Brevet FR2827641A1 — publié le 20030124

Procédé et système d'allumage de moteur cryotechnique et étage de lanceur comprenant un tel système d'allumage La présente invention concerne les lanceurs cryogéniques et plus particulièrement les systèmes d'allumage des moteurs cryotechniques de tels lanceurs. Les étages cryotechniques supérieurs des lanceurs nécessitent un système embarqué d'allumage du moteur cryotechnique qui doit être fiable et pouvoir réaliser plusieurs allumages successifs. Les solutions existantes utilisent des allumages électriques, du type à étincelle pour pré-combustion de produits de combustion ou à fil chaud pour combustion de charge pyrotechnique. Ces systèmes électriques sont lourds, délicats et chers, et de fiabilité réduite nécessitant parfois une redondance obérant encore les coûts. La présente invention a pour objet de proposer un système d'allumage moins lourd, moins onéreux et plus fiable, notamment pour des ré-allumages successifs, que les systèmes connus. Pour ce faire, l'invention propose un système d'allumage de moteur cryotechnique de lanceur comprenant : une source de gaz carburant et une source de gaz comburant, - un boîtier contenant au moins un catalyseur et ayant une entrée et une sortie reliées par au moins un conduit de gaz chaud au moteur, et des moyens pour faire passer sélectivement dans le boîtier un flux contrôlé d'un mélange de carburant et de comburant. La présente invention propose également un procédé d'allumage de moteur cryotechnique comprenant les étapes suivantes : - disposer de sources de gaz carburant et comburant, faire passer sélectivement un flux contrôlé d'un mélange des gaz carburant et comburant au travers d'un catalyseur pour provoquer une combustion avec éjection de gaz chaud à une température supérieure à 900 K, et amener les gaz chauds à la chambre de combustion du moteur pour allumer le mélange d'ergols du moteur. Selon un aspect de l'invention on fait passer dans le catalyseur le mélange de gaz à un rapport éloigné de la stoechiométrie et on réinjecte en aval, dans les gaz chauds, le complément de comburant/carburant pour créer une flamme. Selon un aspect de l'invention, la séquence d'étages ci-dessus est répétée au moins deux fois, jusqu'à cinq fois. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système d'allumage de base selon l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un tel système d'allumage. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, le système d'allumage d'un moteur cryotechnique 1 d'un étage de lanceur dans la chambre de combustion 2 duquel sont admis pour être brûlés un flux de fluide carburant 3, typiquement de l'hydrogène regazéifié, et un flux de fluide comburant 4, typiquement de l'oxygène liquide, comprend une source embarquée 5 de fluides carburant et comburant et un boîtier de réacteur 6 contenant au moins un catalyseur 7. Le boîtier 6 comprend une entrée 8 à laquelle est reliée une conduite 9 d'amenée d'un mélange de gaz provenant de la source 5 et une sortie 9 reliée à un conduit de gaz chauds 10 débouchant dans la chambre de combustion 2 du moteur 1. De façon plus spécifique, la source 5 comporte deux réservoirs de gaz séparés, l'un 11, contenant le carburant, l'autre 12, contenant le comburant, typiquement de l'oxygène gazeux. Le carburant 11 est avantageusement de l'hydrogène en raison de sa facilité d'allumage avec l'oxygène et son rendement thermique très élevé, ou un alkyle inférieur, typiquement du méthane, présentant également un rendement thermique élevé. Dans tous les cas, le catalyseur 7 est typiquement à base de platine, de palladium ou de rhodium, avantageusement sur des supports d'alumine en forme de bille ou de mousse à macropores. Selon l'invention, le mélange de carburant et de comburant, dans des proportions déterminées, s'échauffe lors de la traversée du boîtier de catalyseur 6 provoquant une combustion sans flamme du mélange, les produits de combustion ou gaz chauds éjectés du conduit 10 à une température supérieure à 900 K, typiquement supérieure à 1500 K, présentant une puissance thermique requise pour vaporiser, réchauffer et allumer les ergols cryogéniques du moteur 1. Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 permet de réaliser une combustion catalytique suivie d'une combustion contrôlée avec déflagration à un rapport de mélange propre de la stoechiométrie fournissant de faibles quantités de gaz chaud à très haute température (plus de 3000 K). La source de gaz est constituée de deux bouteilles d'hydrogène 11 et d'oxygène 12 à une pression d'environ 200 bars et d'une bouteille additionnelle de gaz neutre 13, typiquement de l'hélium, pour balayer les canalisations de gaz après un premier allumage. Comme dans la figure 1, les deux bouteilles 11 et 12 sont reliées, via des vannes de contrôle de débit 17,18, à l'entrée commune 8 du boîtier 6 de catalyseur 7 mais la conduite de sortie de la bouteille d'oxygène 11 est en outre reliée en différents points A, B, C du conduit de gaz chauds 10 par des conduits parallèles 14,15, 16, les débits d'oxygène injectés aux différents points 8, A, B, C, étant obtenus par exemple des restrictions ou orifices calibrés comme représenté sur la figure 2. Un tel agencement permet, avec deux bouteilles d'oxygène et d'hydrogène de cinq litres chacune, de réaliser cinq allumages d'une durée de deux secondes chacun. La première combustion catalytique est effectuée en injectant dans le catalyseur 7 l'hydrogène en présence d'environ 5 % du débit nominal d'oxygène, la combustion se déroulant alors entre 900 et 1000 K, ce qui est insuffisant pour dégrader le catalyseur 7, garantissant ainsi les auto-inflammations ultérieures des gaz. Avec une masse de catalyseur inférieure à 1 kg, l'ensemble du dispositif d'allumage représenté sur la figure 2 n'excède pas 25 kg. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais elle est susceptible de modifications et de variante qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on peut regrouper le carburant et le comburant, dans des pourcentages très éloignés de la stoechiométrie ou en faible quantité en mélange dans un gaz neutre, tel l'argon, dans un seul réservoir alimentant l'entrée 8 du boîtier de catalyseur 6, l'énergie thermique étant alors principalement délivrée par une plus grande quantité de gaz à moyenne température (environ 1000 K). REVENDICATIONS 1. Système d'allumage de moteur cryotechnique de lanceur, caractérisé en ce qu'il comprend : une source (11) de gaz carburant, une source (12) de gaz comburant, un boîtier (6) contenant au moins un catalyseur (7) et ayant une entrée (8) et une sortie (9) reliée par au moins un conduit de gaz chauds (10) au moteur (1), et des moyens (17,18) pour faire passer sélectivement dans le boîtier (6) un flux d'un mélange de carburant et de comburant. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carburant est l'hydrogène. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carburant est un alkyle inférieur. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le comburant est l'oxygène. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une conduite (14,15, 16) reliant la source d'oxygène (11) au conduit de gaz chauds (10). 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur (7) contient du platine. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources de gaz (11,12) sont des bouteilles de gaz. 8. Etage de lanceur comprenant un système d'allumage selon l'une des revendications précédentes. 9. Procédé d'allumage de moteur cryotechnique, caractérisé en ce qu'il comprend la série d'étapes suivante : - disposer de sources de gaz carburant et comburant, faire passer sélectivement un flux contrôlé d'un mélange des gaz carburant et comburant sur un catalyseur pour provoquer une combustion avec éjection de gaz chauds à une température supérieure à 900 K, et amener les gaz chauds à la chambre de combustion du moteur pour allumer le mélange d'ergols du moteur. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on fait passer le mélange de gaz sur le catalyseur à un rapport éloigné de la stoechiométrie. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'injection de gaz comburant dans les gaz chauds. 12. Procédé selon l'une des revendications 9 et 11, caractérisé en ce qu'on répète au moins deux fois la série d'étape de la revendication 9.