Brevet FR2649446A1 — publié le 19910111

Système de propulsion hvpersonioue combiné La présente invention concerne un procédé pour l'exploitation d'un système de propulsion combiné pour le vol hypersonique, comprenant pour la plage de vitesse supérieure au moins un statoréacteur ou au moins un statoréacteur et au moins un moteur- fusée, et pour la plage de vitesse inférieure, y compris la phase de décollage, au moins un propulseur supplémentaire, notamment un turboréacteur, dont le canal d'écoulement interne est indépendant de celui du statoréacteur, les propulseurs aérobies présentant de préférence des zones d'entrée et des zones de tuyères communes, ainsi qu'un système de propulsion combiné pour la mise en oeuvre de ce procédé. La technologie hypersonique suscite depuis plusieurs années un intérêt croissant. Une attention particulière et donc un soutien correspondant sont apportés, en dehors des projets visant à une utilisation militaire, aux avions de ligne hypersoniques long courrier et aux navettes spatiales qui parcourent une partie considérable de leur trajectoire dans l'atmosphère. Pour ces dernières, la diminution des frais de transport spécifiques constitue un critère de conception décisif. On tente de satisfaire à ce critère avec des appareils réutilisables, portés dans l'atmosphère par des forces de portance aérodynamiques et nus par des systèmes de propulsion aérobies. Pour la réalisation technique, il existe aussi bien des propositions à un étage (NASP, Hotol) que des propositions à deux étages (S'nger). La mise à disposition d'un système de propulsion approprié constitue l'un des défis majeurs. Ce système doit fournir la poussée nécessaire dans une très grande plage de vitesses, allant de la vitesse de lancement/d'atterrissage à la vitesse hypersonique à de grandes hauteurs. Cette exigence ne peut être satisfaite quasiment que par des systèmes de propulsion combinés à partir de différents types de propulseurs. A mesure que la vitesse de vol augmente, il s'agit d'employer d'abord des turboréacteurs, ensuite des statoréacteurs et enfin, s'il faut quitter l'atmosphère, des moteurs-fusées. Il est également possible d'utiliser de façon judicieuse des systèmes de propulsion combinés à partir de ces différents types, par exemple le moteur-fusée air-turbine (propulseur aérobie à turbine avec système de propulsion à turbine indépendant de l'air extérieur). Côté combustible, le but consiste à faire fonctionner tous les propulseurs présents avec le même carburant ou au moins avec des carburants semblables, la tendance allant vers l'hydrogène liquide (Hz). L'un des inconvénients des systèmes de propulsion combinés est que abstraction faite de courtes phases de transition - un seul type de propulseur est en marche, en fonction de la vitesse et des conditions de l'environnement (à l'intérieur/à l'extérieur de l'atmosphère). Les propulseurs à l'arrêt constituent une charge "morte" qui augmente la masse, le volume de cellule et, à l'intérieur de l'atmosphère, la traînée aérodynamique de l'engin volant. Etant donné que le volume et la surface de cellule d'engins volants hypersoniques devraient être aussi petits que possible pour des raisons aérodynamiques, thermiques et autres (masse, signature de radar, etc.), l'intégration d'un système de propulsion combiné comprenant plusieurs types de propulseurs constitue un problème général. En raison de la forte influence réciproque entre le système de propulsion et la cellule lors du vol hypersonique, le système de propulsion doit être développé en même temps que la cellule et intégré à celle-ci. L'invention a pour but d'indiquer un procédé pour l'exploitation d'un système de propulsion combiné pour le vol hypersonique, qui garantit, en ce qui concerne l'intégration du système de propulsion à l'engin volant, une utilisation optimale de l'espace avec une masse minimale, et de créer un système de propulsion combiné adapté à ce procédé. Ce but est atteint dans le cas d'un procédé dans lequel, avant le décollage de l'engin volant, le canal d'écoulement de chaque statoréacteur est fermé au début de l'entrée et à l'extrémité côté tuyère et est rempli au moins' avec une quantité partielle d'un composant de combustible prévu pour la 'plage de vitesse inférieure et pouvant être stocké à l'état liquide, et la quantité de combustible stockée dans le canal d'écoulement de chaque statoréacteur est, dans la plage de vitesse inférieure, avant l'allumage du (des) statoréacteur(s), entièrement extraite et consommée dans le(s) propulseur(s) en marche. L'invention propose également un système de propulsion combiné pour la mise en oeuvre du procédé, dans lequel chaque statoréacteur présente côté entrée et côté tuyère respectivement une fermeture étanche au combustible pour le blocage et l'ouverture du canal d'écoulement, et dans le canal d'écoulement de chaque statoréacteur il est prévu un ou plusieurs dispositifs pour le remplissage avec du combustible et pour l'aspiration de combustible. L'avantage de l'invention réside dans le fait que le(s) statoréacteur(s), qui ne fonctionnent que pour des vitesses de vol élevées (supersoniques à hypersoniques) et présentent un canal d'écoulement relativement grand avec peu d'éléments incorporés), sont utilisés dans la plage de vitesse inférieure en tant que réservoirs de combustible et sont vidés jusqu'au moment de leur allumage. Le canal d'écoulement, pouvant être fermé aux deux extrémités, reçoit d'abord une quantité partielle du composant de combustible qui est consommée par le(s) propulseur(s) dans la plage de vitesse inférieure. Du fait que ces propulseurs sont en général des turboréacteurs, utilisant l'oxygène de l'air en tant qu'oxydant, seul du combustible liquide, par exemple H2, est stocké temporairement dans le(s) statoréacteur(s). En outre des fermetures étanches au combustible,se trouvant aux deux extrémités de propulseur, il est prévu, conformément à l'invention, au moins un dispositif par statoréacteur, pour le remplissage avec du combustible et pour l'aspiration de celui-ci. Selon un développement préféré du système de propulsion combiné, la fermeture côté entrée de chaque statoréacteur peut être réalisée comme clapet pivotant ou comme vanne et la fermeture côté tuyère peut être réalisée comme clapet pivotant, comme vanne ou comme couvercle éjectable, et le dispositif d'aspiration de combustible peut être intégré dans l'agencement accroche-flammes de chaque statoréacteur, le système de conduites pour l'injection de combustible pouvant être utilisé, en mode statoréacteur, du moins en partie aussi pour l'aspiration. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée à l'aide des figures des dessins schématiques, sur lesquels la figure 1 représente une coupe longitudinale de deux propulseurs d'un système de propulsion combiné, en fonctionnement à turboréaction, et la figure 2 représente la même coupe longitudinale que la figure 1 mais en fonctionnement à statoréaction. Le système de propulsion combiné 1 selon les figures 1 et 2 comprend au moins un statoréacteur 2 pour la plage de vitesse supérieure, c'est-àdire pour le vol supersonique à hypersonique, et au moins un turboréacteur 3 pour la plage de vitesse inférieure, c'est-à-dire pour la phase de décollage et éventuellement d'atterrissage ainsi que pour des vitesses allant jusqu'à la vitesse supersonique. Dans l'exemple représenté, le statoréacteur 2 se trouve au- dessus du turboréacteur 3, c'est-à-dire entre ce dernier et l'engin volant. Néanmoins, les propulseurs peuvent aussi bien être disposés l'un à côté de l'autre ou avec un décalage oblique sur le côté ou en hauteur l'un par rapport à l'autre. Le système de propulsion combiné i peut se composer de deux propulseurs ou plus, en disposant les statoréacteurs et les turboréacteurs de préférence par paires. Pour des navettes spatiales quittant l'atmosphère, il est nécessaire de prévoir en plus au moins un propulseur indépendant de l'air extérieur, c'est-à-dire en général un moteur-fusée. Il n'est pas obligatoirement nécessaire d'utiliser des turboréacteurs en tant que propulseurs pour la plage de vitesse inférieure. Il est également possible d'employer par exemple des moteurs-fusées avec du combustible solide, liquide et/ou gazeux. Or, pour de nombreuses raisons (oxygène de l'air en tant qu'oxydant, rendement), il est judicieux d'utiliser ici des turboréacteurs. Par conséquent, suivant l'agencement des figures 1 et 2, un statoréacteur 2 et un turboréacteur 3 sont associés l'un à l'autre et présentent une zone d'entrée 4 commune et une zone de tuyères 5 commune. Suivant la figure 1, seul le turboréacteur 3 est en fonctionnement, dont le condenseur 14, la chambre de combustion 15 avec le dispositif d'injection 16, la turbine 17 et le post-brûleur 18 sont reproduits de façon schématique. Le canal d'écoulement 9 est réalisé, en amont du propulseur nucléaire, sous forme de diffuseur I0 et en aval sous forme de tuyère de Laval qui peut également être réglable. Les symboles représentant des flammes sur le dispositif d'injection 16 et sur le post-brûleur 18 indiquent un fonctionnement avec poussée maximale. Pour des raisons de clarté, l'illustration est choisie aussi simple que possible et ne fournit pas de renseignements quant au mode de construction précis du turboréacteur qui peut être réalisé comme propulseur à un ou plusieurs arbres, avec un ou plusieurs circuits d'écoulement. L'air environnant qui arrive est représenté par une flèche blanche, le gaz chaud sortant est indiqué par une flèche noire et blanche, et le contour extérieur du jet de poussée 20 est esquissé. Le turboréacteur 3 utilise en tant qu'oxydant exclusivement l'oxygène de l'air, de sorte qu'il suffit, du moins pour la plage de vitesse inférieure, de stocker en tant que composant supplémentaire de combustible seulement du carburant dans l'engin volant. En vue de fonctions de refroidissement multiples et d'une exploitation optimale du volume de stockage, il est préférable d'embarquer un carburant cryogénique à l'état liquide, et à cet effet, de l'hydrogène liquide (H2) convient particulièrement bien. Au moins une partie de ce carburant est stockée dans le(s) statoréacteur(s), de manière à permettre la réduction du volume de réservoir proprement dit, ce qui a pour résultat une économie de masse et d'espace. Des calculs approximatifs effectués sur l'exemple "S'nger" montrent que le volume des statoréacteurs utilisable en tant que réservoir correspond à environ 5 à 10 X du volume de réservoir total, c'est-à-dire qu'il est possible de réduire ce volume de la valeur des pourcentages cités. Pour du combustible avec une densité plus élevée, cette part peut être beaucoup plus grande, car le volume de réservoir total nécessaire diminue, tandis que le volume du canal d'écoulement 8 reste le même. En outre, il est possible dans le cadre de l'invention d'embarquer pour la phase de décollage et la phase de vol initiale, en plus du H2 en tant que combustible pour le temps de vol principal, un autre carburant, par exemple moins cryogénique, qui est stocké exclusivement dans les statoréacteurs. Etant donné qu'au début de la mission de vol les composants à refroidir ne fournissent pas encore de quantités de chaleurs sensibles, un tel carburant moins cryogénique permettrait d'obtenir, si nécessaire, une évaporation et un chauffage plus faciles et donc une meilleure combustion dans les turboréacteurs. Le cas échéant, il est également possible d'utiliser un carburant supplémentaire liquide, non cryogénique, tel que du kérosène, ayant une action refroidissante suffisante pour la phase de vol initiale. Le type le plus simple d'alimentation en combustible est celui d'engins volants qui ne quittent pas l'atmosphère et sont par conséquent équipés exclusivement de propulseurs aérobies, tous les propulseurs fonctionnant avec le même carburant. Dans ce cas, un seul composant de combustible est embarqué dans l'engin volant, à savoir le carburant liquide. Selon les exigences de l'engin volant à l'égard de l'action refroidissante de ce carburant, ce dernier peut être cryogénique ou non. Dans l'illustration selon la figure 1, le canal d'écoulement 8 du statoréacteur 2 est encore rempli dans une large mesure avec du carburant 10. Côté zone d'entrée 4, le statoréacteur 2 est fermé par un clapet 6 pivotant et côté zone de tuyères 5 par un clapet 7 pivotant. Bien entendu, il est possible d'utiliser d'autres organes de fermeture, tels que des vannes linéaires, des vannes rotatives, des grilles à volets etc., à la place des clapets. Côté tuyère, il existe aussi la possibilité de prévoir un organe de fermeture éjectable/destructible. Par exemple, il est possible de monter de manière fixe un couvercle qui est séparé de la tuyère, juste avant l'allumage du statoréacteur, par un cordeau détonant et éjecté. La charge de poids supplémentaire des deux organes de fermeture est faible par rapport à des réalisations dans lesquelles les statoréacteurs ne sont pas utilisés en tant que réservoirs, car dans tous les cas ces propulseurs doivent être pourvus d'une fermeture côté entrée, afin de garantir, dans la plage de vitesse inférieure, une récupération de poussée suffisante dans l'entrée menant aux turboréacteurs. Cela signifie qu'un organe comme le clapet 6 est présent dans tous les cas. Il ne reste donc en tant que masse supplémentaire que l'organe de fermeture côté tuyère. La réalisation sous forme de clapet 7 permet une utilisation judicieuse pour l'amélioration de la géométrie de tuyère en fonctionnement à statoréaction, de sorte que la faible augmentation de sasse peut être facilement compensée par une augmentation de poussée. Dans le cadre de l'invention, ces clapets doivent être étanches au combustible, ce qui n'est pas nécessaire en temps normal. Le remplissage du statoréacteur 2 peut être effectué par le dispositif de remplissage 11 séparé esquissé ou par des conduites existantes débouchant dans le canal d'écoulement 8. Après l'approvisionnement, le dispositif de remplissage 11 peut servir à la mise en pression du carburant 10. Le prélèvement du combustible se fait par le dispositif d'aspiration 12 qui est de préférence intégré à l'agencement accroche-flammes 13 existant ou est identique au système d'injection de ce dispositif. Suivant la figure 1, le carburant 10 est amené au dispositif d'injection 16 et au post- brûleur 18 du turboréacteur 3. Pour y parvenir, le carburant traverse des pompes, des valves, des échangeurs de chaleur etc., qui ne sont pas représentés pour des raisons de clarté. L'utilisation, conforme à l'invention, des statoréacteurs en tant que réservoirs est favorisée par le fait que ceux-ci ne présentent que très peu d'éléments incorporés fixes tels que l'agencement accroche-flammes avec le système d'injection et, le cas échéant, des dispositifs générateurs de tourbillons, qui ne réduisent quasiment pas le volume du canal d'écoulement. Ici, il- est sans importance si les propulseurs fonctionnent avec une combustion subsonique (Ramjets) ou supersonique (Scramjets). La figure 2 montre les conditions dans la plage de vitesse supérieure. Côté entrée, le turboréacteur 3 est fermé par le clapet 6 et est à l'arrêt. Le statoréacteur 2 est en marche, ce qui est indiqué par les symboles de flammes sur l'agencement accroche- flammes 13. Le clapet 7 forme une partie du contour d'écoulement de la tuyère de poussée et influence ainsi de manière avantageuse Le contour du jet de poussée 19. Pour conclure, on peut dire que l'invention permet une exploitation particulièrement efficace de systèmes de propulsion hypersoniques combinés. Compte tenu du facteur de croissance élevé pour des engins volant hypersoniques, il est donc possible d'augmenter fortement la charge utile. Revendications 1. Procédé pour l'exploitation d'un système de propulsion combiné pour le vol hypersonique, comprenant pour la plage de vitesse supérieure au moins un statoréacteur ou au moins un statoréacteur et au moins un moteur-fusée, et pour la plage de vitesse inférieure, y compris la phase de décollage, au moins un propulseur supplémentaire, notamment un turboréacteur, dont le canal d'écoulement interne est indépendant de celui du statoréacteur, les propulseurs aérobies présentant de préférence des zones d'entrée et deszones de tuyères communes, caractérisé par le fait que, avant le décollage de l'engin volant, le canal d'écoulement (8) de chaque statoréacteur (2) est fermé au début de l'entrée (clapet 6) et à l'extrémité côté tuyère (clapet 7) et est rempli (dispositif de remplissage 11) au moins avec une quantité partielle d'un composant de combustible (carburant 10) prévu pour la plage de vitesse inférieure et pouvant être stocké à l'état liquide, et que la quantité de combustible stockée dans le canal d'écoulement (8) de chaque statoréacteur (2) est, dans la plage de vitesse inférieure, avant l'allumage du (des) statoréacteur(s) (2), entièrement extraite (dispositif d'aspiration 12) et consommée dans le(s) propulseur(s) (turboréacteurs 3) en marche. 2. Système de propulsion combiné pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant au moins un statoréacteur pour la plage de vitesse supérieure et au moins un propulseur supplémentaire, notamment un turboréacteur, pour la plage de vitesse inférieure, qui est monté en parallèle, du point de vue fluidique, au statoréacteur et peut, si nécessaire, être utilisé en même temps que celui-ci, caractérisé par le fait que chaque statoréacteur (2) présente côté entrée et côté tuyère respectivement une fermeture étanche au combustible (clapets 6, 7) pour le blocage et l'ouverture du canal d'écoulement (8), et que dans le canal d'écoulement (8) de chaque statoréacteur (2) il est prévu un ou plusieurs dispositifs pour le remplissage avec du combustible 26 4.94 46 (dispositif de remplissage 11) et pour l'aspiration de combustible (dispositif d'aspiration 12). 3. Système de propulsion combiné selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la fermeture côté entrée de chaque statoréacteur est réalisée comme clapet (6) pivotant ou comme vanne et la fermeture côté tuyère est réalisée comme clapet (7) pivotant, comme vanne ou comme couvercle éjectable, et que le dispositif d'aspiration de combustible (dispositif d'aspiration 12) est intégré dans l'agencement accroche- flammes (13) de chaque statoréacteur (2), le système de conduites pour l'injection de combustible pouvant être utilisé, en mode statoréacteur, du moins en partie aussi pour l'aspiration (dispositif d'aspiration 12).