Brevet FR2837877A1 — publié le 20031003

MODELE DE SUPERSTATOREACTEUR La présente invention concerne un superstatoréacteur loger et peu onéreux et un panneau échangeur de chaleur utilisé dans ce moteur. Contrairement aux turboréacteurs conventionnels qui disposent d'un air de ventilateur ou de compresseur relativement froid pour refroidir le moteur, un superstatoréscteur ne possède pas de tels composants. Par suite de sa vitesse élevée supérieure à Mach 5 (5 fois la vitesse du son), tout air extérieur pénétrant dans le moteur est trop chaud pour être utilisé comme réfrigérant. Pour régler ce problème, les statoréacteurs à combustion supersonique à puits de chaleur utilisent des parois pleines en cuivre ou en acier pour absorber la chaleur, mais ne conviennent pas à des vols de longue durée en raison de leur poids élevé et de leur durce de fonctionnement limitée. Une autre solution consiste à utiliser le carburant du moteur comme puits de chaleur. Cependant, malgré cette solution, il n'existe pas encore de superstatoréacteur qui soit à même de supporter les charges thermiques élevées et les contraintes thermiques associées. En conséquence, l'un des objets de la présente invention est de proposer un superstatoréacteur peu onéreux et léger. Un autre objet de la présente invention est de proposer un superstatoréacteur tel que susmentionné qui soit capable de supporter des charges thermiques élevées. Un autre objet de la présente invention est de proposer un panneau échangeur de chaleuramélioré utilisable dans un superstatoréacteur. Les objets précités sont réalisés par le modèle de superstatoréacteur de la présente invention. Selon la présente invention, le superstatoréacteur comprend une paroi de délimitation supérieure, une paroi de délimitation inférieure et un grand nombre de parois latérales formant une voie de passage interne; et lesdites paroi de délimitation supérieure, paroi de délimitation inférieure et parois latérales étant constituées d'un grand nombre de panneaux échangeurs de chaleur tubulaire; chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur comprenant un grand nombre de panneaux structurels assemblés les uns aux autres; et chacun desdits panneaux structurels comprenant un grand nombre de passages de refroidissement. Avantageusement, chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur comprendra en outre une semelle assemblée à chacun desdits panneaux structurels. Selon un mode d'exécution, chacune desdites semelles sera soudée respectivement à l'un desdits panneaux structurels au niveau des cordons situés entre lesdits passages de refroidissement desUits panneaux structurels respectifs. Selon un mode d'exécution, chacune desdites semelles sera assemblée à l'un desdits panneaux structurels respectifs par brasage par compression sous vide. Selon un mode d'exéaution, chacune desUites semelles sera assemblée à l'un desUits panneaux respectifs par liaison avec phase liquide provisoire. Avantageusement, chacun desUits panneaux structurels pourra être soudé à chaque panneau structurel adjacent par une simple soudure et dans lequel ladite simple soudure est situce dans un coin dudit panneau échangeur de chaleur. Avantageusement, chacun desdits panneaux structurels pourra être assemblé à chaque panneau structurel adjacent par un système de bride et de boulon et comprend en outre des raidisseurs structurels assemblés aux dits panneaux échangeurs de chaleur, lesUits raidisseurs structurels étant constitués de feuilles de métal et assemblés aux dits panneaux échangeurs de chaleur par soudure ou brasage. Avantageusement, le superstatoréacteur selon l' invention comprendra en outre des collecteurs de refroidissement assemblés aux dits panneaux échangeurs de chaleur, et lesdits collecteurs de refroidissement comprenant un collecteur d'admission et un collecteur d'échappement associés à chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur et des moyens pour alimenter en carburant ledit collecteur d' admission et pour évacuer le carburant chauffé dudit collecteur d'échappement. Avantageusement, le superstatoréacteur selon l' invention comprendra en outre des éléments de bord d'attaque fixés aux dits panneaux échangeurs de chaleur. Dans ce cas, chacun desdits éléments de bord d'attaque pourra être constitué d'un matériau composite choisi dans le groupe des matériaux composites carbone-carbone et carbone-carbure de silicium. Par ailleurs, chacun desUits éléments de bord d'attaque pourra être constitué d'un élément de bord d'attaque métallique activement refroidi. Avantageusement, lesdits panneaux échangeurs de chaleur seront soudés les uns aux autres pour former une zone d'entrée, une zone de compression, une zone pilote, une zone de combustion et une zone d'éjection et comprenant en outre des moyens pour alimenter en carburant ladite zone pilote. Par ailleurs, ladite zone de combustion et ladite zone d'éjection présenteront des contours se rapprochant de courbes paraboliques. La présente invention se rapporte également à un panneau échangeur de chaleur utilisable dans un superstatoréacteur selon l'invention, ledit panneau comprenant un grand nombre de panneaux structurels comportant un grand nombre de passages de refroidissement usinés à l'intérieur; lesdits panneaux structurels étant agencés de manière à former une structure tuLulaire et étant assemblés les uns aux autres. Avantageusement, chacun desdits panneaux structurels pourra être soudé aux panneaux structurels adjacents au moyen d'une simple soudure au laser réalisée dans un angle de ladite structure tubulaire. Avantageusement, le panneau pourra comprendre en outre une semelle soudée à chacun desdits panneaux structurels. Dans ce cas, chacune desdites semelles pourra être soudée à l'un desdits panneaux structurels respectifs au niveau des cordons situés entre les passages de refroidissement et dans lequel chacun desdits panneaux structurels et chacune desdites semelles sont réalisés dans un matériau métallique résistant aux hautes températures, à rigidité élevée et ductile. L' invention se rapporte également à un véhicule hypersonique comprenant un superstatoréacteur selon l' invention en tant que propulseur, ledit superstatoréscteur comprenant une zone d'entrée, une zone de compression, une zone pilote, une zone de combustion et une zone d'éjection; lesdites zones étant formées par un grand nombre de panneaux échangeurs de chaleur tubulaire i chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur tubulaire étant formé d'un grand nombre de panneaux structurels assemblés les uns aux autres; et chacun desdits panneaux structurels comportant un grand nombre de passages de refroidissement pour recevoir le carburant et utiliser ledit carburant pour refroidir l'air traversant lesdites zones. Avantageusement, le susdit véhicule sera un missile. Avantageusement, le véhicule comprendra en outre des feuilles de métal assemblées à l'une des faces desUits panneaux structurels et des raidisseurs structurels assemblés à l'autre face desUits panneaux structurels. Avantageusement, le véhicule comprendra en outre un bord d'attaque en matériau composite fixé à ladite zone d'entrée et ledit bord d'attaque en matériau composite étant réalisé dans un matériau choisi dans le groupe des matériaux composites carbone-carbone et carbone-carbure de silicium. Avantageusement, le susdit véhicule présente en outre un carénage et ledit superstatoréacteur posséJant des moyens de fixation dudit superstatoréacteur au dit carénage et des éléments de bord d'attaque refroidis activement fixés à ladite zone d'entrée. D'autres détails du modèle de superstatoréscteur de la présente invention ainsi que d'autres objets et avantages associés sont présentés dans la description détaillée suivante et dans les dessins annexés. La figure 1 est une représentation schématique d'un véhicule comprenant un superstatoréacteur selon la présente invention; la figure 2 est une vue en perspective d'un superstatoréacteur de la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe du superstatoréacteur de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe montrant une zone d'entrée du superstatoréacteur de la figure 2; la figure 5 est une représentation schématique de la voie de passage interne du superstatoréacteur de la figure 2; la figure 6 est une vue en coupe transversale du panneau échangeur de chaleur utilisé dans le superstatoréacteur de la présente invention; la figure 7 est une vue grossie d'un angle du panneau échangeur de chaleur de la figure 6; la figure 8 est une vue en coupe de la zone de combustion et de la zone d'éjection du superstatoréacteur de la figure 1; et la figure 9 est une vue grossie d'un angle d'un autre mode de réalisation d'un panneau échangeur de chaleur. En faisant référence à présent aux dessins, la figure 1 montre un véhicule hypersonique 10, qui peut être habité ou non habité ou encore un missile, et un superstatoréacteur 12 monté sur le carénage 11 du véhicule. Le superstatoréacteur 12 est représenté plus en détail sur les figures 2 à 5 et 8. Comme le montrent ces figures, le superstatoréacteur 12 comprend une paroi de délimitation supérieure 14, une paroi de délimitation inférieure 16 et deux parois latérales 18. Les parois 14, 16 et 18 forment une voie de passage 20 interne des gaz. Comme le montrent les figures 3 et 8, la voie de passage 20 comporte une zone d'entrée 22, une zone de compression 24, une zone pilote 25, une zone de combustion 26 et une zone d'éjection 28. La paroi de délimitation supérieure 14, la paroi de délimitation inférieure 16 et les parois latérales 18 sont formées par un grand nombre de panneaux échangeurs de chaleur tubulaire 30 dont les faces internes 32 sont configurces pour former les zones susmentionnces. Les panneaux échangeurs de chaleur 30 peuvent être assemblés les uns aux autres à l'aide de n'importe quel moyen convenable connu dans l'art. De préférence, les panneaux échangeurs de chaleur 30 adjacents sont soit soudés, soit boulonnés les uns aux autres au moyen d'un système de brides. Comme le montrent les figures 6 et 7, les panneaux échangeurs de chaleur tuLulaire 30 sont formés par des panneaux structurels 34 qui comportent des passages de refroidissement 36. Les passages de refroidissement 36 peuvent être brasés dans les panneaux structurels 34 au jet d'eau. De plus, chacun des panneaux structurels 34 comporte une semelle 38 assemblée aux dits panneaux. De préférence, chaque semelle 38 est respectivement soudée au laser à l'un des panneaux structurels 34 au niveau des cordons 40 situés entre les passages 36. Bien qu'il soit préférable de souder au laser la semelle 38 aux panneaux structurels 34, d'autres techniques d'assemblage incluant de manière non limitative la liaison avec phase liquide provisoire et le brasage par compression sous vide peuvent être appliquées en lieu et place du soudage. Comme le montre la figure 7, le panneau échangeur de chaleur 30 peut présenter des soudures d' angles 41 pour assembler les panneaux structurels 34 adjacents les uns aux autres. De préférence, la soudure d' angle 41 est une simple soudure au laser. Les soudures 41 empêchent les gaz contenus dans la voie de passage interne de s'échapper à chaque angle 43. Ceci permet une proximité étroite des passages de refroidissement 36 avec les joints d' angle ainsi formés. Si nécessaire, un système de bride et de boulon 80, tel que représenté sur la figure 9, peut être utilisé pour assembler les panneaux structurels adjacents les uns aux autres. Les panneaux structurels 34 et les semelles 38 peuvent être réalisés dans des matériaux quelconques relativement bon marché, résistants aux hautes températures, à rigidité élevée et ductiles qui possèdent des propriétés d'allongement élevées connues dans l'art. par exemple, les panneaux 34 et les semelles 38 peuvent être réalisés en Inconel 625. Des raidisseurs structurels 42 peuvent être assemblés à la surface 44 d'un ou de plusieurs panneaux structurels 34 pour accroître leur rigidité. Les raidisseurs structurels 42 peuvent prendre la forme de feuilles de métal travaillées posséJant des propriétés identiques ou similaires au matériau constituant les panneaux 34. Les raidisseurs structurels 42 peuvent être assemblés au(x) panneau(x) 34 à l'aide de n'importe quelle technique convenable connue dans l'art, de préférence par soudure ou brasage. Chaque panneau échangeur de chaleur 30 comprend en outre des collecteurs respectivement d'admission et d'échappement 46 et 48 intégrés. Le collecteur d' admission 46 reçoit le carburant via les conduits 45, lequel carburant passe ensuite par les passages 36 pour agir en tant que réfrigérant. Le carburant chauffé parvient ensuite dans le collecteur d'échappement 48 o il est ramené par des conduits 47 à un réservoir ou à une cuve de carburant (non représentés). Le carburant chauffé est enfin amené à la zone pilote 25. Alors que le collecteur d'admission 46 est représenté comme étant situé sur le bord d'attaque d'un panneau échangeur de chaleur 30 et que le collecteur d'échappement 48 est représenté comme étant situé sur le bord de fuite du panneau 30, les collecteurs d'admission et d'échappement 46 et 48 peuvent être placés à un autre endroit du panneau 30. Par exemple, le collecteur d' admission 46 peut se situer sur le bord de fuite du panneau 30 et le collecteur d'échappement 48 sur le bord d'attaque du panneau 30. A titre d' alternative, les collecteurs 46 et 48 peuvent être tous deux placés dans une partie interne du panneau 30. Le moteur 12 comprend en outre des éléments de bord d'attaque 50. De préférence, les éléments de bord d'attaque sont constitués d'un matériau composite tel qu'un matériau composite carbone-carbone (fibres de carbone intégrces dans une matrice de carbone) ou un matériau composite carbonecarbure de silicium (fibres de carbone intégrées dans une matrice de carbure de silicium). De tels éléments de bord d'attaque 50 fonctionnent sans refroidissement et offrent donc une solution mécaniquement plus simple au problème des températures génératrices élevées que les bords d'attaque métalllques activement refroidis. Cependant, des bords d'attaque métalliques activement refroidis peuvent être utilisés, si nocessaire, pour les éléments de bord d'attaque 50. Le moteur comprend en outre des supports moteur 52 pour fixer le superstatoréacteur 12 au carénage 11 du véhicule. N'importe quel moyen convenable connu dans l' art peut être utilisé pour fixer le superstatoréacteur 12 au véhicule 10 via les supports 52. Lorsque le superstatoréacteur 12 est en marche, l' air pénètre dans la zone d'entrce 22 et est comprimé dans la zone de compression 24 par suite de la convergence de la voie de passage dans cette zone. L' air comprimé passe ensuite dans la zone pilote 25 o le carburant est injecté dans l'air. N'importe quel moyen convenable connu dans l'art peut être utilisé pour injecter du carburant dans l' air dans la zone pilote 25. le carburant est alors enflammé dans la zone de combustion 26. À des vitesses élevées, le carburant s'enflamme de lui-même. À des vitesses plus faibles, un ou plusieurs inflammateurs (non représentés) situés dans la zone de combustion 26 peuvent être utilisés pour enflammer le mélange air-carburant. Dans la zone d'éjection 28, l' air sous pression s'échappe du moteur 12 pour produire une poussée. Comme le montrent les figures 3, 5 et 8, la zone de combustion 26 et la zone d'éjection 28 présentent des contours de voie de passage simplifiés qui utilisent des parties de ligne droite 90 et d' arc circulaire 92 pour se rapprocher de courbes paraboliques. Le superstatoréacteur de la présente invention peut être utilisé avec un grand nombre de véhicules. Par exemple, le superstatoréacteur peut être utilisé pour propulser un missile. L'avantage du superstatoréacteur de la présente invention est qu'il est léger et réalisable pour un coût relativement modique. Ce dernier avantage tient au fait que le superstatoréacteur est réalisé dans des matériaux relativement peu onéreux et disponibles dans le commerce, et qu'il ne nécessite pas un contrôle dimensionnel étroit. La présente invention propose manifestement un modèle de superstatoréacteur qui satisfait pleinement aux objets, moyens et avantages exposés un peu plus haut dans le présent document. Alors que la présente invention a été décrite dans le contexte de modes de réalisation spécifiques, d'autres alternatives, modifications et variations deviendront évidentes pour l'homme du métier à la lecture de la description précédente. En conséquence, il est envisagé d'inclure ces alternatives, modifications et variations comme si elles rentraient dans le vaste champ d' application des revendications annexées. REVEN DI CAT I ONS 1. Superstatoréacteur (12) comprenant: une paroi de délimitation supérieure (14), une paroi de délimitation inférieure (16) et un grand nombre de parois latérales formant une voie de passage (20) interne; et lesUites paroi de délimitation supérieure (14), paroi de délimitation inférieure (16) et parois latérales étant constituées d'un grand nombre de panneaux échangeurs de chaleur tuLulaire (30); chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur comprenant un grand nombre de panneaux structurels (34) assemblés les uns aux autres; et chacun desdits panneaux structurels (34) comprenant un grand nombre de passages de refroidissement (36). 2. Superstatoréacteur (12)selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur comprend en outre une semelle (38) assemblée à chacun desUits panneaux structurels (34). 3. Superstatoréacteur (12)selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune desdites semelles (38) est soudée respectivement à l'un desdits panneaux structurels (34) au niveau des cordons (40) situés entre lesdits passages de refroidissement (36) desUits panneaux structurels (34) respectifs. 4. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune desdites semelles (38) est assemblée à l'un desdits panneaux structurels (34) respectifs par brasage par compression sous vide. 5. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune desdites semelles (38) est assemblée à l'un desdits panneaux respectifs par liaison avec phase liquide provisoire. 6. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits panneaux structurels (34) est soudé à chaque panneau structurel (34) adjacent par une simple soudure et dans lequel ladite simple soudure est située dans un coin dudit panneau échangeur de chaleur. 7. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits panneaux structurels (34) est assemblé à chaque panneau structurel adjacent par un système de bride et de boulon et comprend en outre des raidisseurs structurels (42) assemblés aux dits panneaux échangeurs de chaleur, lesdits raidisseurs structurels (42) étant constitués de feuilles de métal et assemblés aux dits panneaux échangeurs de chaleur par soudure ou brasage. 8. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des collecteurs de refroidissement assemblés aux dits panneaux échangeurs de chaleur, et lesdits collecteurs de refroidissement comprenant un collecteur d'admission (46) et un collecteur d'échappement (48) associés à chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur et des moyens pour alimenter en carburant ledit collecteur d' admission et pour évacuer le carburant chauffé dudit collecteur d'échappement (48). 9. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des éléments de bord d'attaque (50) fixés aux dits panneaux échangeurs de chaleur (30). 10. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacun desdits éléments de bord d'attaque (50) est constitué d'un matériau composite choisi dans le groupe des matériaux composites carbone- carbone et carbone-carbure de silicium. 11. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacun desdits éléments de bord d'attaque (50) est constitué d'un élément de bord d'attaque métallique activement refroidi. 12. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesUits panneaux échangeurs de chaleur sont soudés les uns aux autres pour former une zone d'entrée (22), une zone de compression (24), une zone pilote (25), une zone de combustion (26) et une zone d'éjection (28) et comprenant en outre des moyens pour alimenter en carburant ladite zone pilote (25). 13. Superstatoréacteur (12) selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite zone de combustion(26) et ladite zone d'éjection (28) présentent des contours se rapprochant de courbes paraboliques. 14. Panneau échangeur de chaleur utilisable dans un superstatoréacteur (12) comprenant: un grand nombre de panneaux structurels (34) comportant un grand nombre de passages de refroidissement (36) usinés à l'intérieur; lesdits panneaux structurels (34) étant agencés de manière à former une structure tubulaire et étant assemblés les uns aux autres i 15. Panneau échangeur de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que chacun desdits panneaux structurels (34) est soudé aux panneaux structurels adjacents au moyen d'une simple soudure au laser réalisée dans un angle de ladite structure tubulaire. 16. Panneau échangeur de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une semelle (38) soudée à chacun desdits panneaux structurels. 17. Panneau échangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que chacune desUites semelles (38) est soudée à l'un desUits panneaux structurels (34) respectifs au niveau des cordons (40) situés entre les passages de refroidissement (36) et dans lequel chacun desdits panneaux structurels (34) et chacune desdites semelles (38) sont réalisés dans un matériau métallique résistant aux hautes températures, à rigidité élevoe et ductile. 18. Véhicule hypersonique (10) comprenant un superstatoréacteur (12) en tant que propulseur, ledit superstatoréscteur (12) comprenant: une zone d'entrée (22), une zone de compression (24), une zone pilote (25), une zone de combustion (26) et une zone d'éjection (28); lesdites zones étant formées par un grand nombre de panneaux échangeurs de chaleur tubulaire (30) i chacun desdits panneaux échangeurs de chaleur tubulaire (30) étant formé d'un grand nombre de panneaux structurels assemblés les uns aux autres i et chacun desdits panneaux structurels (34) comportant un grand nombre de passages de refroidissement (36) pour recevoir le carburant et utiliser ledit carburant pour refroidir l' air traversant lesdites zones. 19. Véhicule hypersonique (10) selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit véhicule est un missile. 20. Véhicule hypersonique (10) selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des feuilles de métal assemblées à l'une des faces desUits panneaux structurels (34) et des raidisseurs structurels (42) assemblés à l'autre face desdits panneaux structurels (34). 21. Véhicule hypersonique (10) selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bord d'attaque en matériau composite fixé à ladite zone d'entrée (22) et ledit bord d'attaque en matériau composite étant réalisé dans un matériau choisi dans le groupe des matériaux composites carbone-carbone et carbone-carbure de silicium. 22. Véhicule hypersonique (10) selon la revindication 18, caractérisé en ce que le susdit véhicule présente en outre un carénage et ledit superstatoréacteur (12) possédant des moyens de fixation dudit superstatoréacteur (12) au dit carénage et des éléments de bord d'attaque (50) refroidis activement fixés à ladite zone d'entrce