Brevet FR2823800A1 — publié le 20021025

qu'un système d'empilement créant une poussée importante sans réversibilité. 2823800 7 La présente invention conceme un propulseur pour voyager dans l'espace puisque, comme les moteurs fusoes, il peut fonctionner dans le vide et est indépendant du milieu extérieur pour générer sa poussée. Actuellement seuls les moteurs fusées peuvent générer une poussée dans le vide. Le principe est assez vieux puisqu'il fut inventé par les artrficiers chinois. Depuis, ii fut repris et beaucoup amélioré, mais ie concept est resté le même. Il consiste à expulser avec force de la matière, généralement un gaz de combustion, ou un simple gaz sous pression pour les petites poussées, dans une direction ce qui par réaction génère une poussoe dans l'autre sens. C'est aussi le principe du recui du canon lorsqu un obus est tiré. Ce principe fut le seul exploité jusqu'à ce jour par les lanceurs de satellites. Il pemmit à l'homme d'ailer sur ia lune. L'inconvénient majeur réside dans le fait qu'il est extrémement dispendieux en énergie. Il impose d'avoir des masses énormes de carturant et comburant au moment du décollage. Généralement la masse utile (sateliite) ne représente gère plus de 1% de la masse globale au décollage. Depuis queique temps, il s'est développé une technologie de propuiseur indépendant du milieu extérieur c'est-à-dire ne prenant pas appui sur le milieu extérieur. Il s'agit des propuiseurs exploitant des différences de pressions générées par centrifugation de fluide à i'intérieur d'une enceinte close. Le concept est simple: pour obtenir une poussoe il faut un déséquilibre de forces tel qu'une différence de pression entre les deux faces d'une paroi: par exemple: I'aile d'avion est un plan profilé qui se déplace linéairement avec une certaine incidence dans une masse d 'air. La pale d' hélice c'est aussi u n plan profilé qui se déplace en spirale dans une masse d'air (ou d'eau); idem pour la pale de rotor d'hélicoptère ou de turbine. 2 0 On exploite donc un " vent relatif" qui augmente la pression sous intrados et la diminue sur l'extrados. De cette dmérence de pression na^t un déséquilibre des forces qui génère une poussée. La nouvelle technologie exploite eile aussi un vent relatif qui se déplace rapidement face à un plan profilé de forte incidence. L'originalité est que ce vent est centrifuge et qu'il est généré perpendiculairement à l'axe d'une turUine centrifuge. Une autre particularité de cette techrologie vient aussi du fait que le pian profilé 2 5 avec une forte incidence qui se trouve placé dans ce vent relatif centrifuge, appartient à cette même turUine de centrifugation. Cette turtine particulière a donc le double rôle de générer le flux de fluide et de l'exploiter. Du fait de ses particularités, certains la compare à un compresseur centrifuge qui aurait un très fort balourd latéral monodirectionnel réagissant parallèlement à l'axe-de rotation. Ainsi le fluide subit une accélération radiale pendant tout le temps de son écoulement contre le plan incliné 3 O jusqu'à son expuision en périphérie. Ceci est important car le flux centrifugé n'obéit plus aux régles classiques des écoulements aérodynamiques réquliers. Le facteur y, très important plaque le flux contre l'intrados du plan et le décolle totalement de l'extrados. Rappelons que appelé accélération latérale ou encore force centrifuge est égale à W2 R ou V2 / R Du fait de, le plan incliné n'est donc pas un simple déflecteur. En périphérie le flux s'échappe 3 5 perpendiculairement à l'axe et non pas en suivant la pente de la paroi comme le ferait un flux sans. Cet échappement radial, perpendiculaire à l'axe, n'a donc pas de composante axiale, ce qui permet de le ramener dans le moyeu central par les deux extrémités du rotor, sans créer de réaction qui nuirait à la poussée. . - 2 Ce type de propuiseur peut donc s'exploiter en enceinte totalement close puisque l'échappement périphérique, perpendiculaire à l'axe, ne peut créer une surpression que sur la partie latérale de l'enveloppe, parallèle à l'axe de rotation et de poussée. La réaction de l'enveloppe n'a donc pas de composante axiale s'opposant à la poussée générée. Les dispositifs actuels à flux axial (hélices, réacteurs, moteurs fusoes), n'offrent pas c'est énorme avantage qui permet une poussce depuis l'intérieur d'une enceinte close, indépendamment du milieu extérieur (vide spatial, vitesse hypersonique, milieu gazeux ou liquide, toxique ou corrosif, etc.;). Ceci pemmet aussi d'exploiter pour la centrifugation, le fluide le mieux adapté et ce, à la pression souhaitée en toute indépendance du milieu extérieur. Toutefois ce type de propulseur nécessite un moteur pour sa mise en rotation. Or les moteurs facilement utilisables actuellement, ne sont pas indépendants du milieu extérieur. La turbomachine exploitée par les héncoptères consomme l'oxygéne de l'air et se trouve de ce fait limitée en altitude. Le moteur électrique nécessite un stockage de l'électricité pour l'ailmenter. Les moteurs fusoes fonctionnent parfaitement dans le vide mais ils sont inexploitables pour mettre en rotation l'artre de ce propulseur. La présente invention propose donc une technologie de propuision associant plusieurs propulseurs centrifuges à une turtine spéciale capable à la fois de fonctionner dans le vide et d'entraner en rotation les rotors des propulseurs. Un de ces propuiseurs fonctionnera en enceinte close telle que décrit dans de précédents brevets. Deux autres propuiseurs du même type centrifuge seront exploités l'un à la suite de l'autre suivant le principe lui aussi décrit dans un brevet du même auteur relatif à l'exploitation des gaz 2 0 d'échappement d'une turbomachine(l 1) type hélicoptère. La turbomachine de mise en rotation des Mtors devant fonctionner dans le vide, elle utilisera un mélange carburant(l 5) et comburant(16) comme par exempie H2 et 02. L'oxydation totale de H2 dogage énommément de chaleur et forrne donc de la vapeur d'eau sous pression. Pour des raisons de tenue des matériaux constituant les étages d'aubes de la turbomachine(l l), le gaz issu 2 5 de la chambre de combustion(7) étant trés chaud, voire trop chaud, il peut être judicieux d'injecter(l7) un gaz d'expansion qui aura alors deux rôles, le premier sera de faire baisser la température à l'entrée du turbomoteur donc en sortie de la chambre de combustion(7), le second sera d'augmenter par son apport, la pression et la densité du mélange gazeux à turbiner. Pour des raisons écologiques limitant le choix de ce gaz d'expansion, ce gaz ne devra par réagir chimiquement avec la vapeur d'eau créée dans la chambre. Ces trois gaz seront stockés sous fomme liquide dans 3 réservoirs indépendants. Les pompes d'alimentation(8) seront placées autour de la chambre de combustion(7) laquelle est annulaire ou demi hémisphérique. Ainsi le mélange gazeux (vapeur d'eau et gaz d'expansion) après avoir servi à actionner les étages du turbomoteur(l l) servira de fluide de centrifugation dans un propuiseur placé à la sortie de celle-ci et monté 3 5 sur le même axe(4). Le nombre d'éléments de flasques coniques du rotor du propulseur centrifuge sera fonction du déLit de la vapeur (+ gaz) exploité par la turbomachine. Toutefois cette vapeur centrifugée ne servant que de fluide de - 3 centrifugation dans le propuiseur, pourra être à nouveau exploitée dans un deuxième propulseur dont le nom bre d'étéments correspond ra lui aussi au débit de vapeur (+ g az) donc identique au premier. A la sortie ce cet autre propuiseur le mélange gazeux (vapeur + gaz d'expansion) s'échappera définitivement du système. Si carburant et comburant sont autres que H2 et 02, le mélange gazeux sera constitué des gaz s de combustion et du gaz d'expansion. Il est à rappeler que dans ce type de propuiseur on peut privilégier la dépression sur l'extrados des éléments de flasques en couronne conique plutôt que la surpression sous l'intrados. Ceci évite d'exploiter des débits de fluide important. D'autre part l'énergie de mise en rotation est fonction de la masse de fluide centrifugé. Il pourrait donc être envisageable d'instailer un troisième propuiseur identique aux deux premiers lequel exploiterait à son tour ce même gaz d'expulsion. Or le débit de gaz exploité par la turbomachine correspond à une certaine puissance de mise en rotation de l'ensemble du propulseur. Ce déhit de gaz va détemminer le nombre d'éléments coniques de chacun des 2 propulseurs. Au nombre d'éléments de ces 2 propulseurs va correspondre une certaine fraction de la consommation de la puissance foumie par la turbomachine. D'après les estimations, ii reste suffisamment d'énergie pour pouvoir entrâner un troisième propuiseur mais celui-ci n'aura pas forcément le même nombre d'éléments coniques donc un débit différent. D'autre part le rendement des pro p uiseurs en e ncei nte close so us pression de g az lou rd s semble me il leu r. Voi là pourq uoi le tro is ième propuiseur à tout intérêt à étre un propuiseur en enceinte close. Ainsi ce troisième propuiseur sera placé en tête d'arbre de rotation. Cet ardre de rotation sera donc commun au propulseur en enceinte close, au turbomoteur, et au deux propuiseurs exploitant en série, I'un aprés l'autre, le mélange gazeux exploité par le turbomoteur. Les dessins annexés illustrent linvention. La figure l représente une coupe selon l'axe central de rotation de l'ensemble du propuiseur. La figure 2 représente trois éléments de flasques(2) en couronnes coniques avec leurs cloisons(14) radiales droites constituant les alvéoles(1) centrifuges. 2 5 La figure 3 représente une vue par dessus d'un élément de flasque en couronne conique avec!es cloisons radiales droites, entouré du manchon cylindrique d'extraction(() La figure 4 représente une vue par dessus d'un élément de flasque en couronne conique avec les cloisons radiales courbes, entouré du manchon cylindrique d'extraction. En référence à ces dessins ce propuiseur est constitué de 3 unités de propulsion mis en rotation par une turbomachinet11) particulière installée sur l'axe commun(4). Cet ensemble cylindrique est contenu dans une stnucture(10), elle-même cyiindrique, incorporée en un ou plusieurs exemplaires au vehicuie spatial. Ce propulseur comportera tout d'abord un propulseur à flasques coniques(2) en couronne de plusieurs éléments, fonctionnant en enceinte close tel que décrit dans de précédents brevets du même auteur. Ce type 3 5 de propuiseur est constitué d'un empilement plus ou moins important de flasques coniques en couronnes. La pente du cône est d'environ 45 . Les flasques sont séparés entre eux par des cloisons(l4) radiales droites ou courbes perpendiculaires à ia surface des cônes ce qui constitue des aivéoies(l) centrifuges. - 4 Le moyeu central est creux afin de permettre la circulation du gaz et sa distribution dans les alvéoles. L'axe central est constitué de l'artre(4) d'entrânement des rotors qui est commun aux trois propuiseurs et à la turbomachine. Chaque alvéole(1) comporte donc une première partie perpendiculaire à i'axe destiné à la mise en rotation rapide du gaz. Elle ne génère aucune poussée. C'est la que se trouve le déflecteur(3) destiné à ressenrer le flux contre l'intrados du flasque(2). La deuxième partie est conique avec une pente de 45 . C'est là qu'est généré la poussée du fait de la différence de pression exercée entre les 2 faces de chaque flasques(2). L'enveloppe(13) de ce premier propuiseur pemmet la circulation appropriée du gaz lourd sous pression centrifugé, de manière à ce qu'il puisse revenir facilement dans le moyeu central par les deux extrémités de ce rotor et ce sans créer de réaction négative venant se soustraire à la poussee générée par les flasques. Le rotor constitué par l'empilement des flasques coniques est entouré par un manchon extracteur(5) dont les pales parallèles à l'axe, éloigne du fait de leur incidence les molécules du gaz centrifugé lorsqu'elles sortent des alvécles. Ce manchon extracteur(5) est maintenu en place par des entretoises(6) profilées qui le relient à la stnucture(10) et qui pemmettent ia libre circuiation du gaz. L'empilement de flasques coniques constituant le rotor du propuiseur, est lui-même relié à son arbre(4) d'entranement par des entretoises(6) profiiées laissant circuler le gaz. A ses deux extrémités cet artre d'entrânement comporte une efficace butée(9) axiale qui doit pouvoir transmettre la poussée générée malgré la vitesse de rotation rapide. Les roulements utilisés sur les turbomachines et autres réacteurs d'avions sont parfaitement adaptés à cette fonction. On trouve ensuite la turbomachine(l 1) qui a la particularité de pouvoir fonctionner dans le vide spatial. De ce fait elle ne possède pas de compresseur et la chambre de combustion(7) est alimentée directement en carturant(lS et comburant(16) par des pompes(8). Dans le cas o l'on exploite de l'hydrogène et de l'oxygéne liquide on produit de la vapeur d'eau sous haute température. Le but de cette turbomachine est de mettre en rotation l'arbre d'entranement(4) des 3 propuiseurs. Elle comporte donc plusieurs étages de roues à ailettes exploitant ce flux de vapeur. Compte tenu de la température de la vapeur produite dans la chambre 2 5 de combustion ii est intéressant d'injecter(17) à la sortie de cette chambre donc à l'entrée des roues de la turbine, un gaz d'expansion. Stocké à l'état liquide ce gaz va instantanément se vaporiser ce qui fera baisser la température de la vapeur d'eau et augmentera sa pression ou tout au moins sa densité par son apport. Ce mélange pourra être plus facilement et mieux utilisé par la turbomachine. A la sortie de cette turbomachine ce mélange aura cèdé son énergie à celle-ci et sera détendu en grande partie. Il pourra toutefois être utilisé en tant que simple fluide de centrifugation dans les deux propulseurs installé sur l'axe principal d'entrainement. Ces deux propuiseurs sont ex tement du même type que le premier c'est-à-d ire constitué d'un empilement de flasques coniques(2) alvéolés. La seule différence résid ant dans le fait que pour eux le fluide ne tourne pas en circuit femmé. En effet le mélange gazeux après sa centrifugation dans le propulseur situé à la sortie de la turUine s'échappera directement dans le moyeu du 3sdernier propuiseur pour être utilisé une deuxième fois puis s'échappera définitivement dans l'espace extérieur. Le nombre d'éléments de flasques coniques sera le même pour ces deux propulseurs identiques puisque le déUit du mélange gazeux sera le même. - 5 Les enveloppes(13) de ces deux propuiseurs seront légèrement coniques de manière à conduire convenablement le flux gazeux vers l'arRère. D'autre part on peut constater que cette enveloppe(l3) est soumise à la surpression due à l'échappement perpendiculaire à l'axe du mélange gazeux à la sortie des alvéoles(l) ce qui produit une poussée positive sur la structure du fait de la légére pente de cette enveloppe conique. L'échappement dans l'espace extéReur de ce demier propuiseur-se fait à faible pression et ne produit pratiquement aucune poussée par réaction par rapport à la poussée générée par la différence de pression exercée entre les deux faces de chaque flasque des empiiements de ces trois propulseurs centrifuges. Pour la réalisation de cet ensemble de propuision les matéRaux et techniques déjà utilisés dans I'aéronautique sont parfaitement adaptés. On remarquera que pour ce qui conceme les deux demiers propulseurs en cascade la structure du rotor constituée par l'empilement des,asques est reliée à l'axe(4) par des entretoises(6) profilées côté amont (avant) alors qu'à l'arrière elle est reliée directement sur l'axe dont le diamétre de la gaine(l2) le protégeant est augmenté. Ceci pemmet d'obturer le moyeu et de contraindre la totalité du mélange gazeux à se distRbuer réqulièrement dans tous les alvéoles de l'empilement et de pennettre le support de l'empilement sans entretoises. Ainsi les variations du diamètre de la structure cylindrique, gainant l'arUre central sur la totalité de sa longueur contRbue à faciliter une bonne distribution du fluide dans l'ensemble des alvéoles. La poussée globale de cet ensemble de propuision peut facilement représenter plusieurs dizaines de tonnes. Elle conrespond en effet à la somme des poussées de trois propuiseurs. Rappelons que la poussoe de chacun est proportionnelle à ia surface totale des flasques coniques par la composante parallèle à l'axe de la force correspondant à la dfflérence de pression exercée entre les deux faces de chaque flasque conique. Le propuiseur selon l'invention est particulièrement destiné à la propuision de véhicules de très haute altitude et d'engins spatiaux habités ou non, réutilisables ou pas, ou simplement pour la mise sur orbites de satellites. REVENDICATIONS 1) Propuiseur pour véhicules spatiaux caractérisé en ce qu'il est constitué d'une turbomachine(11) capable de fonctionner dans le vide et de trois propuiseurs par centrifugation de fluide dont deux exploitent l'un après l'autre les gaz expulsés par la turbomachine destinée à leur mise en rotation. 2) Propulseur selon la revendicabon 1 caractérisé en ce que la turbomachine(11) capable de fonctionner dans le vide exploite un mélange constitué d'un carburant avec son comburant (ex. H2 et 02) et d'un gaz d'expansion, stockés séparément à l'état liquide dans des réservoirs indépendants. 3) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz d'expansion est injecté(17) à la sortie de ia chambre de combustion de la turbomachine de manière à ce qu'il fasse baisser la température des gaz de combustion du fait de sa vaporisation instantance et augmente la pression et la densité du mélange avant son exploitation dans les différents étages de la turbomachine. 4) Propuiseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mélange de gaz exploité par la turbomachine(11) est utilisé dans un propuiseur à piusieurs éléments de flasques coniques(2) alveolés en couronne, installé directement à la sortie de cellei. ) Propuiseur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un deuxième propuiseur identique au précédent et constitué du même nombre d'éléments, exploite à son tour et de la même manière les gaz s'échappant du propulseur précèdent 6) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la turbomachine entrame sur le même arbre centrai(4), un propulseur centrifuge du même type, placé en tête d'ardre, mais fonctionnant en enccinte close et exploitant un gaz lourd sous pression qui réalimente en continu le moyeu central de distribution par 2 0 ses deux extrém ités aprés awi r été centrifugé et exp uisé perpendicu lai rement à i' axe de rotation à la sortie des alvéoles(1) centrifuges. 7) Propulseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'axe central d'entranement(4) commun à l'ensemble du dispositif est gainé(12) dans une structure cylindrique qui supporte les entretoises(6) de maintien des rotors des trois propuiseurs et les roues à ailettes des étages rotatifs de la turbomachine. 2 5 8) Propuiseur selon la revendication 1 et 7 caractérisé en ce que la structure cylindrique(12) gainant l'axe central(4) d'entranement commun à l'ensemble du dispositif a un profil dont le diamètre varie de manière à faciliter une bonne distributon du fluide dans les alvéoles. 9) Propuiseur selon la revendication 1 et 8 caractérisé en ce que la stnucture cylindrique(12) gainant l'axe central(4) et dont le diamètre varie, obture totalement le moyeu central au niveau du demier élément de 3 flasque conique afin d'une part de contraindre la distribution de la totalité du flux dans les aivéoles, d'autre