Brevet FR2636377A1 — publié le 19900316

l La présente invention est relative à un moteur qui peut être utilisé pour un engin aérien, par exemple un avion, un corps volant, une navette spatiale ou une fusée spatiale, dans lequel on utilise de l'hydrogène liquide comme carburant et l'oxygène de l'air comme agent d'oxydation lorsqu'il est liquéfié. Comme cela est connu dans la technique antérieure, une fusée spatiale doit porter, en plus du carburant, un agent d'oxydation pour brûler celui-ci, car elle se déplace norma- lement dans l'espace cosmique o il n'existe pas d'air. Dans les dernières années, on a couramment utilisé des moteurs de fusée utilisant de l'hydrogène liquide comme carburant et de l'oxygène liquide comme agent d'oxydation. Toutefois, il existe une condition pratique qui réside en ce que, dans une fusée, la proportion occupée par le carburant et l'agent d'oxydation (ci-après dénommés généra- lement "agent de propulsion") est telle qu'ils constituent la plus grande partie du poids et du volume de l'ensemble de l'engin. Il en résulte que le poids de la charge utile, par exemple les passagers humains ou un satellite artificiel, est limité ou que, si on augmente la charge utile, il est nécessaire d'augmenter de manière correspondante la quantité d'agent de propulsion, ce qui entraîne un renforcement de la structure de la fusée correspondant à l'augmentation du poids de la charge utile et de l'agent de propulsion; de plus, du fait qu'il est en outre nécessaire de pré- voir plus d'agent de propulsion pour le lancement de la masse accrue de la charge utile de l'agent de propulsion et des éléments de renforcement de structure, l'augmentation de la charge utile nécessite une dépense très élevée. Par conséquent, les auteurs de la présente inven- tion ont déjà proposé un moteur présentant un faible poids et d'excellentes propriétés de liquéfaction de l'oxygène, ce moteur pouvant utiliser l'oxygène de l'atmosphère comme agent oxydant en le liquéfiant suivant un rendement excellent, au moins pendant le vol dans l'atmosphère pour éliminer ou réduire le poids de l'agent oxydant; cette technique est décrite dans la demande de brevet japonais 59 (1984) - 180759. Cette technique est décrite ci-après en référence aux Figs. 4 et 5. Tout d'abord, sur la Fig. 4, de l'hydrogène liquide, qui est à une température voisine du point triple (environ -259aC)etqui est stocké dans un réservoir 1 à hydrogène liqui- de, est mis sous pression au moyen d'une pompe 3 et il est dirigé dans un condenseur à air 5. Le condenseur à air 5 est un échangeur thermique qui est constitué par des plaques pla- nes ou des tubes à ailettes et qui condense et liquéfie l'air en utilisant une source thermique froide constituée par de l'hydrogène à basse température. Dans la condenseur à air 5, la température de l'hydro- gène liquide augmente du fait de la chaleur de condensation de l'air, puis l'hydrogène est acheminé dans un prérefroidis- seur à air 7. Le prérefroidisseur à air 7 est agencé pour re- froidir d'abord l'air introduit par une conduite 14 à une température d'environ -183 C dans le but d'augmenter le ren- dement de liquéfaction du condenseur à air. Il est à noter que, du fait que la température de liquéfaction et le rende- ment de liquéfaction varient avec la pression par rapport à la liquéfaction de l'air, les pressions dans le prérefroidis- seur à air 7 et dans le condenseur à air 5, dans le cas o la fusée est à haute altitude et à grande vitesse, doivent être augmentées de manière appropriée par une pression de vé- rin ou analogue. L'hydrogène liquide, qui est sorti du prérefroidisseur à air 7, est acheminé par une conduite 8 vers le dispositif de combustion 19 du moteur. Par ailleurs, l'oxygène liquide, à une température au voisinage du point triple ( environ -2180 C) et stocké dans un réservoir 9 b oxygène liquide, est mis sous pression au mo- yen d'une pompe 11, et il est acheminé vers la partie de tête du condenseur à air 5. L'oxygène liquide qui pénètre dans le condenseur à air 5 est pulvérisé à la manière d'un jet de douche dans un courant d'air provenant d'une conduite à air 15 au moyen d'un dispositif de pulvérisation 13, et il liquéfie l'air. L'air, qui est condensé et liquéfié dans le condenseur à air 5 (l'air liquéfié par la source froide constituée par l'hydrogène et la source froide constituée par l'oxygène li- quide), est mélangé avec l'oxygène liquide pulvérisé puis, après qu'il a été mis sous pression au moyen d'une pompe 17, il est acheminé vers le dispositif de combustion 19 du moteur. Dans le dispositif de combustion 19, la combustion est effectuée par le fluide mélangé constitué par l'hydrogène liqui- de délivré, l'air liquéfié et l'oxygène liquide, de sorte que les gaz de combustion à haute température sont éjectés à travers une tuyèreet qu'on engendre une force de propulsion. Comme décrit ci-dessus, dans le moteur de fusée re- présenté sur la Fig. 4, du fait qu'on prévoit le dispositif de pulvérisation 13 pour pulvériser dans l'air l'oxygène liqui- de à basse température, le degré de liquéfaction est augmenté en utilisant une source froide constituée par l'oxygène liqui- de et en augmentant la température de liquéfaction en raison de l'augmentation de la concentration d'oxygène dans l'air. Par suite, la force spécifique de propulsion du moteur de fu- sée est augmentée. En considérant maintenant l'exemple de réalisation de l'art antérieur représenté sur la Fig. 5, bien que la cons- truction soit presque similaire à celle de la Fig. 4, on ajoute, en aval du courant d'air dans le condenseur à air 5, un compres- seur à air 21 du type à flux axial ou du type centrifuge, et également un condenseur à air auxiliaire 23 en aval du compres- seur à air 21. Ce condenseur auxiliaire à air 23 est refroidi par l'hydrogène à environ -193 C provenant du condenseur d'air 5. Dans cet exemple de l'art antérieur, l'air gazeux qui n'est pas condensé dans le condenseur à air 5 est comprimé par le compresseur à air 21 pour être mis à une pression su- périeure, puis il est acheminé dans le condenseur auxiliaire à air 23. La température de liquéfaction (point d'ébullition) de l'air augmente avec la pression. Dans le moteur représenté sur la Fig. 5, du fait qu'on a prévu le compresseur à air 21 et le condenseur auxiliaire 23, la pression de l'air augmente; par conséquent, en raison de l'augmentation de la température de liquéfaction et de la réduction de la chaleur latente de liquéfaction, le degré de liquéfaction est augmenté. De plus, sur les Figs. 4 et 5, les références numéri- ques 2,4,6 et 6' indiquent des conduites pour l'hydrogène liquide, les références numériques 10 et 12 désignent des conduites pour l'oxygène liquide, les références numériques 16 et 18 désignent des conduites pour l'air liquide, et les références numériques 20 et 22 désignent des conduites d'air. Dans un moteur à cycle de liquéfaction de l'air, qui utilise l'oxygène de l'air comme agent d'oxydation en liqué- fiant l'air, les performances sont déterminées par la quanti- té d'air liquéfié produite par le dispositif de liquéfaction d'air. Par conséquent, le problème qui se présente dans un moteur à cycle de liquéfaction d'air réside dans l'augmenta- tion de la quantité d'air liquéfié. Dans les moteurs de fusée de l'art antérieur représentés sur les Figs. 4 et 5, on se - base seulement dans chaque cas sur l'oxygène liquide et sur l'hydrogène liquide comme agent de propulsion pour constituer la source froide qui est nécessaire pour la liquéfaction de l'air. Du fait que la source froide constituée par l'oxygène liquide et l'hydrogène liquide présente une limite finie, la quantité d'air liquéfié présente également une valeur limite. Un but de la présente invention est par conséquent de fournir un moteur à cycle de liquéfaction d'air dans le- quel la quantité d'air liquéfié est augmentée par comparaison avec les moteurs de ce type de l'art antérieur. Selon une caractéristique de la présente invention, il est prévu un moteur de fusée du type à entrée d'air, dans lequel l'air est condensé et liquéfié en utilisant un agent de propulsion embarqué dans la fusée comme source froide, et l'air liquéfié est utilisé comme agent d'oxydation ou comme substance active, l'air non condensé étant mis sous pression puis étant condensé et liquéfié en utilisant l'air liquéfié comme source froide. Selon la présente invention, grâce à la construc- tion ci-dessus, la liquéfaction de l'air est effectuée en utilisant une source froide constituée par l'air liquéfié qui a été produit dans le moteur, cet air n'étant pas utilisé dans l'art antérieur, ce qui permet d'augmenter la quantité d'air liquéfié. Les but, caractéristique et avantage, ainsi que d'au- tres,de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés qui font partie de la description et dans lesquels: Figs. 1,2 et 3 sont des vues schématiques montrant res- pectivement un premier, un deuxième et un troisième modes de réalisation préférés de la présente invention; et Figs. 4 et 5 sont des vues analogues montrant les exem- ples ci-dessus décrits de deux moteurs de l'art antérieur. En référence tout d'abord à la Fig. 1, qui montre un premier mode de réalisation préféré de la présente invention, l'hydrogène liquide, stocké dans un réservoir 1 à hydrogène liquide, est mis sous pression au moyen d'une pompe 3, puis il est acheminé dans un condenseur à air 5 par une conduite 4, puis il est acheminé dans le dispositif de combustion 19 du moteur par une conduite 6, un prérefroidisseur à air 7 et une conduite 8, comme décrit précédemment à propos des Figs. 4 et 5. L'air provient d'une conduite 14, il traverse le prérefroi- disseur à air 7, une conduite 15 et le condenseur à air 5 dans lequel une partie de l'air est liquéfiée. L'air liquéfié pénè- tre dans une pompe de poussée 24 par une conduite 16, il est mis sous pression par cette pompe et il est acheminé par une conduite 27 vers un mélangeur 25 dans lequel il est pulvérisé. L'air restant non liquéfié qui subsiste dans le condenseur à air 5 pénètre dans un compresseur à air 21 par une conduite , puis il est comprimé à plusieurs fois la pression atmos- phérique par le compresseur à air 21, et il entre par une con- duite 22 dans le mélangeur 25 dans lequel il est mélangé avec l'air liquéfié provenant de la pompe 24 pour être liquéfié à son tour par la source froide constituée par l'air liquéfié. L'air liquéfié est acheminé par une conduite 28 dans une pom- pe 17 qui le met sous pression et l'envoie vers le dispositif de combustion 19 par l'intermédiaire d'une conduite 18, puis il est mélangé à l'hydrogène et brûlé. L'air qui est présent dans le mélangeur 25 présente une température de liquéfaction élevée car sa pression est supérieure à la pression de l'air dans le condenseur à air 5. Il en résulte que la température de liquéfaction de l'air dans le mélangeur 25 est supérieure de plusieurs dizaines de degrés à la température de l'air liquéfié provenant de la pompe 24. Par conséquent, l'air liquéfié provenant de la pompe 24 peut être utilisé comme source froide pour liquéfier l'air dans le mélangeur 25. On a représenté sur la Fig. 2 le schéma du second mo- de de réalisation préféré de la présente invention. Bien que ce mode de réalisation préféré soit presque le même, en prin- cipe, que le premier mode de réalisation préféré ci-dessus décrit, la seule différence réside dans le mélangeur 25. Le mélangeur 25, dans ce second mode de réalisation préféré, est associé à un échangeur thermique 26 qui utilise un courant principal d'air liquéfié comme réfrigérant. L'air liquéfié du mélangeur 25 est introduit par une conduite 29 dans l'échan- geur thermique 26 par l'action d'une pompe 17 et, après qu'il a effectué l'échange thermique avec l'air comprimé délivré par un compresseur d'air 21, il est délivré au dispositif de combustion 19 du moteur. Ainsi, la température de l'air qui a été comprimé par le compresseur à air 21 et chauffé est d'abord abaissée par l'échangeur thermique 26. Dans ce second mode de réalisation préféré, en raison de l'association de l'échangeur thermique 26, la source froide constituée par l'air liquéfié délivré par la pompe 24 peut être utilisée seu- lement pour absorber la chaleur latente de liquéfaction de l'air dans le mélangeur 25 et, ainsi, le degré de liquéfac- tion peut être encore augmenté. On a représenté sur la Fig. 3 le schéma d'un troisiè- me mode de réalisation préféré de la présente invention. Ce mode de réalisation préféré est encore une autre réalisation dans laquelle, en plus de la construction du mode de répli- sation préféré de la Fig. 2, un prérefroidisseur à air 7 est associé à des moyens 30 de déglaçage ou de dégivrage et, de plus, un condenseur à air 5 est associé à un dispositif 13 de pulvérisation de l'oxygène liquide. Comme moyens 30 de dé- givrage, on peut utiliser un dispositif appliquant des vibra- tions mécaniques au prérefroidisseur d'air, par exemple un marteau ou un vibrateur, ou encore un dispositif propulsant un fluide à haute pression. Dans ce troisième mode de réalisa- tion préféré, les moyens 30 de dégivrage permettent d'empê- cher que l'humidité et/ou le dioxyde de carbone contenus dans l'air puissent adhérer à la surface d'échange thermique, ce qui diminuerait le rendement du transfert de chaleur. De plus, grâce à l'association du dispositif 13 de pulvérisation de l'oxygène liquide, celui-ci, qui provient d'un réservoir 9 d'oxygène liquide, est acheminé vers une pompe 11 par une cana- lisation 10 et, après avoir été mis sous pression par cette pompe 11, il est acheminé par une conduite 12 vers le disposi- tif de pulvérisation 13 qui le pulvérise dans le condenseur à air 5; ainsi, cet oxygène liquide agit comme réfrigérant pour l'air de liquéfaction et, de plus, il est brûlé dans le dispositif de combustion 19 comme agent d'oxydation de l'hy- drogène liquide pour augmenter la force de propulsion. Il résulte de la construction et des fonctionnements des modes de réalisation ci-dessus décrits de la présente in- vention qu'il devient possible d'augmenter la quantité d'air liquéfié de 15 À (lorsque la vitesse de déplacement est nulle) à 40 % (lorsque la vitesse de déplacement est de Mach 3), par rapport aux moteurs de fusée de l'art antérieur, et on peut améliorer la force spécifique de propulsion d'un moteur à cy- cle de liquéfaction d'air en utilisant l'oxygène de l'air comme agent d'oxydation en liquéfiant l'oxygène. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation, non plus qu'au mode d'application, qui ont été décrits; on pourrait au contraire concevoir diverses va- riantes sans sortir pour autant de son cadre. REVENDICAT IONS 1. Moteur pour engin aérien, notamment avion ou fusée, dans lequel l'air est condensé et liquéfié en utilisant un agent de propulsion embarqué sur l'engin comme source froide et l'air liquéfié est utilisé comme agent oxydant ou comme substance active, caractérisé par le fait que l'air non con- densé est comprimé puis est condensé et liquéfié en utilisant ledit air liquéfié comme source froide. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent de propulsion utilisé comme source froide est de l'hydrogène liquide. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent de propulsion utilisé comme source froide est de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide. 4. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un condenseur à air (5) pour condenser l'air en utilisant un agent liquéfié de propulsion; un pré- refroidisseur d'air (7) pour refroidir préalablement l'air à condenser dans le condenseur d'air au moyen de l'agent de propulsion liquéfié sortant dudit condenseur à air, une con- duite (8) pour délivrer l'agent liquéfié de propulsion sor- tant dudit prérefroidisseur d'air vers un dispositif de com- bustion (19), un compresseur (21) pour l'air non condensé dans ledit condenseur d'air, un mélangeur (25) pour refroidir et condenser l'air comprimé par ledit compresseur (21) au mo- yen de l'air liquéfié condensé dans ledit condenseur d'air (5), et une conduite pour diriger l'air liquéfié sortant du- dit mélangeur (25) vers le dispositif de combustion (19). 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte un échangeur thermique (26) pour re- froidir préalablement l'air comprimé provenant du compresseur (21) et se dirigeant vers le mélangeur (25) au moyen de l'air liquéfié sortant du mélangeur (25). 6. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le prérefroidisseur d'air (7) utilisant l'agent li- quéfié de propulsion comporte des moyens (30) de déglaçage ou de dégivrage.