Brevet FR2809775A1 — publié le 20011207

L'invention concerne de façon générale fusées ' iothermiques, et plus particulièrement l'utilisation de modules de stockage d'énergie thermique dans fusées ' iothermiques. Les fusées héliothermiques ont été proposées pour la première fois en 1954 en tant que moyen pour produire une impulsion spécifique supérieure à celle fusées chimiques. Les fusées héliothermiques utilisent 'énergie solaire pour chauffer un propergol (habituellement de 'hydrogène) à des températures extrêmement élevées, puis expulser le gaz à travers une tuyère pour produire une poussée. La haute température et la faible masse moléculaire du propergol se combinent pour produire une impulsion spécifique deux à quatre fois supérieure à celle d'une fusée chimique. En général, les fusées heliothermiques étaient de conception "à gain direct", selon laquelle le propergol est chauffé directement par la lumière solaire concentrée incidente pendant une combustion propulsive. Les moteurs à gain direct peuvent fonctionner à températures très élevées (théoriquement supérieures à 3000 K), ce qui donne une impulsion spécifique très élevée (théoriquement supérieure à 950 secondes (idéal) pour l'hydrogène). Des limitations matérielles abaissent habituellement l'impulsion spécifique idéale réalisée à moins de 900 secondes. L'inconvénient des systèmes à gain direct est qu'ils nécessitent des concentrateurs solaires primaires très grands, à rendement élevé (seul ou en combinaison avec des concentrateurs secondaires) pour produire la puissance élevée demandée pour élever la température du propergol à des niveaux de fonctionnement souhaités pour donner des niveaux de poussée intéressants. A jour, ces concentrateurs primaires n'existent pas. De plus, les systèmes à gain direct doivent pointer continu leurs concentrateurs avec précision vers le soleil pendant la production de la poussée. Ceci impose un cout portant les exigences de pointage et de poursuite de l'ensemble du système ainsi que sur la commande du vecteur poussée du moteur pour assurer que la poussée est continuellement exercée dans la direction demandée. Les systèmes à énergie thermique stockée collectent et stockent l'énergie solaire incidente sur une période relativement longue puis transmettent l'énergie au propergol pendant une combustion propulsive courte. La conception du stockage de l'énergie thermique résout le problème du concentrateur primaire en utilisant des concentrateurs primaires plus petits, existants, pour collecter et stocker l'énergie solaire sur une ou plusieurs périodes orbitales, puis en utilisant l'énergie stockée pour chauffer le propergol sur une combustion produisant une pulsation courte. Plusieurs de ces cycles d'échauffement et de combustion (cycles de charge/décharge) sont exécutés pour amener le satellite à sa destination. Plus la période de charge de chaque cycle est longue plus le concentrateur primaire peut être petit. Cette approche permet donc l'utilisation des technologies de concentrateur primaire existantes pour développer un système opérationnel, et permet des niveaux de poussée plus élevés, car la poussée n'est plus dépendante des dimensions du concentrateur primaire. De plus, les opérations de poussée peuvent être exécutées sans qu'il soit nécessaire de maintenir le pointage sur le soleil pendant la man#uvre de propulsion, simplifiant ainsi le matériel et le logiciel de pointage et de poursuite. systèmes à énergie thermique stockée ut isent habituellement soit une matière à changement de phase (qui stocke l'énergie dans la chaleur latente.associee au passage d'un état solide à un état liquide ou d' état liquide à un état gazeux), soit des matières ides, légères, à haute capacité calorifique (qui stockent l'énergie sous la forme de chaleur sensible). Les systèmes à changement de phase fonctionnent habituellement ' des températures plus basses tandis que les systèmes à chaleur sensible peuvent fonctionner à des températures très élevées. Cependant, ces systèmes sont affectés 'un certain nombre d'inconvénients. L'inconvénient principal dans les systemes à haute température est que les matières de stockage d'énergie (habituellement du graphite enrobé de rhénium ou du nitrure de bore enrobé de tungstene) ont des températures limites inférieures à celles des systèmes à gain direct. on a besoin de systèmes à deux matières car les matières à haute chaleur spécifique utilisées en tant que milieux de stockage thermique tendent a avoir des pressions de vapeur élevées et à réagir chimiquement avec le propergol constitué d'hydrogène. Un revêtement des milieux de stockage avec des métaux ou des céramiques pour haute température est nécessaire pour obtenir une longue durée de vie. Les températures auxquelles les systèmes à gain direct peuvent fonctionner mettent en péril la stabilité des matières de ces systèmes combinés. Pour compenser ce défaut, un moyen conçu pour le stockage d'énergie thermique doit fonctionner à des niveaux de poussée plus élevés pour parvenir à délivrer la même impulsion. Les conceptions antérieures cherchaient à appliquer les minces revêtements protecteurs directement sur matière de stockage et à faire appel à la matière de stockage pour servir d'élément de structure. général, ceci était très difficile à obtenir de façon constante. Etant donné que le revêtement sert de limite pression, il doit être hermétiquement fermé. Si une région quelconque du revêtement s'avère présenter une fuite, surface entière doit être de nouveau revêtue jusqu'à ce que toute fuite soit éliminée. La maîtrise et la fiabilité de la fabrication sont donc pratiquement impossibles à obtenir. En outre, un défaut du revêtement ou des problèmes se posant pendant le processus d'application du revêtement peuvent rendre la pièce inutilisable. Un autre inconvénient est , étant donné que la matière de stockage sert d'élément de structure, toute variation de dimension impose un processus de conception, de fabrication et de qualificat' de la conception totalement nouveau. L'invention aborde le besoin indiqué ci-dessus. I1 est proposé fusée héliothermique modulaire qui reçoit et absorbe de 'énergie solaire et agit ensuite en tant qu'échangeur de chaleur pour produire une poussée propulsive. récepteur/absorbeur/échangeur (RAX) est constitué plusieurs modules de stockage 'énergie thermique. modules de stockage d'énergie thermique (MET) reçoivent et stockent de l'énergie solaire par l'intermédiaire d'éléments de stockage d'énergie thermique (SET) prevus dans chaque module. L'énergie solaire provenant concentrateur primaire est focalisée dans un concentrateur secondaire qui focalise, lui-même, lumière solaire dans la cavité qui est formée par les modules de stockage 'energie thermique groupés. Un préchauffeur est positionné de façon à être adjacent au concentrateur secondaire est en communication de fluide avec une alimentation en propergol et un collecteur commun qui alimente extrémité de chacun des modules stockage d'énergie thermique. Une tuyère de propulsion est en communication de fluide avec l'extrémité opposée des modules de stockage d'énergie thermique. Un propergol stocké est dirigé à travers le préchauffeur et les modules de stockage d'énergie thermique où il est porté à une température élevée. Le propergol est ensuite dirigé vers la tuyère de propulsion où il est déchargé dans l'espace pour produire une poussée propulsive. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 illustre schématiquement, en coupe partielle, l'invention; la figure 2 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie d'un détail de l'invention; et la figure 3 est une vue en perspective de 'invention dont l'isolation est enlevée. En reférence aux dessins, on voit sur les figures 1 et 2 que l'invention est indiquée de façon générale par la référence numérique 10. Une fusée héliothermique 10 est constituée généralement d'un ou plusieurs modules 12 de stockage 'énergie thermique, d'un concentrateur secondaire 14 et d'une tuyère 16 de propulsion. Chaque module 12 de stockage d'énergie thermique est formé d'une enceinte 18 sous pression, d' tête de tranquillisation d'entrée 20, d'une tête de tranquillisation de sortie 22, d'un distributeur d'écoulement 24 et d'éléments imbriqués 26 de stockage d'énergie thermique. Les éléments 26 de stockage d'énergie thermique sont concentriques les uns aux autres. Chaque élément de stockage 26 est formé d'une matière de stockage de la chaleur (habituellement du graphite ou du nitrure de bore) recouverte d'un revêtement protecteur en métal ou en céramique (habituellement en rhénium, en tungstène ou en un carbure métallique pour hautes températures). Une structure intérieure de support et de positionnement 28 maintient les positions relatives des éléments de stockage 26. Chaque module 12 de stockage d'énergie thermique est réuni à une chambre commune 30 de tranquillisation d'entrée et une chambre commune 32 de tranquillisation de sortie. La chambre de tranquillisation de sortie elle-même raccordée par une canalisation 34 à la tuyère 16 de propulsion. La chambre commune 30 de tranquillisation d'entrée est raccordée par une canalisation 36 à un préchauffeur 38. . Le prechauffeur 38 est monté de façon à etre adjacent au concentrateur solaire secondaire 14 pour que celui-ci constitue une source de chaleur pour le préchauffeur 38. Les modules 12 de stockage d'énergie thermique, la chambre commune 32 de tranquillisation de sortie et la canalisation 34 sont entourés d'une isolation 40. Des première et seconde armatures 42, 44 sont prévues à chaque extrémité de la fusée héliothermique 10 pour supporter l'ensemble à l'intérieur d'un satellite, non représenté. En fonctionnement, de la lumière solaire focalisée provenant d'un ou plusieurs concentrateurs solaires primaires 46, voir figure 1, arrive au concentrateur solaire secondaire 14 où elle est encore concentrée avant d'entrer dans la cavité solaire 48 définie par modules de stockage d'énergie thermique. L'énergie solaire concentrée est absorbée par les éléments 26 stockage énergie thermique, élevant ainsi leur température. Un propergol à une seule phase ou à deux phases provenant d'un réservoir 50 d'alimentation en propergol est dirigé vers le préchauffeur 38 en passant par une canalisation et une vanne de commande 54. Le préchauffeur 38 convertit le propergol en un gaz à une seule phase (s'il fourni initialement sous la forme d'un fluide à deux phases) et/ou chauffe le propergol à une température intermédiaire. Le préchauffeur 38 reçoit de l'énergie rayonnante provenant du concentrateur solaire secondaire 14 sous forme chaleur excédentaire. Le gaz préchauffé est ensuite réparti de façon égale vers chacun des modules 12 stockage 'énergie thermique en passant par la canalisation 36 et la chambre commune 30 de tranquillisation d'entrée. Le gaz reparti entre dans la tête d'entrée 20 où il arrive sur le distributeur d'écoulement 24 qui distribue 1 écoulement vers chacun des éléments 26 de stockage d'énergie thermique à l'intérieur de l'enceinte 18 sous pression. Le gaz s écoule à travers un espace annulaire concentrique formé par les éléments imbriqués 26 de stockage d'énergie thermique où il est chauffé à des températures très élevées, puis il est collecté dans la tête 22 de tranquillisation de sortie. Le gaz est dirigé depuis la tête 22 de tranquillisation de sortie vers chambre commune 32 de tranquillisation de sortie puis vers la tuyère 16 de propulsion en passant par la canalisation de raccordement 34. Le propergol chauffé produit une poussée en s'échappant dans l'espace à partir de la tuyere de propulsion 16. L'invention procure plusieurs avantages. La fusée héliothermique de l'invention est capable de délivrer une impulsion spécifique notablement supérieure (en moyenne supérieure à 750 secondes) à celle des systèmes de fusées chimiques (350 à 400 secondes) tout en maintenant cependant des niveaux de poussée raisonnablement élevés (jusqu'à 300 N dans une conception à moteur/concentrateur double). Le récepteur/absorbeur/échangeur élimine une grande part' de la complexité de fabrication pour un système de propulsion dimensionné pour le vol du fait que la conception d'ensemble est basée sur quelques constituants essentiels qui peuvent être aisément assemblés en un système complet. Du fait de la souplesse propre à leur conception, des modules identiques peuvent être construits ensuite assemblés pour qu'on obtienne les niveaux de poussée demandés, lesquels sont adaptés aux exigences missions. Suivant les exigences des missions et l'équilibre des installations, la fusée héliothermique de l'invention peut être aisément assemblée en utilisant autant de modules de stockage d'énergie thermique qu'il est nécessaire. La conception du module de stockage d'énergie thermique suit également une approche modulaire. Plusieurs éléments annulaires de stockage de la chaleur sont imbriqués, les uns à l'intérieur des autres, pour obtenir la masse thermique souhaitée demandée. Le groupement imbriqué des éléments de stockage d'énergie thermique est ensuite chargé dans l'enceinte sous pression du module de stockage d'énergie thermique et est fixé en place. Cette conception rend indépendante l'enceinte sous pression des éléments de stockage d'énergie thermique en graphite. Ainsi, un traitement en parallèle de chaque élément intérieur de stockage d'énergie thermique et de l'enceinte extérieure sous pression en rhénium devient possible, réduisant ainsi les coûts et raccourcissant les temps de construction du systeme. La conception offre également la possibilité de modifier la géométrie du module de stockage d'énergie thermique, principalement dans la direction axiale, mais à un certain degré dans la direction radiale aussi (l'option de 3, 4, ou davantage, cylindres concentriques de stockage d'énergie thermique est possible), sans impact notable sur la conception d'ensemble. Enfin, cette approche permet d'assouplir les spécifications de fabrication des éléments de- stockage d'énergie thermique. Il n'est pas nécessaire que le rhénium appliqué par dépot chimique en phase vapeur sur le graphite soit hermétique (comme dans une démarcation de pression) et la géometrie est une géometrie très simple à usiner et à recouvrir. Il en résulte une plus grande fiabilité. Des niveaux de poussée élevés, une grande souplesse des missions et des coûts affinés deviennent possibles avec une approche modulaire. Les systèmes de propulsion à énergie stockée sont inédits par le fait l'impulsion spécifique Isp délivrée est pratiquement constante pendant les périodes prolongées. L'impulsion spécifique élevée aux niveaux de poussée associés aboutit à une conception qui donne des performances supérieures à cel des modèles héliothermiques précédents et qui depassent les performances des systèmes chimiques actuels tout en procurant une grande souplesse de mission pour les opérateurs de satellite. Les performances accrues et la meilleure sensibilité de la conception permettent également un certain nombre d'opérations par satellite qui sont actuellement impossibles du fait de la masse des manques d'efficacité des propergols associés aux systèmes de fusées chimiques actuels. La conception modulaire permet de fabriquer en parallèle les constituants respectifs, réduisant ainsi le temps et le coût d'ensemble de la fabrication. La souplesse de fonctionnement associée à la conception et la souplesse de fabrication donnent un concept nominal global pouvant satisfaire aux besoins d un ensemble d'utilisateurs extrêmement divers. doit comprendre que la configuration illustrée et décrite peut être modifiée. L'invention peut être constituée de plusieurs modules de stockage d'énergie thermique dans l'une ou l'autre d'une configuration à un ou deux récepteurs/absorbeurs/échangeurs. Les éléments de stockage d'énergie thermique et les matières de revêtement peuvent être constitués de matières qui ne sont mentionnées de façon spécifique telles que des céramiques des familles du carbure, du nitrure ou du borure. éléments annulaires de stockage d'énergie thermique peuvent être constitués plutôt de plaques empilées d'un certain nombre de diverses manières qui permettent le passage du propergol entre des plaques individuelles ou des groupes de plaques similairement à ce qui a été indiqué dans la description de l'invention. On peut utiliser dans n'importe quelle configuration donnée plus d'un concentrateur secondaire ou aucun concentrateur secondaire. On peut incorporer dans l'ensemble plus d'une tuyère de propulsion, de meure qu'un nombre varié de modèles de chambre intermédiaire et de modes de fabrication. 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 plusieurs modules (12) de stockage d'énergie. thermique ayant des première et seconde extrémités et agencés façon à définir une cavité héliothermique (48) un concentrateur (14) d'énergie solaire positionné de façon à être acent aux modules de stockage d'énergie thermique afin de diriger de l'énergie solaire dans la cavite héliothermique définie pour que les modules absorbent ainsi l'énergie héliothermique; un conteneur (50) de stockage propergol en communication de fluide avec la première extrémite des modules de stockage d'énergie thermique; une tuyere (16) de propulsion en communication de fluide avec la seconde extrémité des modules de stockage d'énergie thermique. 2. Fusée héliothermique selon la revendication , caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un préchauffeur (38) en communication de fluide avec le conteneur de stockage de propergol et la première extrémité des modules de stockage d'énergie thermique. 3. Fusée héliothermique selon la revendication 1 caractérisée en ce que les modules de stockage d'énergie thermique sont en communication de fluide avec la tuyère de propulsion par l'intermédiaire d'une chambre commune de tranquillisation de sortie. 4. Fusée héliothermique selon la revendication caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une isolation (40) placée autour des modules de stockage d'énergie thermique. 5. Fusée héliothermique selon la revendication caractérisée en ce que les modules de stockage d'énergie thermique comprennent une enceinte (18) sous pression; une tête tranquillisation d'entrée (20) à la première extrémite de l'enceinte sous pression; une tête de tranquillisation de sortie (22) à la seconde extrémité de l'enceinte sous pression; et plusieurs éléments (26) de stockage énergie thermique logés dans l'enceinte sous pression. 6. Fusée héliothermique selon la revendication 5, caractérisee en ce qu'elle comporte en outre un distributeur d'écoulement (24) dans la tete de tranquillisation d'entrée de l'enceinte sous pression. 7. Fusée héliothermique, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs modules (12) de stockage énergie thermique ayant des première et seconde extrémités et agencés façon à définir une cavité héliothermique (48); une isolation (40) placée autour des modules de stockage d'énergie thermique; un concentrateur (14) énergie solaire placé de façon à être adjacent aux modules de stockage énergie thermique de manière à diriger de l'énergie solaire dans la cavité héliothermique definie de façon les modules de stockage d'énergie thermique absorbent 1 énergie thermique du soleil; un conteneur (50) de stockage de propergol en communication de fluide avec la première extrémité des modules de stockage d'énergie thermique, une tuyère (16) de propulsion en communication de fluide avec la seconde extrémité des modules de stockage d'énergie thermique; et un préchauffeur (38) en communication de fluide avec le conteneur de stockage de propergol la première extrémité des modules de stockage d'énergie thermique. 8. Fusée héliothermique selon la revendication 7, caractérisee en ce que les modules de stockage d'énergie thermique sont en communication de fluide avec la tuyère de propulsion par- l'intermédiaire d'une chambre commune (32) de tranquillisation de sortie. 9. Fusée héliothermique selon la revendication 7, caractérisée en ce que les modules de stockage d'énergie thermique comprennent une enceinte sous pression (18); une tête de tranquillisation d'entrée (20) à la première extrémité de l'enceinte sous pression; une tête de tranquillisation de sortie (22) à la seconde extrémité de l'enceinte sous pression; plusieurs éléments (26) de stockage d'énergie thermique logés dans l'enceinte sous pression. 10. Fusée héliothermique selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un distributeur d'écoulement (24) dans la tête de tranquillisation d'entrée de 'enceinte sous pression.