Brevet FR2808307A1 — publié le 20011102

L'invention concerne de façon générale les fusées, et plus particulièrement des fusées héliothermiques. Les fusées héliothermiques ont été proposées pour la première fois en 1954 en tant que moyen pour procurer une impulsion spécifique supérieure à celle des fusées chimiques. Ces dispositifs utilisent l'énergie solaire pour chauffer un propergol (habituellement de l'hydrogène) à des temperatures extrêmement élevées puis expulser le gaz chaud à travers une tuyère pour produire une poussée. La haute temperature et la faible masse du propergol se combinent pour produire une impulsion spécifique deux à quatre fois supérieure à celle d'une fusée chimique. Les fusées héliothermiques étaient jusqu'à présent soit d'une conception "à gain direct", dans laquelle le propergol est chauffé directement par de très grands collecteurs solaires pendant une longue combustion continue, soit d'une conception "à stockage d'énergie thermique" qui collecte et stocke l'énergie provenant de collecteurs plus petits pour l'utiliser lors de combustions pulsatoires courtes. Chacune de ces conceptions possède ses propres avantages, mais toutes deux ont des inconvénients notables qui ont fait obstacle à leur production industrielle. La fusée à gain direct utilise un très grand collecteur solaire (concentrateur) pour chauffer le propergol constitué d'hydrogène à son passage à travers une cavité constituée de tubes métalliques réfractaires (habituellement en rhénium). L'avantage de ce type de fusée est que la température du propergol peut être extrêmement élevée (théoriquement supérieure à 3000 K), produisant ainsi une poussée impulsionnelle spécifique élevée. Le problème posé par cette conception est que le collecteur solaire doit être extrêmement grand (souvent trente à quarantecinq mètres de diamètre) pour fournir suffisamment d'énergie pour chauffer le propergol de sa température de stockage qui est de 300 K jusqu'à la température souhaitée supérieure à 3000 K. La technologie des concentrateurs n'a pas évolué au point de permettre l'utilisation de tels concentrateurs dans des applications à l'espace (c'est-à- dire qu'ils soient suffisamment légers et tiennent dans des conditionnements suffisamment petits pour se loger dans les lanceurs spaciaux existants) et on peut considérer que cette technologie est encore loin d'être au point. La conception à stockage d'énergie thermique résout le problème du concentrateur en collectant et stockant l'énergie solaire pendant une période de l'orbite, puis en utilisant l'énergie stockée pour produire une poussée pendant une combustion impulsionnelle courte. Un certain nombre de ces impulsions sont nécessaires pour mener l'engin spatial à sa destination. Plus la phase de stockage de la mission est longue, plus les dimensions du collecteur peuvent être réduites. Cette approche permet l'utilisation de la technologie existante des collecteurs pour développer une fusée. Cependant, l'inconvénient d'un tel système est que les matières de stockage d'énergie (habituellement du graphite revêtu de rhénium ou du nitrure de bore encapsulé dans du tungstène) ont des limites de température bien en dessous de celle d'une fusée à gain direct. Les conceptions actuelles sont limitées à environ 2400 K, en sorte que les performances sont bien en dessous de celles d'un système à gain direct. Des fusées solaires à 24000K ne présentent pas des marges de performance suffisamment grandes par rapport aux fusées chimiques classiques pour justifier leurs coûts de développement. Par conséquent, il reste encore à développer un système opérationnel depuis la proposition initiale de l'idée d'une fusée héliothermique. Pour réaliser un système pratique, on doit trouver un moyen de réduire les dimensions des collecteurs solaires sans limiter la température de la cavité de réception. L'invention aborde le besoin indiqué ci-dessus. Il est proposé une fusée héliothermique qui comprend un récepteur d'énergie solaire ayant deux sections (une section de stockage d'énergie thermique et une section de gain direct), un concentrateur solaire et une tuyère de propulsion. Dans une forme de réalisation, le foyer de l'énergie solaire entre la section de stockage et la section de gain direct est commandé par des moyens mécaniques tels qu'un isolant mobile. Dans une autre forme de réalisation, le foyer de l'énergie solaire entre la section de stockage et la section de gain direct est commandé par un commutateur optique sous la forme d'un mouvement relatif entre le concentrateur solaire et le récepteur d'énergie solaire. Un propergol est d'abord chauffé par la section de stockage d'énergie thermique, puis par la section de gain direct avant d'être dirigé vers une tuyère de propulsion. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 illustre schématiquement, en coupe partielle, une forme appréciée de réalisation de l'invention en position pour diriger de l'énergie solaire vers la section de stockage d'énergie solaire; la figure 2 illustre schématiquement, avec une coupe partielle, la forme appréciée de réalisation de l'invention en position pour diriger de l'énergie solaire vers la section de gain direct; la figure 3 illustre schématiquement, avec une coupe partielle, une variante de réalisation de l'invention en position pour diriger de l'énergie solaire vers la section de stockage d'énergie solaire; et la figure 4 illustre schématiquement, avec une coupe partielle, la variante de réalisation de l'invention en position pour diriger de l'énergie solaire vers la section de gain direct. En référence aux dessins, on voit sur la figure 1 que l'invention est désignée de façon générale par la référence numérique 10. Une fusée héliothermique 10 est constituée généralement d'un récepteur 12 d'énergie solaire qui est formé d'une section 14 de stockage d'énergie thermique et d'une section 16 de gain direct, un concentrateur solaire 18, des moyens 20 pour diriger sélectivement l'énergie solaire vers la section 14 de stockage d'énergie thermique ou vers la section 16 de gain direct, et une tuyère 22 de propulsion. Les sections de stockage d'énergie thermique sont généralement connues, mais seront décrites dans un souci de clarté. La section 14 de stockage d'énergie thermique est un conteneur dont les parois renferment un matériau isolant 24. Les parois définissent une cavité dans le conteneur. Une matière 26 de stockage d'énergie thermique placée dans la cavité est habituellement formée de barres de graphite revêtues de rhénium. La section de stockage d'énergie thermique est en communication par fluide avec la section 16 de gain direct au moyen d'une canalisation 34. La section 16 de gain direct est constituée de tubes métalliques réfractaires (habituellement en rhénium) et est placée à proximité immédiate des moyens 20. Les tubes métalliques sont pourvus de canaux dans lesquels le propergol gazeux s'écoule. Le propergol gazeux est chauffé en s'écoulant dans les canaux. Un matériau isolant 24 est également prévu autour de la section 16 de gain direct. Cette dernière est en communication de fluide avec la tuyère 22 de propulsion par l'intermédiaire d'une canalisation 28. Comme on le voit sur les dessins, un espace est laissé dans le matériau isolant 24 autour de la section 16 de gain direct pour permettre à l'énergie solaire provenant du concentrateur solaire d'entrer dans la section 16 de gain direct et dans la section 14 de stockage d'énergie thermique. Le concentrateur solaire 18 collecte et focalise les rayons solaires dans le récepteur 12 d'énergie solaire. Des concentrateurs solaires sont généralement connus et peuvent avoir une forme parabolique ou bien peuvent être formés d'une lentille réfringente ou d'une lentille de Fresnel. Un concentrateur solaire secondaire 38 peut être prévu dans l'espace d'isolation sur la section de gain direct pour focaliser davantage les rayons solaires. Le concentrateur solaire secondaire permet de réduire les exigences de précision du concentrateur solaire 18. Dans la forme préférée de réalisation montrée sur les figures 1 et 2, les moyens 20 destinés à diriger sélectivement l'énergie solaire soit vers la section 14 de stockage d'énergie thermique, soit vers la section 16 de gain direct, se présentent sous la forme d'une paroi mobile en matériau isolant 24. Dans la première position, ouverte, montrée sur la figure 1, les rayons solaires provenant du concentrateur 18 sont dirigés de façon à pénétrer dans la section 14 de stockage d'énergie thermique pour chauffer la matière de stockage 26. Dans la seconde position, fermée, que l'on voit sur la figure 2, les rayons solaires provenant du concentrateur 18 sont arrêtés par le matériau isolant et chauffent donc la section 16 de gain direct. Un réservoir 30 d'alimentation en propergol contient un propergol gazeux convenable tel que de l'hydrogène. Le réservoir est en communication de fluide avec la section de stockage d'énergie thermique par l'intermédiaire d'une canalisation 32 pour fournir sélectivement du propergol au récepteur d'énergie solaire pendant la phase de propulsion au moyen d'une vanne 36 située dans la canalisation 32. Le fonctionnement est en général le suivant. Dans la phase de collecte et de stockage d'énergie thermique de la période orbitale, les moyens 20 sont maintenus dans la première position, ouverte, que l'on voit sur la figure 1. Les rayons solaires sont indiqués par les lignes atteignant le concentrateur solaire 18. Les flèches indiquent les rayons solaires réfléchis. Ceci permet aux rayons solaires provenant du concentrateur de chauffer la section 14 de stockage d'énergie thermique à une température d'environ 2400 K (pour une cavité en rhénium/graphite). Une fois que la température maximale est atteinte, les moyens 20 sont amenés dans la seconde position, fermée, que l'on voit sur la figure 2. Dans cette position, les rayons solaires provenant du concentrateur 18 chauffent la section de gain direct à au moins 3000 K. Pendant la phase de propulsion, du propergol est libéré dans la section 14 de stockage d'énergie thermique o il est chauffé approximativement à la température de cette section. Le propergol chauffé s'écoule ensuite jusque dans la section de gain direct en passant par la canalisation 34, o il est encore chauffé approximativement à la température de cette section. Le propergol chauffé s'écoule ensuite par la canalisation 28 vers la tuyère de propulsion o il produit une poussée. Les figures 3 et 4 illustrent une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle les moyens destinés à diriger sélectivement l'énergie solaire soit vers la section 12 de stockage d'énergie thermique, soit vers la section 14 de gain direct, sont prévus sous la forme d'une rotation relative entre le concentrateur solaire et le récepteur d'énergie solaire. Dans cette forme de réalisation, la section de stockage d'énergie thermique est pourvue d'une ou de plusieurs ouvertures situées dans la paroi destinée à recevoir les rayons solaires. Comme indiqué ci-dessus, un concentrateur solaire secondaire 38 peut être placé dans l'ouverture pour réduire la dimension de l'ouverture. De plus, la section 16 de gain direct n'est pas positionnée autour de l'ouverture dans les parois de la section 14 de stockage d'énergie thermique. La rotation relative peut se présenter sous la forme d'une rotation soit du récepteur 12 d'énergie solaire, soit du concentrateur solaire 18. Dans la première position qu'on voit sur la figure 3, les rayons solaires et l'énergie sont dirigés dans la section 14 de stockage d'énergie thermique pour la collecte et le stockage d'énergie solaire. Dans la seconde position qu'on voit sur la figure 4, les rayons solaires sont dirigés vers la section 16 de gain direct pour la chauffer pendant la phase de propulsion. Du propergol est amené depuis l'alimentation 30 en propergol à la section 14 de stockage d'énergie thermique en passant par la canalisation 32 o le propergol est préchauffé. Le propergol s'écoule ensuite vers la section 16 de gain direct en passant par la canalisation 34 o il est chauffé à la température de propulsion, puis est amené à la tuyère 22 à propergol en passant par la canalisation 28 pour produire une poussée. Bien que les moyens 20 soient illustrés sous la forme d'une vanne tournante ou à papillon sur les figures 1 et 2, d'autres types d'aiguillage mécanique pourraient être utilisés. L'isolant pourrait être introduit et sorti en coulissant, ou bien on pourrait utiliser un modèle tournant présentant des fenêtres. Une autre option consisterait à utiliser une isolation par espace radiatif (isolant à feuilles minces multiples) et à remplir l'espace d'un gaz pour "ouvrir" le flux thermique et chasser le gaz par pompage pour "fermer" le flux thermique. Les sections de stockage d'énergie thermique et de gain direct pourraient être formées de diverses matières. La matière pour le stockage d'énergie thermique doit avoir une chaleur spécifique élevée et doit être compatible avec l'hydrogène. Deux combinaisons de matières sont habituellement utilisées dans ces conceptions, du graphite avec un revêtement/placage de rhénium ou du nitrure de bore avec un revêtement/placage de tungstène. Cependant, d'autres combinaisons de matière sont possibles. La section de gain direct est avantageusement réalisée en rhénium. Cependant, d'autres métaux réfractaires sont possibles. Des matériaux composites hautement conducteurs peuvent également être utilisés s'ils peuvent être rendus compatibles avec l'hydrogène et peuvent contenir les charges de pression du propergol. L'invention a pour avantage de procurer à une fusée à gain direct des performances élevées (c'est-à-dire des temperatures élevées du propergol) en utilisant de petits collecteurs/concentrateurs comme ceux d'une fusée à stockage d'énergie thermique. Ceci permet à la fusée d'utiliser la technologie existante des collecteurs pour parvenir à des performances qui ne seraient autrement envisageables que dans un futur lointain. L'impulsion spécifique d'un tel système est deux à quatre fois supérieure à celle d'une fusée chimique classique et elle permet donc de mettre sur orbite à partir de n'importe quel lanceur des charges utiles notablement plus élevées. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la fusée héliothermique décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Fusée héliothermique, caractérisée en ce qu'elle comporte une section (14) de stockage d'énergie thermique; une section (16) de gain direct en communication de fluide avec la section de stockage d'énergie thermique; un concentrateur solaire (18) qui focalise l'énergie solaire vers la section de stockage d'énergie thermique et la section de gain direct; des moyens (20) destinés à diriger sélectivement l'énergie solaire provenant du concentrateur solaire soit vers la section de stockage d'énergie thermique, soit vers la section de gain direct; un conteneur (30) de stockage de propergol qui est en communication de fluide avec la section de stockage d'énergie thermique; et une tuyère (22) de propulsion en communication de fluide avec la section de gain direct. 2. Fusée selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens destinés à diriger sélectivement l'énergie solaire comprennent une isolation (24) entre la section de stockage d'énergie thermique et la section de gain direct, mobile entre une première position, ouverte, dans laquelle de l'énergie solaire est dirigée vers la section de stockage d'énergie thermique, et une seconde position, fermée, dans laquelle l'énergie solaire reste dans la section de gain direct. 3. Fusée selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens destinés à diriger sélectivement l'énergie solaire comprennent des moyens destinés à provoquer une rotation relative entre le concentrateur solaire et les sections de stockage d'énergie thermique et de gain direct.