée sur la figure 2. La figure 4 illustre un tel système, dans lequel une partie du combustible réchauffé par l'air comprimé par effet dynamique est partiellement détendue dans la turbine d'un turbo-compresseur, puis détendue finalement à travers une tuyère génératrice de poussée. Sur la figure 4, l'air chaud 80 comprimé par effet dynamique est refroidi à 53700 ou au-dessous au cours de son passage à travers un échangeur de chaleur 84 où le combustible en provenance du réservoir 86 est réchauffé.Après avoir traversé une soupape 87 de division du combustible, une partie du combustible réchauffé est détendue en traversant la turbine 88 accouplée au compresseur 90. Le combustible partiellement détendu qui sort de la turbine 88 est dirigé, par une conduite 92, vers une fusée à détente 94 munie d'une tuyère de détente 96. La partie du combustible qui n'est pas dirigée vers la turbine 88 est acheminée vers le brn- leur 98 par la conduite 100. Après compression mécanique de l'air 80 dans le compresseur 90, l'air comprimé est dirigé vers la chambre de combustion 98 par le passage à air 102. Les produits de la combustion se détendent à travers la tuyère 104 pour fournir une partie de la poussée pour le véhicule à réaction. La figure 5 représente un véhicule propulsé par réaction qui concrétise une forme de réalisation particulièrement avantageuse du système de propulsion de l'invention, qui est caractérisée par le fait qu'après avoir absorbé la chaleur de l'air comprimé par effet dynamique, le combustible est envoyé dans un dispositif de combustion de mélange riche en combustible qui se décharge dans une turbine et les produits d'échappement issus de la turbine sont combinés, dans une chambre de combustion principale, avec l'air comprimé mécaniquement. Sur la figure 5, 110 désigne un moteur à réaction comportant une enveloppe extérieure 112 qui est suspendue à l'aile 114 d'un véhicule par un support 1160 L'extrémité avant 118 de l'enveloppe 112 du moteur à réaction 110 est munie d'une surface 120 de compression d'air d'admission et d'un passage d'entrée d'air 122. L'air chauffé dans la prise à compression par effet dynamique est dirigé à travers un échangeur de chaleur 124 qui est raccordé à la source de combustible (non représentée) par la conduite 126. A l'intérieur de l'échangeur de chaleur, le combustible absorbe une partie de la chaleur prqvenant de l'air comprimé par effet dynamique* La totalité du combustible qui sort de l'échangeur de chaleur 124 est dirigée vers un brd- leur annulaire 132 par au moins un conduit de combustible 134 raccordé à l'extrémité de sortie de l'échangeur de chaleur 124. Un comburant en provenance d'une source (non représentée) est fourni au brûleur annulaire 132 par la conduite 127. Les produits de combustion riches en combustible sortent du brûleur 132 directement vers les aubes 136 de la turbine 140. La turbine 140 entrain un compresseur 142 qui comprime mécaniquement l'air comprimé par effet dynamique qui traverse l'échangeur de chaleur 124. L'air comprimé mécaniquement pénètre dans la chambre de combustion principale 144 par le passage annulaire 146 d'air comprimé et il se mélange avec les gaz d'échappement, riches en combustible, provenant de la turbine 140* Les produits de combustion s'échappent à travers la tuyère de sortie 148. Un moteur du type représenté sur la figure 5 peut fonctionner dans toute la gamme de vitesse comprise entre la vitesse de lancement statique et mach 10-20 à des altitudes qui peuvent atteindre 33 000 à 50 000 m, en utilisant l'hydrogène comme combustible et, jusqutà mach 3 environ, l'oxy- gène liquide comme comburant auxiliaire. Au-delà de mach 5 environ, la chaleur ajoutée au combustible dans l'échangeur de chaleur 124 donne au combustible suffisamment d'énergie pour entraîner la turbine 140 sans combustion auxiliaire dans le brûleur 132. La température d'entrée du compresseur est maintenue au-dessous de 5370G' environ par échange de chaleur avec le combustible. Bien que l'on ait représenté en particulier seulement cinq exemplesde systèmes à air comprimé par effet dynamique appliquant les principes de l'invention, il est bien entendu que diverses modifications peuvent y etre apportées sans que l'on s1 écarte des principes de l'invention, tels que définis dans les revendications annexées Par exemple, le combustible partiellement détendu qui sort de la turbine 68 dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 3 peut entre détendu à travers une tuyère d'expansion qui se décharge directement dans le brdleur 72. - REVENDICATIONS lo Procédé d'utilisation d'un système de propulsion avec inspiration de l'air ambiant, caractérisé par le fait qu'il consiste à transférer au combustible d'alimentation une partie de l'énergie provenant de l'air comprimé par effet dynamique, par échange de chaleur indirect entre l'air comprimé et le combustible, et à transformer en travail utile une partie au moins de la chaleur transférée au combustible, par détente directe d'une partie au moins du combustible0 2 Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que la phase consistant à transformer en travail utile est effectuée en brûlant au moins une partie du combustible dans l'air comprimé par effet dynamique et en détendant lés produits de combustion à travèrs une tuyère d'expansion d'impulsion 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase consistant à transformer en travail utile est effectuée par détente directe d'une partie au moins du combustible à travers une tuyère de poussée à expansion. 40 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une partie au moins du combustible est détendue directement dans l'atmosphère à travers une tuyère de poussée à expansion. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une partie au moins du combustible est détendue directement à travers une tuyère de poussée à expansion, pour former un mélange combustible avec l'air comprimé par effet dynamique. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le phase consistant à transformer en travail utile est effectuée par détente directe d'une partie au moins du combustible à travers la turbine d'un turbo-compresseur, tout en faisant passer l'air, comprimé par effet dynamique et refroidi, à travers le compresseur du turbo-compresseur. 7o Système de propulsion par réaction mettant en oeuvre le procédé suivant la revendication 1, comprenant des moyens formant une chambre de combustion munie à sa sortie d'une tuyère de poussée à expansion, des moyens formant une prise d'air à compression par effet dynamique, des moyens qui acheminent l'Ur en provenance de la prise d'air vers la chambre de combustion et une chambre de rdserve de combustible, caractérisé par des moyens d'échange de chaleur en contact d'échange thermique avec l'air desdits moyens d'acheminement de l'air, des moyens qui acheminent le combustible en provenance de la chambre de réserve à travers ces moyens d'échange de chaleur, un dispositif de détente directe produisant de l'énergie et des moyens qui acheminent le combustible en provenance des moyens échangeurs de chaleur à travers ce dispositif de détente directe. 8. Système de propulsion par réaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de détente directe est la turbine d'un turbo-compresseur placé dans les moyens d'acheminement de l'air 9. Système de propulsion par réaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de détente directe est une tuyere de poussée à expansion débouchant dans la chambre de combustion. 10. Système de propulsion par réaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de détente directe est une tuyère de poussée à expansion qui s'ouvre dans l'atmosphère 11. Système de propulsion par réaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de détente directe générateur d'énergie comprend un compresseur placé dans les moyens d'acheminement de l1air entre les moyens échangeurs de chaleur et la chambre de combustion et une turbine à détente directe pour entrainer ce compresseur, des moyens étant prévus pour acheminer une partie au moins du combustible en provenance des moyens échangeurs de chaleur à travers la turbine à détente directe et pour acheminer une partie au moins du combustible en provenance des moyens échangeurs dechaleur vers la chambre de combustion 12. Système de propulsion par réaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de détente directe produisant de l'énergie comprend un compresseur placé dans les moyens d'acheminement de l'air entre les moyens échangeurs de chaleur et la chambre de combustion et une turbine à détente directe pour entratner ce compresseur, des moyens étant prévus pour acheminer une partie au moins du combustible provenant des moyens échangeurs de chaleur à travers la turbine à détente directe et dans la chambre de combustion.