Brevet FR2510190A1 — publié le 19830128

1.- L'invention part d'un ensemble propulseur, notamient pour commander des engins spatiaux, avec, pour décom- poser un support liquide d'énergie, un dispositif revêtant la forme d'une chambre de décomposition à laquelle est susceptible d'être amenée la substance liquide propulsive, ainsi qu'avec un dispositif d'échauffement branché à la suite de la chambre de décomposition pour pousuivre l'échauffement et la décomposi- tion des ga Z propulseurs obtenus dans la chambre de décomposi- tion, et avec, se raccordant à ce dispositif d'échauffement, une buse de sortie pour les gaz propulseurs ainsi obtenus Ce type d'ensemble propulseur a été décrit dans le document GB-PS 1 473 749. Les ensembles propulseurs de ce type sont notamment utilisés pour le réglage des trajectoires et des po- sitions de satellites Comme substance propulsive revêtant la forme d'un support liquide d'énergie, on emploie alors surtout l'hydrazine (N 2 H 4) qui est décomposée soit catalytiquement, soit comme dans le cas du brevet précité, thermiquement pour donner des produits de décomposition NH, N 2 et H, cette réac- tion se déroulant suivant un processus exothermique avec un dégagement intense de chaleur Les gaz ainsi obtenus s'échap- pent dans l'environnement par l'intermédiaire d'une buse et engendrent ainsi la poussée nécessaire pour la correction de trajectoires et de positions. Dans ce contexte, on sait déjà d'après le document GB-PS 1 473 749, en vue d'accroltre la poussée suscep- tible d'être obtenue, échauffer encore davantage ces produits gazeux de décomposition et décomposer le gaz d'ammoniac (NH 3) prenant naissance en azote (N 2) et en hydrogène ( 2), ce proces- sus se déroulant suivant une réaction endothermique Ce n'est qu'ensuite que les gaz s'échappent dans l'environnement par l'intermédiaire de la buse de sortie L'augmentation de vitesse des gaz d'échappement ainsi obtenue est alors à rapporter à une augmentation supplémentaire de la pression, qui résulte pour une part de l'échauffement supplémentaire et de l'énergie ciné- tique ainsi augmentés des gaz propulseurs et d'autre part, de la modification de la composition des gaz du fait de la dé- composition précédemment mentionnée. Cet échauffement complémentaire ou bien cet- te décomposition s'effectue dans le cas d'un dispositif connu 2.- d'après le document GB-PS 1 473 749 dans une chambre d'échauffe- ment dans Ylaquelle est maintenu un tube métallique enroulé en hélice, dans lequel passe les gaz propulseurs et qui est sus- ceptible d'être chauffé par effet Joule lorsqu'il est directe- ment parcouru par le courant Dans le cas d'un autre dispositif connu à partir du même document, les gaz propulseurs circulent tangentiellement dans une chambre d'échauffement cylindrique dans le centre de laquelle est disposé un enroulement chauffant. le but de l'invention est de perfectionner l'ensemble propulseur défini ci-dessus de façon qu'aussi bien ses caractéristiques de puissance que sa durée de fonctionne- ment soient augmentées et qu'il soit autant que possible insen- sible aux sollicitations mécaniques ainsi qu'aux autres pertur- bations de son fonctionnement. Pour atteindre ce but, l'invention concerne un ensemble caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur constitué d'au moins deux chambres placées l'une dans l'autre et reliées l'une à l'autre, la chambre externe étant reliée à la chambre de décomposition, tandis que dans la chambre interne reliée à la buse de sortie, est placé le dispositif d'échauffement. D'autres caractéristiques de l'invention permettent d'envisager d'autres formes avantageuses de l'ensem- ble propulseur défini ci-dessus. les dispositions conformes à l'invention pré- sentent l'avantage que du fait que les gaz propulseurs délivrés par la-chambre de décomposition et amenés à 1 l'échangeur de cha- leur parcourent une chambre entourant le dispositif d'échauffe- ment proprement dit, les pertes par rayonnement de ce disposi- tif d'échauffement sont considérablement réduites et l'efficaci- té de ce dispositif d'échauffement est notablement améliorée. Cela conduit en dernier ressort à l'utilisation encore meilleure de la substance propulsive mise en oeuvre, si bien que la quan- tité de substance propulsive entraînée se trouve réduite et qu'ainsi la charge utile peut être augmentée ou bien la durée de fonctionnement peut être prolongée. D'autres avantages qui se rapportent notam- ment aux autres formes de l'invention correspondant à d'autres caractéristiques de celle-ci résident en un "Blow down" amélioré, c'est-àdire en une gamme de pression plus étendue dans laquelle 101 90 3.- l'ensemble propulseur conforme à l'invention est susceptible de fonctionner et en une construction robuste insensible aux sol- iicitatiorins par des vibrations ainsi qul'aux pointles de lpres SJ On O possibles dans la chambre de décomposition pendant le fonctionne- ment A ceci vient s'ajouter que grace à une construction pré- vue dans une large mesure à portée libre, les pertes calorifi- ques par l'intermédiaire des fixations, se trouvent largement évitées Enfin, l'exemple de réalisation préféré de l'ensemble propulseur conforme à l'invention permet également la mise en oeuvre de ce que l'on appelle "Off-Modulation'"dans laquelle en fonctionnement prolongé, l'amenée de la substance propulsive à la chambre de décomposition est interrompue selon une succes- sion rythmique. L'invention va être expliquée plus en détail en se référant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 représente en coupe partielle un premier exemple de réalisation de l'ensemble propulseur con- forme à l'invention, la figure 2 est une représentation analogue à la figure 1 d'un second exemple de réalisation de l'invention, la figure 3 montre un détail agrandi de l'ensemble représenté sur la figure 1. Dans les figures, les parties constitutives identiques ou correspondantes sont munies des mêmes références. Dans le cas de l'ensemble représenté sur la figure 1, il s'agit d'un ensemble propulseur électro-thermique de haute puissance, tel qu'on en utilise entre-autres pour le réglage de satellites en trajectoires et en positions. Cet ensemble propulseur est constitué d'une chambre de décomposition 1, reliée par l'intermédiaire d'un tube d'injection 2 avec un réservoir, non représenté sur la figure, dans lequel se trouve un support liquide d'énergie, à savoir dans le présent cas, de l'hydrazine L'ensemble propulseur com- porte en outre, une soupape 3 actionnée électriquement, réglant l'amenée de l'hydrazine à la chambre de décomposition 1 Il comprend en outre, un échangeur de chaleur 4 branché à la suite de la chambre de décomposition 1, ainsi qu'une buse de sortie 5 raccordée à cet échangeur. La paroi externe de la chambre cylindrique de 4.- décomposition 1 est entourée d'un enroulement chauffant 6 à plusieurs couches, qui est en contact thermique immédiat avec la chambre de décomposition i A liintérieur de cette chambre, se trouve un remplissage poreux 7 d'un matériau susceptible d'être chauffé, dont la capacité thermique sert à obtenir la température de réaction nécessaire Ce remplissage est constitué dans le cas présent, de billes de platine/rhodium. L'extrémité aval de la chambre de décomposi- tion 1 débouche dans un orifice de buse 8 disposé-dans un adap- tateur 9 Ce dernier relie la chambre de décomposition 1 à l'échangeur thermique 4 ou bien à la chambre externe 10 de ce- lui-ci Cette chambre externe est constituée de deux douilles cylindriques 11 et 12 disposées concentriquement l'une à l'intérieur de l'autre, et qui sont maintenues par une pièce d'adaptateur 13 Dans la chambre interne 14 constituée par la douille interne 12, est disposé un tube 15 enroulé en hélice, et qui est constitué d'un matériau résistant à une température élevée, dans le cas présent du rhénium le tube 15 est enrobé dans une garniture 16 en nitrure de bore servant d'isolateur pour haute température et qui du fait de sa conformation maintient le tube 15 à une certaine distance de la douille 12 et empêche en même temps que les différentes spires du tube 15 soient en contact les unes avec les autres. Le tube est conformé de telle façon que l'ex- trémité de l'hélice opposée à la chambre de décomposition 1, débouche tangentiellement sur la pièce adaptateur 13 dans la chambre externe 10, tandis que l'autre partie d'extrémité est repliée radialement en direction de l'axe médian de l'hélice et s'étend ensuite pratiquement en ligne droite sur la hauteur totale de l'hélice dans le centre de celle-ci, jusqu'à ce que finalement, cette autre partie terminale débouche dans la buse de sortie 5 La buse de sortie 5 est maintenue par une pièce de centrage 17 dans la pièce d'adaptateur 13. Par les conducteurs de courant 18, 19, 20 et 21, le tube 15 est susceptible d'être chauffé par passage direct du courant, le contact s'établissant, d'une part, par l'inter- médiaire de la paroi de la buse de sortie 5, et d'autre part, par l'intermédiaire de la pièce adaptateur 13, de la douille externe 11, ainsi que de l'adaptateur 9 Pour l'alimentation, on utilise un élément chauffant 22 qui, tout comme les autres 5.- éléments chauffants 23, servant à l'échauffement de la chambre de réaction 1, est maintenu contre le bottier de la soupape 3. A cet élément chauffant 22, est associé un circuit électronique de commande, non représenté, qui règle et, éventuellement li- mite, le courant passant par le tube 15. L'ensemble est complété par un tube de mesure 24 grâce auquel la pression des gaz propulseurs sortant de la chambre de décomposition 1, est détectée Enfin, en vue de la protection thermique, il est prévu, d'une part, un écran calo- rifique 25 entourant le tube d'injection 2, et d'autre part, une structure d'isolation 26 dans laquelle sont enrobés la chambre de décomposition 1 ainsi que l'échangeur thermique 4. A la différence du premier exemple de réalisa- tion de l'invention représenté sur les figures 1 et 3, dans le- quel la chambre de décomposition 1 et l'échangeur thermique 4 sont disposée coaxialement l'un par rapport à l'autre, et dans lequel l'orifice 8 de la buse débouche axialement dans la cham- bre externe 10 de l'échangeur thermique 4, dans le cas du second exemple de réalisation représenté sur la figure 2, la chambre de décomposition 1 et l'échangeur thermique 4 sont disposés à peu près à angle droit l'un de l'autre Dans ce cas, ok l'adap- tateur 9 ' présente une forme différente, l'orifice 8 ' de la buse débouche tangentiellement dans la chambre externe légèrement modifiée 10 ' de l'échangeur thermique 4 Dans cet exemple de réalisation, qui par ailleurs, est d'une constitution identique à celui-précédemment décrit, l'orifice de la buse de sortie est décalé de 90 par rapport à la disposition selon la figu- re 1. Pour la mise en service de l'ensemble pro- pulseur conforme à l'invention, la chambre de décomposition 1 ainsi que les billes qui s'y trouvent sont tout d'abord échauf- fées à une température se situant au-dessus de 5000 C environ. Ensuite, la soupape 3 permettant de libérer l'arrivée d'hydra- zine est commandée par des moyens électriques, L'hydrazine li- quide s'écoule par l'intermédiaire du tube d'injection 2 et pénètre dans la chambre de décomposition 1 o elle est vapori- sée sur les billes échauffées et o elle se décompose selon une réaction exothermique avec un dégagement de chaleur intense à environ 120000 pour donner les gaz N 2 et N, le N se dis- sociant ensuite partiellement de façon endothermique dans les 6.- gaz N 2 et H 2 Ces gaz portés à la température d'environ 90000 s'écoulement par l'intermédiaire de l'orifice 8 de la buse dans l'échangeur thermique 4, à savoir tout d'abord dans la chambre externe 10 puis dans le tube 15 Ce dernier, par suite du pas- sage du courant et du fait de sa résistance électrique, est échauffé dans une mesure telle que les gaz propulseurs qui le parcourent atteignent une température d'environ 1500 à 18000. La régulation du courant électrique parcourant le tube 15 s'ef- fectue alors à l'aide du circuit électronique de commande qui, dans le cas d'un accroissement trop élevé de la température du tube (au-delà de 21000 C), par exemple par suite d'une interrup- tion de courte durée de l'arrivée des gaz propulseurs refroidis- sant le tube, interrompt l'arrivée du courant électrique et la rétablit lors du franchissement vers le bas d'une valeur infé- rieure de seuil d'environ 190000. La chaleur rayohnée par le tube 15 du fait de l'échauffement de celui-ci, échauffe alors également de façon importante la garniture 16, qui cède une partie de chaleur à la douille interne 12 avec laquelle elle n'est bien entendu en contact direct qu'en un petit nombre de points d'appui Cette douille interne s'échauffe également et les gaz qui circulent le long de sa paroi externe c'est-à-dire à travers-la chambre externe 10, sont déjà pré-échauffés avant qu'ils pénètrent dans le tube 15 pour le processus d'échauffement proprement dit. Le courant gazeux léchant la paroi externe de la douille interne 12 ainsi que la paroi interne de la douille externe 11, empêche alors un rayonnement calorifique excessif dans l'environnement c'est-à-dire dans la structuré isolante 26. Les gaz désormais échauffés de façon supplé- mentaire et complètement dissociés en leurs composantes N 2 et H 2 sortent avec une vitesse relativement élevée d'environ 2700 à 3100 m/s de la buse de sortie 5, ce qui a pour conséquence une poussée relativement forte et une impulsion spécifique relati- vement importante Des caractéristiques de puissance typiques pour l'ensemble propulseur conforme à l'invention tel qu'il est représenté sur les figures 1 et 3, sont alors: poussée maximale 200 à 250 m N impulsion spéciale environ 300 sec durée de marche environ 150 h Une utilisation particulièrement bonne de 2 C 15 1 9 u 7.- la puissance de chauffe mise en oeuvre dans l'échangeur thermi- que 4, découle de la disposition représentée sur la figure 2. Du lait que dans ce cas les gaz propulseurs pénètrent tangentiel- lement dans la chambre externe de l'échangeur thermique, cette chambre est encore sollicitée plus fortement par les gaz, si bien que l'évacuation de chaleur à partir de la paroi interne de la douille externe est encore meilleure et qu'ainsi le rayonne- ment thermique vers l'extérieur est encore plus réduit. Dans les deux cas, c'est-à-dire aussi bien avec l'ensemble représenté sur les figures 1 et 3 qu'avec celui représenté sur la figure 2, il subsiste en outre la possibilité de mettre en fonctionnement l'ensemble propulseur, même en cas d'une déraillance du système d'échauffement pour la chambre de décomposition l Comme la chambre de décomposition 1 et l'échan- geur thermique 4 sont reliés l'un à l'autre de façon thermique- ment conductrice par l'intermédiaire de l'adaptateur 9 ou 9 t, le remplissage 7 de la chambre de décomposition 1 peut également 8 tre chauffé au moyen du système d'échauffement pour le tube Cela est possible car le circuit électronique de commande pour la régulation du courant électrique passant par le tube empêche que ce tube soit détruit par surchauffe, lorsque par suite de l'absence des gaz propulseurs, il ne s'effectue pratiquement aucune évacuation de chaleur. 8.-, REVEND I C A T I O N S 1. Ensemble propulseur, notamment pour com- mander des engins spatiaux, avec, pour décomposer un support liquide d'énergie, un dispositif revêtant la forme d'une chambre de décomposition à laquelle est susceptible d'être amenée la substance liquide propulsive, ainsi qu'avec un dispositif d'é- chauffement branché à la suite de la chambre de décomposition pour poursuivre l'échauffement et la décomposition des gaz propulseurs obtenus dans la chambre de décomposition, et avec, se raccordant à ce dispositif d'échauffement, une buse de sortie -pour les gaz propulseurs ainsi obtenus, ensemble caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur ( 4) constitué d'au moins deux chambres ( 10, 14) placées l'une dans l'autre et re- liées l'une à l'autre, la chambre externe ( 10) étant reliée à la chambre de décomposition ( 1), tandis que dans la chambre interne ( 14) reliée à la buse de sortie ( 5) est placé le dis- positif d'échauffement ( 15). 2. Ensemble propulseur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le dispositif d'échauffement est constitué d'un tube ( 15) en forme d'hélice, chauffé électri- quement, par l'intermédiaire duquel les gaz propulseurs sont amenés à la buse de sortie ( 5). 3. Ensemble propulseur selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que le tube ( 15) est disposé de telle sorte dans la chambre interne ( 14) que son orifice d'entrée ( 8) relié à la chambre externe ( 10) se situe dans la partie opposée à la chambre de décomposition ( 1) de la chambre interne ( 14). 4. Ensemble propulseur selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que le tube ( 15) est prévu de telle sorte que sa partie terminale reliée à la buse de sortie ( 5) s'étend axialement en passant par le centre de l'hélice sur toute la hauteur de celle-ci. 5. Ensemble propulseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le tube ( 15) est susceptible d'être chauffé par le courant qui le parcourt directement. 6. Ensemble propulseur selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que le tube ( 15) est constitué d'un matériau résistant à une chaleur élevée, de préférence du rhénium, du tungstène/rhénium ou bien du molybdène/tungstène. 9.- 7. Ensemble propulseur selon l'une quelcon- que des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les diffé- rentes spires du tube ( 15) sont séparées les unes des autres ainsi que de la paroi séparatrice ( 12) des deux chambres ( 10, 14) par une garniture ( 16) constituée par un isolateur pour haute température. 8. Ensemble propulseur selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que la garniture ( 16)est constituée de nitrure de bore. 9 Ensemble propulseur selon l'une quelcon- que des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que, à l'alimen- tation en courant du tube ( 15), est associé un circuit électro- nique de commande pour la régulation du courant parcourant le tube ( 15). 10 Ensemble propulseur selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'orifice d'amenée ( 8) entre la chambre de décomposition ( 1) et la cham- bre externe ( 10) est en forme de buse. 11. Ensemble propulseur selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la chambre de décomposition ( 1) ainsi que l'échangeur de chaleur ( 4) sont disposés coaxialement l'un par rapport à l'autre. 12. Ensemble propulseur selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la chambre de décomposition ( 1) et l'échangeur de chaleur ( 4) sont dispo- sés à angle droit tandis que l'orifice d'amenée ( 8) se situe à peu près tangentiellement dans la paroi externe de la chambre externe ( 10) de l'échangeur de chaleur ( 4). 13. Ensemble propulseur selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la décom- position s'effectue par des voies électrothermiques, la chambre de décomposition ( 1) et l'échangeur de chaleur ( 4) étant reliés ensemble de façon thermiquement conductrice. 14. Ensemble propulseur selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la chambre de décomposition ( 1) et l'échangeur de chaleur ( 4) sont dispo- sés dans une structure commune d'isolation thermique ( 26).