Brevet FR2250898A1 — publié le 19750606

La presente invention a pour objet d'accroitre la performance en masse utile et/ou en incrément de vitesse, d'un véhicule à propulsion nucléo-thermique transporté et placé en orbite de départ par un transporteur spatial (navette, fusée, etc), ceci dans le cas où le volume de 11 emplacement offert à ce véhicule à bord du transporteur limite la masse totale du système transporté (étage complet plus éventuellement charge utile) en-dessous de la capacité maximale de transport offerte par le transporteur pour la mission considérée. C'est le cas en particulier d'un étage nucléo-thermique qui serait transporté à bord du deuxíème étage (dit "Orbiter") de la navette spatiale, dans l'emplacement prévu à cet effet dont les dimensions actuellement envisagées sont environ 18 mètres en longueur et 4,50 mètres en diamètre. Comme la densité du fluide propulsif du système nucléo-thermique est faible, puisqutil s'agit d'hydrogene liquide (et ceci même si on y-a ajouté de l'hydrogène solide), il en résulte que la masse initiale totale du système transporté se trouve en général être inférieure à la capacité de transport nominale (actuellement environ 29 tonnes) du système transporteur.La valeur de la charge utile transportée pour une mission déterminée (telle que le placement, la récupération ou le remplacement d'un satellite en orbite géostationnaire) est donc réduite en conséquence. Il est alors proposé d'augmenter la masse du fluide propulsif, et conjointement la masse initiale totale, en remplaçant une partie de lthydrogene par un volume équivalent d'un autre corps ou "ergol" lui aussi destiné à la propulsion et nécessairement plus dense que lui : Le réservoir d'hydrogène sera donc plus petit et le volume ainsi récupéré sera occupé par le ou les réservoirs d'Ergol.Celui-ci (après avoir éventuellement été réchauffé par un apport de chaleur provenant du réacteur nucléaire de façon à être mis dans les conditions convenables d'état physique) est introduit en aval du réacteur--na-ns la chambre où se rassemble l'hydrogène chaud sortant de ce réacteur, se mélange avec cet hydrogène chaud et, le cas échéant, entre en combustion chimique exothermique avec lui, puis est détendu et éjecté par la ou les tuyères, participant ainsi a la propulsion. De la sorte, la masse initiale total du système peut etre portée à une valseur plus voisine de la capacité totale de transport ou, à la limite, à une valeur egale à celle-ci. En même temps, par contre, l'impulsion spécifique obtenue va être plus faible que dans le cas de la propulsion purement nucléothermique du fait de l'accroissement de la masse moléculaire du mélange gazeux éjecté, et ceci est vrai quelle que soit la nature de l'ergol complémentaire utilisé, encore que l'avantage soit en faveur d'un ergol à faible masse moléculaire (tel que l'hydrure de lithium).Une certaine atténuation de cette diminution d'impulsion spécifique pourra cependant être obtenue dans les cas tels que celui de l'oxygène, où l'ergol peut entrer en combinaison chimique exothermique avec l'hydrogène chaud en aval du réacteur nu cléaire. Cette post-combustion (où en fait l'oxygène brûle dans l'hydrogène, celui-ci étant généralement en excès) produit en effet une augmentation d'enthalpie du mélange gazeux, mais l'en- thalpie spécifique restera finalement inférieure à celle que pos sédait l'hydrogène immédiatement avant cette post-combution.En définitive, dans le cas particulier d'adjonction d'oxygène, l'impulsion spécifique peut (en assurant une valeur convenable au rapport de mélange) être rendue supérieure à celle fournie par un système de propulsion hydrogène i oxygène purement chimique puisque la combustion a lieu ici à partir d'hydrogène chaud. Mais cette impulsion spécifique est inférieure à celle que fournirait un système purement nucléo-thermique. Du seul point de vue de l'impulsion spécifique, la combinaison système nucléaire thermique plus système chimique se situe donc entre les deux système considérés séparément. Cependant, le système combiné, avec ou sans post-combustion, peut encore rester (dans le cas présent de la limitation en volume et pour un volume suffisamment grand tel qùe celui offert par l'or biter) finalement supérieur au système purement nucléo-thermique. En effet, si pour une mission donnée, définie par un incrément de vitesse, le rapport de masse obtenu masse utile / masse initiale est, à cause de la diminution d'impulsion spécifique, moins élevé que dans le cas purement nucléo-thermique, par contre, en valeur absolue, la masse utile peut être plus grande du fait que l'on part d'une masse initiale plus grande. L'effet favorable de l'augmentation de la masse d'ergols l'emporte sur l'effet défavorable de la diminution d'impulsion spécifique, en particulier dans le cas d'adjonction d'oxygène liquide à un système nucléo-thermique ayant des dimensions générales correspondantes à celles de l'emplacement disponible à bord de l'Orbiter. Une autre conséquence intéressante de l'emploi du système combiné proposé est la suivante : il se trouve que, dans les condi tions particulières définies par les caractèristiques de masse et de volume transportés actuellement prévues pour le transporteur spatial et par celles actuellement considérées pour un système de propulsion nucléo-thermique, le gain de performance susceptible d'être apporte par le système proposé est important, ce qui peut permettre, dans les cas où ce gain serait jugé surabondant de ré duire la sévérité des conditions à imposer a certaines des carac téristiques de fonctionnement ou de fabrication de l'étage et en particulier du sous-systeme nucléaire.Cela signifie que la marge de performance pourrait quelquefois être jugé suffisante pour que lton puisse se contenter par exemple d'un indice de structure de réservoir moins élevé, d'une température de coeur du réacteur nu claire plus basse, d'une pression de fonctionnement plus faible, etc, c'est-à-dire finalement de composants et de sous-systèmes moins sophistiqués et plus faciles à réaliser. Outre cet avantage, d'autres avantages supplémentaires apparais- sent par applications de la présente invention, tels que les suivants - la presence des réservoirs complémentaires d'ergol permet, lorsque ceux-ci sont placés en amont du réacteur, de les faire contribuer à la protection de la charge utile et du réservoir dthy- drogène contre les radiations et les particules, ce qui permet d'alléger la partie blindage. - dans le cas ou l'ergol peut produire une post-combustion, le sous-système d'alimentation en hydrogène et en ergol peut être amor cé au démarrage d'une façon simple sans avoir à faire intervenir la réactivité du réacteur comme c'est le cas pour la phase de démarra ge du système puremant nucléo-thermique, phase qui pose alors des problèmes complexes. De même les phases de transition nécessaires lors des passages du véhicule spatial par des orbites d'attente ou les orbites de transport sont facilitées par la présence d'un sous système chimique conjointement au sous-système nucléo-thermique - le procédé de post-combution proposé offre également un moyen de contrôle sur la constante ou la variation de la grandeur et évén tuellement de la direction de la poussée, contrôle qui s'ajoute à celui qui existe déjà par la seule propulsion nucléo-thermique ou qui peut s'y substituer étant plus simple de maniement - dans certains cas de post-combustion et en particulier dans celui de l'oxygène, la combinaison de l'ergol avec l'hydrogène chaud sortant du réacteur est hypergolique du fait de la température de l'hydrogène en cet endroit.On peut donc tirer avantage de ce fait lorsqu'il s'agit d'éteindre puis de rallumer la post-combustion pour le contrôle de la poussée par exemple ou pour un redémarrage. - le réacteur nucléaire peut être prévu largable pour le cas de certaines missions (injection d'un satellite en orbite haute, en particulier géosynchrone, récupération ou remplacement d'un satellite, etc) comportant une phase finale pour laquelle l'importance du facteur indice de structure" l'emporte sur celle du facteur "impulsion spécifique", ou impliquant la nécessité d'abandonner le réacteur pour des raisons de sécurité par exemple ou parce qu'on ne désire pas le récupérer. ta présence d'un ergol tel que l'oxy- gène, pouvant se combiner avec l'hydrogène, permet en effet d'assurer la propulsion pendant cette phase finale par des moyens purement chimiques âpres abandon de la masse morte relativement importante du sous-système nucléaire. Le procédé objet de la présente invention est généralisable et s étend évidemment au cas où le fluide principal ne serait pas l'hydrogène. tes avantages décrits ci-dessus résultant de l'adjonction d'un fluide complémentaire ou ergol peuvent en effet se retrouver lorsque la masse initiale du véhicule-complet transporté ne peut atteindre, sans cette adjonction et à cause d'une limitation en volume, la capacité de transport offerte par le transporteur pour la mission considérée. REVENDICATIONS 1 - Dispositif destiné à augmenter la performance d'un véhicule spatial à propulsion nucléo-thermique utilisant l'hydrogène comme fluide propulsif, ce véhicule étant transporté par un transporteur spatial et ayant des dimensions limitées par celles de l'emplacement disponible à bord de ce transporteur, de telle sorte que la capacité de transport de celui-ci n'est pas utilisée complètement du fait de la faible densité de lthydrogene. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comporte essentiellement, outre le réservoir principal d'hydrogène, (a) des réservoirs supplémentaires contenant un fluide propulsif ou un corps susceptible de se transformer en fluide propulsif par exemple par apport de chaleur, (b) un système d'injection de ce fluide comple- mentaire dans la chambre où se rassemble l'hydrogène chaud à la sortie du réacteur nucléaire avant son passage dans la tuyère, (c) un système de circulation de ce fluide entre les réservoirs et ladite chambre. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'injection du fluide complémentaire et son mélange avec l'hydrogene chaud issu du réacteur nucléaire est accompagné d'une combinaison chimique exothermique. 3 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que la combustion du fluide complémentaire dans l'hydrogène est utilisée pour assurer le démarrage du système d'alimentation en fluide principal, sans qutil soit besoin, au début de la séquence d'allumage ou de réallumage, de faire appel à l'énergie du réacteur. 4 - Dispositif selon les revendications 2 et 3 caractérisé par que la combustion du fluide complémentaire avec l'hydrogène est utilisée pour le contrôle de la poussée en grandeur et/ou en direction. 5 - Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que les réservoirs du fluide complémentaire sont placés en amont du réacteur nucléaire de façon à absorber une partie des particules et des radiations issues du réacteur et à participer ainsi au rôle rempli par le blindage en protégeant la partie amont, le réservoir d'hydrogène, la charge utile et d'une façon générale toutequipement se trouvant dans cette région. 6 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le réacteur nucléaire est largable de sorte que la propulsion puisse, après largage éventuel, être assurée par la combinaison chimique de l'hydrogène avec le fluide intermédiaire suivie de 1a détente du mélange gazeux obtenu. 7 - Dispositif selon les revendications 1 6 caractérisé par le fait que l'hydrogène en tant que fluide principal est remplacé par un autre fluide également apte à traverser le réacteur nucléaire et à acquérir ainsi une augmentation d'enthalpie utilisable pour la propulsion.