Brevet FR2837242A1 — publié le 20030919

B 13996 DB L' invention concerne des systemes de propulsion pour vaisseaux spatiaux, et plus particulierement un systeme perfectionne pour le cycle de puissance et le refroidissement de moteurs-fusees a bord d'astronefs. Comme cela est generalement connu dans la technique, un moteur-fusee assure la propulsion dion vaisseau en brulant des propergols, tels qu'un combustible et un comburant, a haute pression. La combustion du combustible et des comburants produit un gaz chaud qui est ensuite expulse a haute vitesse a travers une tuyere, produisant la poussee. En general, ces systemes comportent des pieces pour haute pression et haute temperature qui, du fait du milieu ambient a haute pression et haute temperature, vent tres complexes, lourdes et couteuses. En general, des turbines fournissent de la poissance a des pompes qui alimentent par pompage en combustible et en comburant la chambre de combustion principale d'un moteur fusee. Des gaz a haute pression vent necessaires pour l'entralnement des turbines qui, a leur tour, entrainent les pompes pour l'amenee des propergols. Pour produire ces ga z a haute press ion, des di spositifs de combustion tels que des pre-bruleurs vent prevus pour chauffer ou bruler initialement une portion des propergols. Certains propergols peuvent etre utilises pour refroidir la chambre de combustion principale et transmettre ainsi les gaz a haute pression et haute temperature pour l'entrainement des turbopompes. Cependant, ceci exige une alimentation supplementaire en propergols pour l'entralnement des turbines et le refroidissement de la chambre de combustion. Quoiqu'il en soit, il est generalement connu d'entrainer les turbines a ['aide de gaz a haute temperature et haute pression. De ce fait, les turbines elles-memes doivent pouvoir supporter ces hautes pressions et temperatures pour fonctionner convenablement dans ces milieux ambiants. De plus, plusieurs joints d'etancheite doivent etre utilises pour assurer que les combustibles et les comburants ne se melangent pas avant d'entrer dans la chambre de combustion principale. Un tel pre-melange peut produire une defaillance du systeme. En general, les joints d'etancheite vent purges a ['aide d'un gaz inerte ou tertiaire qui est consomme dans le joint d'etancheite en s'y ecoulant pour assurer que le comburant et le combustible ne se melangent pas. L' invention a trait a un cycle de puissance qui produit un refroidissement d'un moteur-fusee et fournit de l'energie a une centrale de poissance a l' aide d'un fluide tertiaire inerte recycle. Le systeme de refroidissement transporte un fluide de refroidissement qui refroidit la chambre de combustion et une section de la tuyere d'ejection d'un moteur-fusee. Une portion de l'energie extraite dans les circuits de refroidissement est utilisee pour entralner une turbine actionnant les pompes du systeme. Ceci elimine la necessite de pre-bruleurs pour entra1ner les turbines. Un echangeur de chaleur est ensuite utilise pour refroidir et condenser le fluide pour permettre une remise en pression par pompage. Ceci est realise en chauffant le comburant en entree. En utilisant un fluide inerte d'entrainement, on elimine la necessite d'un joint d'etancheite complexe et couteux entre propergols sur la turbopompe. Une premiere forme appreciee de realisation du systeme a cycle de puissance avec refroidissement par echangeur de chaleur comprend un systeme destine a fournir un comburant et un combustible a un moteurfusee. Le systeme comporte un moteur, un systeme d'alimentation en combustible comportant une pompe a combustible destinee a pomper un combustible vers le moteur, un systeme d'alimentation en comburant destine a pomper un comburant vers le moteur, et un systeme d'alimentation en fluide de refroidissement destine a pomper un fluide de refroidissement vers le moteur. Le systeme d'alimentation en fluide de refroidissement transporte le fluide de refroidissement a proximite immediate du moteur afin que le fluide de refroidissement re,coive de lenergie provenant du moteur. Le fluide de refroidissement transmet egalement de l'energie au comburant avant l' entree de celui-ci dans le moteur. Une seconde forme appreci ee de real i s at ion de l' invention est un systeme destine a refroidir et fournir un comburant et un combustible a un moteur d'un moteur fusee. Le systeme comporte un systeme d'alimentation en comburant qui fournit le comburant au moteur. Le systeme comprend aussi un systeme de refroidissement qui refroidit le moteur. Le systeme de refroidissement fournit de ltenergie au systeme d'alimentation en comburant. Le systeme nouveau selon l' invention permet aussi un procede inedit pour faire fonctionner un moteur-fusee dans lequel un combustible et un comburant vent fournis sous basse pression au moteur-fusee. Le procede comprend le pompage d'un fluide froid de refroidissement dans une chemise de refroidissement du moteur-fusee. De cette maniere, le fluide froid de refroidissement absorbe une portion de la chaleur produite par le moteur et est ainsi convert) en un fluide chaud de refroidissement apres avoir refroidi le moteur-fusee. Le fluide chaud de refroidissement active une centrale de puissance en transmettant une premiere portion de ltenergie du fluide chaud de refroidissement a la centrale de puissance. Le fluide chaud de refroidissement est ensuite ramene par refroidissement dans un etat froid afin d'etre reutilise. Le fluide chaud de refroidissement transforme egalement un comburant fro id en un comburant cha ud en t ran smettant une seconde portion de ltenergie du fluide chaud de refroidissement au comburant. Le comburant chaud est ensuite dirige vers le moteur. L' invention sera decrite plus en detail en regard du dessin annexe a titre d'exemple nullement limitatif sur lequel la figure unique est une vue schematique d'une forme appreciee de realisation de l' invention. La description suivante de la ou des formes preferees de realisation de l' invention n'est donnee qu'a titre d'exemple nullement limitatif de ['invention, dans son application ou ses utilisations. En reference a la figure 1, celle-ci montre un schema d'un systeme a cycle detendeur-echangeur de chaleur (systeme "Ex-Hex") 10 selon une forme preferee de realisation de l' invention. Le systeme Ex-Hex 10 est utilise pour procurer un systeme a basse pression et basse temperature destine a fournir des propergols energetiques a un moteur-fusee. Un systeme 11 de combustible comprend une alimentation 12 en combustible qui fournit un combustible, a savoir un propergol particulier, au systeme Ex- Hex 10. Le combustible fourni par l'alimentation 12 en combustible l5 peut fournir n'importe quel combustible generalement utilise dans des moteurs-fusees, tels que du kerosene. Le systeme d'alimentation en combustible comporte en outre une pompe 14 en combustible et au moins une conduite 16 de transport de combustible qui comportent au moins une vanne 18. Un systeme 20 d'alimentation en comburant comprend une alimentation 22 en comburant, formant un second propergol, qui peut comprendre n'importe quel comburant approprie, tel que de ltoxygene. Le systeme 20 d'alimentation en comburant comporte en outre une pompe 24 a comburant qui fait circuler par pompage le comburant dans au moins une conduite 26 de transport de comburant, qui comprend une vanne 28, jusque dans le systeme Ex-Hex 10. Un systeme 30 d'alimentation en fluide de refroidissement comporte une pompe 32 a fluide de refroidissement qui fait circuler par pompage un fluide de refroidissement dans au moins une conduite 34 a fluide de refroidissement, laquelle comprend une vanne 36. La conduite 26 d'alimentation en comburant et la conduite 34 d'alimentation en fluide de refroidissement passent tous deux dans un echangeur de chaleur 40, decrit plus en detail ci-apres. Une turbine 42 est montee sur un arbre d'entrainement 44 qui relic la turbine 42 a chacune des pompes 14, 24 et 32. Lorsque la turbine 42 est actionnee, elle fait tourner l'arbre d'entrainement 44 et entraine simultanement chacune des pompes 14, 24 et 32. La turbine unique 42 actionne done chacune des pompes 14, 24 et 32. Chacun des trots composes comprenant le combustible, le fluide de refroidissement et le comburant arrive en un certain point a un moteur 47 qui comporte une tuyere 48. La toyere 48 est entouree d'une chemise 50 de refroidissement qui comporte des canaux dans lesquels les differents constituents peuvent s'ecouler, comme decrit plus en detail ci-apres. Une chambre 52 de combustion s'etend depuis la tuyere 48, de meme que d'une partie du moteur 47. La chambre 52 de combustion recoit le combustible et le lS comburant devant etre brules, puis ejecte les gaz brules a travers la tuyere 48. Lorsque les gaz vent ejectes a travers la tuyere 48, ils fournissent la poussee pour le systeme. La chemise 50 de refroidissement peut egalement entourer la chambre 52 de combustion afin de refroidir aussi la chambre de combustion. Pendant le fonctionnement du systeme Ex-Hex 10, le combustible sort de la pompe a combustible 14 et entre dans la conduite a combustible 16 sous une pression absolue generalement comprise entre environ 21 MPa et 28 MPa, la pression etant mesuree par rapport au vice complet, et a une temperature comprise entre environ 15 C et environ C. Le combustible circule alors dans la conduite 16 a combustible jusquta la tuyere 48 et passe dans la chemise de refroidissement, refroidissant la tuyere 48 en parcourant la chemise 50 de refroidissement. Apres la sortie de la chemise 50 de refroidissement, la pression du combustible a chute generalement a une valeur comprise entre environ 17,5 et 24,5 MPa et sa temperature s'est elevee a une valeur comprise entre environ 60 C et environ 149 C avant son entree dans la chambre de combustion principale 52. Cette baisse de la pression et cette elevation de la temperature signifient un refroidissement de la tuyere 48, ce qui favorise une reduction des contraintes imposees a la tuyere 48 pendant la combustion. L'echangeur de chaleur 40 transmet de la chaleur et de s l'energie des conduites 34 de fluide de refroidissement aux conduites 26 de comburant, comme decrit plus en detail ci- apres. L'energie transmise des conduites 34 de fluide de refroidissement est rassemblee a la chambre 52 de combustion. Ceci aide a refroidir la chambre 52 de combustion et eleve la temperature du comburant. Ce processus commence lorsque le fluide de refroidissement sort de la pompe 32 a fluide de refroidissement sous une pression absolue comprise entre environ 24,5 et 31,5 MPa et a une temperature comprise entre environ 206 C et environ IS -123 C, le fluide de refroidissement etant alors considere comme un fluide de refroidissement froid. Le fluide de refroidissement, apres etre sorti initialement de la pompe 32 a fluide de refroidissement, entre dans la chemise 50 de refroidissement du moteur 47. La temperature du fluide de refroidissement s'eleve alors, indiquant que le fluide a acquis de l'energie, comprenant de l'energie thermique, tandis que sa pression baisse pendant qu'il refroidit le moteur 47. Le fluide de refroidissement s'evapore en formant un gaz, ou s'eleve simplement en temperature, en ce 2s point, et sort de la zone de combustion a proximite de la chambre 52 de combustion, et entre de nouveau dans les conduites 34 de fluide de refroidissement. Lorsque le fluide de refroidissement sort de la chambre 52 de refroidissement, sa pression absolue est approximativement comprise entre 17,5 et 24,5 MPa, tandis que sa temperature est comprise entre environ 171 C et environ 282 C, et il est a present un fluide chaud de refroidissement. Le fluide chaud de refroidissement continue le long de la conduite 34 de fluide de refroidissement et arrive a la turbine 42 pour entrainer cette turbine 42 qui, a son tour, entraine chacune des pompes 14, 23 et 32. Apres avoir depense une partie de son energie, le fluide chaud de refroidissement sort de la turbine 42 sous une pression absolue comprise entre environ 1,96 et environ 2,73 MPa et a une temperature comprise entre environ 4 C et environ 115 C. Le fluide chaud de refroidissement entre ensuite dans l'echangeur de chaleur 40 pour transmettre une autre portion d'energie a ltechangeur de chaleur 40. Apres etre sorti de l'echangeur de chaleur 40, le fluide de refroidissement a une pression absolue comprise entre environ 1,26 et environ 1,96 MPa et une temperature comprise entre environ -189 C et environ -134 C. Le fluide de refroidissement est a present revenu dans un etat froid. Le fluide de refroidissement est ensuite renvoye par IS pompage dans la conduite 34 de fluide de refroidissement pour etre remis en circulation. De cette maniere, le fluide de refroidissement n'est jamais epoise dans le systeme Ex- Hex 10. Le fluide de refroidissement refroidit continuellement le moteur 47, puis est refroidi et condense tout en transmettant la plus grande partie de son energie thermique accumulee a la turbine 42 et a l'echangeur de chaleur 40. Ces transferts d'energie depuis le fluide chaud de refroidissement ont pour effet de condenser ou refroidir de 2s nouveau ce fluide de refroidissement. La pompe 24 a comburant eleve par pompage le comburant a une pression absolue initiale comprise entre environ 17,5 et 24,5 MPa et a une temperature initiale comprise entre environ -209 C et environ -153 C afin que le comburant puisse etre considere comme un comburant froid. Il est initialement amene par pompage a l'echangeur de chaleur 40 ou il acquiert une partie de l'energie thermique liberee par le fluide de refroidissement chaud a son passage a travers l'echangeur de chaleur 40. Par consequent, l' echangeur de chaleur 40 transmet de l' energie entre le fluide de refroidissement chaud et le comburant froid. Apres etre sorti de l'echangeur de chaleur 40, le comburant est devenu un comburant chaud et a une pression absolue comprise entre environ 17,5 et 22,4 MPa et une temperature comprise entre environ -150 C et environ 106 C. Le S comburant chaud est ensuite introduit dans la chambre 52 de combustion ou il oxyde le combustible pour produire les gaz de detente necessaires a la production de la poussee. L'echangeur de chaleur 40 permet une elevation de la temperature du comburant augmentant le rendement de la l0 combustion dans la chambre de combustion 52. Le fluide de refroidissement dans le systeme Ex-Hex 10, qui acquiert d'abord de la chaleur et de l'energie en refroidissant le moteur 47, transmet ensuite cette chaleur et cette energie d'abord a la turbine 42 pour entralner les pompes 14, 24 et l5 32, puis transmet de l'energie additionnelle au comburant par l'intermediaire de l'echangeur de chaleur 40. Le fluide de refroidissement dans le systeme Ex-Hex 10 rechauffe done le comburant. En pla,cant la pompe 52 a fluide de refroidissement et la turbine 42, qui contiennent toutes deux du fluide de refroidissement, lequel est un compose inerte, entre la pompe a combustible 14 et la pompe a comburant 24, on assure que le combustible et le comburant ne se melangent jamais avant d'entrer dans la chambre de combustion 52. 2s Etant donne que le fluide de refroidissement fournit l'energie au comburant par l'intermediaire de l'echangeur de chaleur 40, ceci aide a assurer que le comburant et le combustible ne se melangent pas avant d'entrer dans la chambre de combustion 52. Le fait de reduire le nombre de fois que le comburant et le combustible se melangent avant d'entrer dans la chambre de combustion 52 aide a augmenter la longevite et la simplicite du systeme Ex-Hex 10. On comprendra qu'on peut utiliser n'importe quel systeme d'echange de chaleur approprie en tent qu'echangeur de chaleur 40 dans le systeme ExHex 10. Etant donne que le comburant est chauffe avec l'echangeur de chaleur 40, le systeme Ex-Hex 10 doit seulement fournir du combustible a la chambre de combustion 52. De plus, etant donne que le comburant n'entre pas dans l'echangeur de chaleur 40 sous une pression ou une temperature elevee, l'echangeur de chaleur 40 peut etre d'une conception relativement simple et forme de pieces qui n'ont pas besoin d'etre concues pour resister a des pressions et temperatures extremement elevees. De plus, etant donne que le combustible ne penetre pas dans liechangeur de chaleur 40, il n'est pas necessaire de renforcer ce dernier car aucune combustion n'a lieu dans . CClUl-Cl. On appreciera que le fluide de refroidissement est le seul compose qui entre sous une pression particulierement elevee dans le systeme Ex-Hex 10. Le fluide de refroidissement peut etre n'importe quel compose inerte, tel que de l'azote. Etant donne que l'azate ou tout autre fluide de refroidissement inerte est un corps relativement inerte, il n'est pas necessaire que la pompe 32 a fluide de refroidissement soit un systeme complexe comme cela est indispensable pour assurer qutun corps plus corrosif ou explosif ne s'echappe pas. Par consequent, le fait que le constituent a haute pression dans le systeme Ex-Hex 10 est un corps inerte reduit la complexite et le cout des pompes. On comprendra aussi que le systeme Ex-Hex 10, en utilisant un fluide de refroidissement inerte pour refroidir le moteur 47 ou n'importe queue partie de celui- ci, tel que la tuyere 48 seule, en meme temps qu'un echangeur de chaleur 40 pour transmettre cette energie a d'autres constituents necessaires dans la chambre de combustion 52, peut etre mis en muvre sur n'importe quel moteur-fusee qui exige que les constituents soTent chauffes a une temperature specifique pour bruler convenablement. Par consequent, par une simple augmentation, la presente invention peut etre appliquee a de nombreuses conceptions de moteurs-fusees necessitant des combustibles et/ou des comburants chauffes pour faire fonctionner leurs chambres de combustion. Il va de sol que de nombreuses modifications peuvent etre apportees au systeme et au procede decrits et representes sans sortir du cadre de l' invention. REVENDICATIONS 1. Systeme pour fournir un comburant et un combustible a une chambre de combustion (52) d'un moteur-fusee, comportant un moteur (47); un systeme (11) d'alimentation S en combustible comportant une pompe (14) a combustible destinee a amener par pompage un combustible au moteur; un systeme (20) d'alimentation en comburant destine a amener par pompage un comburant au moteur; un systeme (30) d'alimentation en fluide de refroidissement destine a amener par pompage un fluide de refroidissement au moteur; caracterise en ce que le systeme d'alimentation en fluide de refroidissement transporte le fluide de refroidissement a proximite immediate d'une partie du moteur afin que le fluide de refroidissement soit en contact thermique avec ladite partie du moteur et qu'il recoive ainsi de l'energie provenant du moteur, et en ce que le fluide de refroidissement transfere l'energie au comburant avant l' entree de ce dernier dans la chambre de combustion (52) du moteur. 2. Systeme selon la revendication 1, caracterise en ce que le systeme d'alimentation en fluide de refroidissement comporte une pompe (32) a fluide de refroidissement, un echangeur de chaleur (40), et au moins une conduite (34) de transport de fluide de refroidissement dans laquelle le fluide de refroidissement est pompe vers le moteur pour transmettre de la chaleur du moteur a l'echangeur de chaleur. 3. Systeme selon la revendication 2, caracterise en ce que le systeme d'alimentation en comburant comporte une pompe (24) a comburant, et au moins une conduite (26) de transport de comburant, le comburant etant pompe dans cette conduite de transport de comburant et a travers l'echangeur de chaleur afin d'acquerir de l'energie avant d'entrer dans le moteur. 3s 4. Systeme selon la revendication 2, caracterise en ce que le systeme d'alimentation en fluide de refroidissement forme une barriere entre la pompe a combustible et la pompe a comburant. 5. Systeme selon la revendication 3, caracterise en ce qu'il comporte en outre une source de puissance destinee a fournir de la puissance a chacune de la pompe a fluide de refroidissement, de la pompe a comburant et de la pompe a combustible. 6. Systeme selon la revendication 5, caracterise en ce que la source de puissance est actionnee par une transmission d'energie du fluide de refroidissement a la source de puissance. 7. Systeme selon la revendication 1, caracterise en ce que le fluide de refroidissement comprend de l'azote. 8. Systeme pour refroidir et fournir un comburant et un combustible a un moteur-fusee, caracterise en ce qu'il comporte un systeme (20) d'alimentation en comburant fournissant le comburant au moteur (47); un systeme (30) de refroidissement destine a refroidir le moteur, le systeme de refroidissement fournissant de l'energie thermique pour actionner le systeme d'alimentation en comburant. 9. Systeme selon la revendication 8, caracterise en ce qu'il comporte en outre un systeme (11) d'alimentation en combustible destine a fournir le combustible au moteur. 10. Systeme selon la revendication 9, caracterise en ce qu'il comporte en outre une centrale de puissance qui fournit de la puissance a chacun du systeme d'alimentation en combustible, du systeme d'alimentation en comburant et du systeme de refroidissement, et qui est actionnee par de l'energie recue du systeme de refroidissement. 11. Systeme selon la revendication 10, caracterise en ce qu'il comporte en outre un echangeur de chaleur (40), le systeme de refroidissement comportant une premiere pompe (32) et des conduites (34) de transport de fluide de 3s refroidissement pour deplacer le fluide de refroidissement, le systeme d'alimentation en comburant comportant une seconde pompe (24) et des conduites (26) de transport de comburant pour deplacer le comburant, le fluide de refroidissement deplace dans les conduites de transport de fluide de refroidissement recevant de l'energie thermique provenant du moteur pendant que ce fluide de refroidissement est pompe en contact thermique avec une partie du moteur, le fluide de refroidissement transmettant une premiere portion de l'energie thermique absorbee a la centrale d'energie et transmettant une seconde portion de l'energie thermique a l'echangeur de chaleur. 12. Systeme selon la revendication 9, caracterise en ce que le systeme de refroidissement deplace un compose inerte, et forme une barriere entre le systeme d'alimentation en combustible et le systeme d'alimentation en comburant avant l' entree du combustible et du comburant dans le moteur. 13. Systeme selon la revendication 8, caracterise en ce qu'il comporte en outre un echangeur de chaleur (40) et en ce que le systeme de refroidissement transmet de l'energie pour l'alimentation en comburant a travers l'echangeur de chaleur. 14. Procede pour fournir un combustible et un comburant a un moteur-fusee (47), a basse pression, caracterise en ce qu'il comprend le pompage d'un fluide de refroidissement froid dans une chemise (50) de refroidissement du moteur-fusee afin que le fluide de refroidissement froid recoive une portion d'energie thermique pour convertir le fluide de refroidissement froid en fluide de refroidissement chaud apres le refroidissement du moteur-fusee, et ['inversion du fluide de refroidissement chaud en un etat froid afin qu'il soit reutilise, en: utilisant une premiere portion de l'energie thermique provenant du fluide de refroidissement chaud pour actionner une centrale de puissance; convertissant un comburant froid en un comburant chaud en transmettant une seconde portion de l'energie thermique du fluide de refroidissement chaud au comburant; et pompant le comburant chaud vers le moteur-fusee. 15. Procede selon la revendication 14, caracterise en ce q'il comprend en outre les etapes qui consistent a actionner une pompe (32) a fluide de refroidissement a ['aide de la centrale de puissance pour pomper le fluide de refroidissement; a actionner une pompe (24) a comburant a l' aide de la centrale de poissance pour pomper le comburant; et a separer le combustible et le comburant avec la pompe a fluide de refroidissement. 16. Procede selon la revendication 14, caracterise en outre en ce que l'etape de transmission d'une seconde portion de l'energie thermique comprend la transmission de la seconde portion d'energie thermique a l'echangeur de chaleur, puis la transmission de la seconde portion d'energie thermique de l'echangeur de chaleur au comburant. 17. Procede selon la revendication 14, caracterise en ce que l'etape de conversion d'un comburant froid en un comburant chaud comprend l' evaporation d'un comburant liquide. 18. Procede selon la revendication 14, caracterise en ce que ltetape de conversion d'un fluide de refroidissement froid en un fluide de refroidissement chaud comprend l' evaporation du fluide de refroidissement froid. 19. Systeme pour fournir un comburant et un combustible a une chambre de combustion (52) d'un moteur- fusee, caracterise en ce qutil comporte un moteur (47); un systeme (11) d'alimentation en combustible comportant une pompe (14) a combustible destinee a pomper un combustible vers le moteur; un systeme (20) d'alimentation en comburant comportant une pompe (24) a comburant destinee a pomper un comburant vers le moteur; un -systeme (30) 3s d'alimentation en fluide de refroidissement comportant une pompe (32) a fluide de refroidissement destinee a pomper un fluide de refroidissement vers le moteur; une centrale de pcissance destinee a fournir de la puissance a chacune de la pompe a combustible, de la pompe a comburant et de la pompe a fluide de refroidissement, le systeme d'alimentation en fluide de refroidissement transportant le fluide de refroidissement a proximite immediate d'une partie du moteur afin que le fluide de refroidissement soit en contact thermique avec cette partie du moteur et qu'il recoive ainsi de l'energie provenant du moteur, et le lo fluide de refroidissement transmettant de l'energie a la centrale de puissance pour fournir de la puissance a la centrale de puissance. 20. Systeme selon la revendication 19, caracterise en ce que le fluide de refroidissement transmet de l'energie au comburant afin que le fluide de refroidissement revienne dans un etat liquide. 21. Systeme selon la revendication 19, caracterise en ce que le systeme d'alimentation en fluide de refroidissement forme une barriere entre le systeme d'alimentation en combustible et le systeme d'alimentation