Brevet FR2915245A1 — publié le 20081024

MOTEUR-FUSEE A CYCLE DE DETENTE ET A CHAMBRES DE POUSSEE MULTIPLES AVEC TURBOMACHINE COMMUNE CONTEXTE DE L'INVENTION La présente invention concerne un moteur-fusée à cycle de détente, et plus particulièrement, un moteur- fusée à cycle de détente possédant de multiples Ensembles Formant Chambres de Poussée (TCA) agencés parallèlement à une turbomachine commune. A la base, il existe trois types de cycles de moteur-fusée qui utilisent des propergols pompés. Un Générateur de Gaz et un Moteur à Cycle de Combustion préalables contiennent chacun un brûleur principal dans la chambre de fusée et un brûleur séparé dédié à la génération des gaz de détente qui font fonctionner des turbines de pompe, ce qui peut conduire à des complications du point de vue de la fiabilité et de la commande. Un cycle de détente ne comporte qu'un seul brûleur, le brûleur principal dans la chambre de combustion de la fusée. La turbine de pompe est entraînée par la détente du carburant qui a reçu de la chaleur pendant le refroidissement de la chambre de combustion. Les moteurs-fusée à cycle de détente utilisent le propergol qui refroidit par récupération l'Ensemble Formant Chambre de Poussée (TCA) pour entraîner la turbomachine dans les systèmes d'alimentation de propergol. La quantité d'énergie disponible pour l'entraînement de la turbomachine est fonction de la chaleur adsorbée dans l'ensemble TCA. Au fur et à mesure que l'exigence de niveau de poussée du moteur augmente, le débit massique du propergol, le diamètre de la chambre et parfois la pression de la chambre augmentent pour fournir la poussée accrue. A un certain point de l'échelonnage de la poussée, la chaleur transférée depuis l'ensemble TCA jusqu'à l'écoulement de refroidissement est incapable de fournir l'énergie requise pour entraîner la turbomachine. Des procédés classiques pour augmenter le transfert de chaleur emploient habituellement des procédés qui augmentent la chute de pression dans le canal de refroidissement, ce qui peut miner l'augmentation possible de poussée du fait que toujours plus d'énergie thermique est requise pour entraîner la turbomachine plus puissant pour entraîner le débit massique accru de propergol à la pression inférieure. Ceci est généralement la raison pour laquelle des moteurs à cycle de détente à haute poussée (>45 360 kg ou 100 000 livres) n'ont pas fait leurs preuves et n'ont pas été mis au point. Par conséquent, il est souhaitable de disposer d'un moteur-fusée 5 à cycle de détente présentant une capacité de transfert thermique accrue pour générer une poussée supérieure. RESUME DE L'INVENTION Le moteur-fusée à Cycle de Détente selon la présente invention 10 présente de multiples Ensembles Formant Chambres de poussée (TCA) mais une turbomachine commune telle que des turbopompes, des soupapes, et des éléments externes pour ce faire. Les multiples ensembles TCA sont assemblés parallèlement de telle sorte que la chute de pression globale dans le cycle n'augmente pas. Les diamètres 15 de chambre relativement plus petits des multiples ensembles TCA font augmenter le rapport entre le périmètre et l'aire pour fournir un contact de surface plus efficace pour le transfert de chaleur. La poussée unitaire fournie par les multiples ensembles TCA individuels s'additionne pour parvenir à l'exigence de niveau de poussée totale du 20 moteur. Les multiples ensembles TCA avec turbomachine commune réduisent le poids et augmentent la fiabilité sans sacrifier l'Impulsion Spécifique (ISP). La turbomachine commune utilise des conduites d'alimentation communes pour conserver la simplicité d'interface d'un 25 étage de véhicule à moteur unique. Les multiples ensembles TCA relativement plus petits offrent également une configuration de moteur plus courte qui permet une réduction de la longueur inter-étage du véhicule pour offrir un avantage en termes d'optimisation structurale et de masse totale de l'étage. 30 La présente invention met donc à disposition un moteur-fusée à cycle de détente présentant une capacité de transfert thermique accrue pour générer une poussée supérieure. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 35 Les diverses caractéristiques et les divers avantages de cette invention apparaîtront aux hommes du métier à la lecture de la description détaillée suivante du mode de réalisation actuellement décrit. Les dessins qui accompagnent la description détaillée peuvent être brièvement décrits comme suit : La Figure 1 est un schéma de principe simplifié général d'un moteur-fusée à cycle de détente avec turbopompes séparées en tant 5 que turbomachine commune ; La Figure 2 est un schéma de principe simplifié général d'un moteur-fusée à cycle de détente avec turbomachine commune à turbopompes à multiplicateur de vitesse ; et La Figure 3 est un schéma de principe simplifié général d'un 10 moteur-fusée à cycle de détente avec une turbomachine commune à turbopompe à arbre unique. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION DECRIT La Figure 1 illustre de manière simplifiée un moteur-fusée à 15 cycle de détente. Le moteur comporte en général de multiples Ensembles Formant Chambres de Poussée (TCA) 12A, 12B, un système d'alimentation en carburant 14 et un système d'alimentation en oxydant 16. Il convient de comprendre que bien que deux ensembles TCA 12A, 12B soient illustrés dans le mode de réalisation décrit, on 20 peut utiliser avec celui-ci tout nombre quelconque d'ensembles TCA 12A à 12n qui communiquent avec le système d'alimentation en carburant 14 et le système d'alimentation en oxydant 16 de façon parallèle. Le système d'alimentation en carburant 14 comporte une 25 turbomachine à carburant commun 20 telle que des turbopompes, des soupapes, et des éléments externes pour délivrer le carburant à chacun des ensembles TCA 12 de manière parallèle. Le carburant est délivré depuis un réservoir à carburant 22 au moyen de la turbomachine à carburant commune 20 telle qu'une pompe de 30 suralimentation 24 et une pompe à carburant principale 26. Il convient de comprendre que les turbopompes de la turbomachine à carburant commune 20 telle qu'illustrée dans le mode de réalisation décrit comportent la pompe de suralimentation 24 et la pompe à carburant principale 26, cependant, des composants additionnels ou d'autres 35 peuvent sinon être utilisés pour délivrer le carburant à chacun des ensembles TCA de manière parallèle. Le carburant provenant de la pompe à carburant principale 26 est délivré à une paroi refroidie par fluide de chacun des ensembles TCA 12A, 12B par l'intermédiaire de conduites d'alimentation en carburant haute pression 3OA, 3OB. Le carburant peut au moins partiellement être dans un état liquide à ce stade du cycle de détente. Chaque paroi refroidie par fluide de chacun des ensembles TCA 12A, 12B définit un axe de poussée T au moyen d'une section de tuyère 32A, 32B, une section 35A, 35B de chambre de combustion en amont de la section de tuyère 32A, 32B et un col 34A, 34B de chambre de combustion entre elles. A partir de chaque paroi refroidie par fluide de chacun des ensembles TCA 12A, 12B, le carburant qui a été chauffé habituellement jusqu'à un état gazeux par l'intermédiaire d'une absorption d'énergie thermique provenant de chaque ensemble TCA 12A, 12B est délivré par des conduites d'écoulement de carburant 36A, 36B respectives à une conduite d'écoulement de carburant combinée 38. La conduite d'écoulement de carburant combinée 38 délivre le carburant chauffé par l'intermédiaire de la pompe à carburant principale 26 et détendu dans une turbine pour entraîner la pompe à carburant principale 26. Il convient de comprendre que la pompe à carburant principale peut comporter un nombre multiple d'étages. A partir de la pompe à carburant principale 26, le carburant qui a été détendu dans la turbine est délivré à la turbomachine à oxydant commune 40 telle que des turbopompes, des soupapes, et des éléments externes dans le système d'alimentation en oxydant 16 par l'intermédiaire d'une conduite d'écoulement de carburant combinée 42. Le carburant à l'intérieur de la conduite d'écoulement de carburant combinée 42 est détendu dans une turbine d'une pompe à oxydant principale 44 pour entraîner le système d'alimentation en oxydant 16. Il convient de comprendre que le turbomachine à carburant commune 20 et la turbomachine à oxydant commune 40, bien que positionnées de manière séparée et comportant des turbopompes séparées, sont "communes" telles qu'ici définies en tant que turbomachine à carburant commune 20 et turbomachine à oxydant commune 40 communes aux multiples ensembles TCA. A partir de la pompe d'alimentation en oxydant 44, le carburant qui a été détendu dans la turbine est délivré à une section d'injecteur 46A, 46B de chaque ensemble TCA, 12A, 12B par l'intermédiaire d'une conduite d'écoulement de carburant brûlé combinée 48. La conduite d'écoulement de carburant brûlé combinée 48 comporte des dérivations 5OA, 5OB pour délivrer le carburant de manière parallèle à chaque ensemble TCA 12A, 12B par l'intermédiaire d'un système de soupape de commande 52A, 52B respectif pour l'allumage dans chaque ensemble TCA 12A, 12B. Le carburant qui a été détendu dans la turbine de la pompe à carburant principale 26 peut de plus être délivré depuis la conduite d'écoulement de carburant combinée 42 par l'intermédiaire d'une conduite d'écoulement de turbine 43 pour entraîner la pompe de suralimentation 24, après quoi le carburant détendu est alors délivré à la conduite d'écoulement de carburant brûlé combinée 48. D'autres sorties de la pompe à carburant principale 26 peuvent de plus délivrer directement du carburant à chaque dérivation 5OA, 5OB de la conduite d'écoulement de carburant brûlé combinée 48 par l'intermédiaire d'une conduite de mélange de carburant 54A respective par l'intermédiaire d'un système de soupape de commande 56A pour l'allumage dans chaque ensemble TCA 12A, 12B. La conduite de mélange de carburant 54 contourne en général le circuit de refroidissement de chacun des ensembles TCA 12A, 12B pour commander la température du carburant délivré à la section d'injecteur 46A, 46B de chaque ensemble TCA, 12A, 12B. L'oxydant est délivré depuis un réservoir à oxydant 60 au moyen de la turbomachine à oxydant 40, telle qu'une pompe de suralimentation à oxydant 62 et la pompe à oxydant principale 44 à la section d'injecteur 46A, 46B de chaque ensemble TCA, 12A, 12B par l'intermédiaire d'une conduite d'amenée d'oxydant 66 possédant des dérivations 68A, 68B avec un système de soupape de commande 64A, 64B respectif. Il convient de comprendre que la turbomachine à oxydant commune 40 qui est illustrée dans le mode de réalisation décrit comporte la pompe de suralimentation 62 et la pompe à oxydant principale 44, cependant, des composants additionnels ou d'autres peuvent être utilisés pour délivrer l'oxydant à chacun des ensembles TCA 12A, 12B de manière parallèle. Le mode de réalisation des Figures 2 et 3 comporte de manière générale des composants communs à ceux du mode de réalisation précédent, si bien qu'un usage constant de numéro de référence sera omis tandis que des composants plus spécifiques aux modes de réalisation des Figures 2 et 3 seront décrits en détail. On comprendra que le fonctionnement du mode de réalisation des Figures 2 et 3 est en général tel que le mode de réalisation de la Figure 1, cependant, la turbomachine à carburant commune 20 et la turbomachine à oxydant commune 40 ont été combinées en un agencement 70 de turbomachine à turbopompe à multiplicateur de vitesse commune (Figure 2) et en une turbomachine 72 à turbopompe à arbre unique commun (Figure 3). Il convient de comprendre que bien qu'un trajet d'écoulement de circuit de carburant particulier et un trajet d'écoulement de circuit d'oxydant soit illustré dans le mode de réalisation décrit, d'autres trajets d'écoulement utilisant une turbomachine commune profiteront également de la présente invention. Les multiples ensembles TCA à turbomachine commune réduisent le poids et augmentent la fiabilité sans sacrifier l'Impulsion Spécifique (ISP). La turbomachine commune utilise des conduites d'alimentation communes pour conserver leur simplicité d'interface d'un étage de véhicule à moteur unique. Les multiples ensembles TCA relativement plus petits offrent également une configuration de moteur plus courte, ce qui permet de réduire la longueur d'inter-étage du véhicule pour bénéficier d'une optimisation structurale et de masse totale de l'étage. Bien que des séquences d'étape particulières soient représentées, décrites, et selon les revendications, il convient de comprendre que les étapes peuvent être accomplies dans tout ordre quelconque, séparées ou combinées sauf indication contraire, et profiteront toujours de la présente invention. La description susdite est exemplaire plutôt que définie par les limitations qu'elle comporte. De nombreuses modifications et variantes de la présente invention sont possibles à la lumière des enseignements ci-dessus. Les modes de réalisation décrits de cette invention ont été décrits, cependant, un homme du métier constatera que certaines modifications pourraient s'inscrire dans la portée de cette invention. Il faut donc comprendre que dans la portée selon les revendications annexées, l'invention peut être mise en pratique différemment que tel que décrit précisément. Pour cette raison, les revendications suivantes REVENDICATIONS 1. Moteur-fusée à cycle de détente comprenant : de multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) à l'intérieur d'un agencement à cycle de détente commun. 2. Moteur-fusée selon la revendication 1, comprenant en outre un système d'alimentation en carburant (14) destiné à délivrer du carburant auxdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) de manière parallèle. 3. Moteur-fusée selon la revendication 2, dans lequel ledit système d'alimentation en carburant (14) comporte une pompe à carburant principale (26) entraînée au moins partiellement par du carburant détendu avec l'énergie thermique provenant desdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B). 4. Moteur-fusée selon la revendication 3, dans lequel ladite pompe à carburant principale (26) comporte une pompe à étages multiples. 5. Moteur-fusée selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ledit système d'alimentation en carburant (14) comporte une pompe de suralimentation(24) en amont de ladite pompe à carburant principale (26). 6. Moteur-fusée selon la revendication 3, 4 ou 5, dans lequel ladite pompe à carburant principale (26) délivre du carburant de manière parallèle par l'intermédiaire d'une paroi refroidie par carburant de chacun desdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B). 7. Moteur-fusée selon la revendication 6, dans lequel ledit carburant est détendu dans une turbine de ladite pompe à carburant principale (26) en aval de ladite paroi refroidie par carburant de chacun desdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B). S. Moteur-fusée selon la revendication 7, dans lequel ledit carburant détendu est détendu dans une turbine d'une pompe à oxydant (44) en aval de ladite pompe à carburant principale (26).9. Moteur-fusée selon la revendication 8, dans lequel ledit carburant détendu provenant de ladite pompe à oxydant (44) est délivré à un système d'injecteur (46A, 46B) de chacun desdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B). 10. Moteur-fusée selon la revendication 8 ou 9, dans lequel ladite pompe à oxydant (44) délivre un oxydant à un système d'injecteur (46A, 46B) de chacun desdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B). 11. Moteur-fusée à cycle de détente comprenant : de multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) ; et un système de turbomachine (20, 40) destiné à délivrer un propergol auxdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) de manière parallèle, ledit système de turbomachine (20, 40) étant au moins partiellement entraîné par ledit propergol détendu avec l'énergie thermique provenant desdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B). 12. Moteur-fusée selon la revendication 11, dans lequel ledit système de turbomachine (20, 40) comporte un système de turbomachine à oxydant (40) destiné à délivrer un oxydant auxdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) de manière parallèle. 13. Moteur-fusée selon la revendication 12, dans lequel ledit système de turbomachine à oxydant (40) comporte une pompe à oxydant principale (44). 14. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel ledit système de turbomachine (20, 40) comporte un système de turbomachine à carburant (20) destiné à délivrer un carburant auxdits multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) de manière parallèle. 15. Moteur-fusée selon la revendication 14, dans lequel ledit système de turbomachine à carburant (20) comporte une pompe à carburant principale (26). 16. Moteur-fusée selon la revendication 11, dans lequel ledit système de turbomachine comporte un système de turbomachine à carburant (20) à l'intérieur d'un système en carburant (14) et un système de turbomachine à oxydant (40) à l'intérieur d'un système en oxydant (16) .17. Procédé destiné à faire fonctionner un moteur-fusée à cycle de détente comprenant les étapes consistant à : (A) délivrer un fluide parallèlement à de multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) au moyen d'un système de turbomachine commune (20, 40) ; et (B) entraîner au moins partiellement le système de turbomachine commune (20, 40) par la détente du fluide avec l'énergie thermique provenant des multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) ; et (C) allumer le fluide à l'intérieur des multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) après ladite étape (B). 18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel ladite étape (B) comprend en outre l'étape consistant à : (a) entraîner au moins partiellement un système de turbomachine à oxydant (40) qui délivre un oxydant aux multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) de manière parallèle à un système de turbomachine à carburant (20) qui délivre un carburant aux multiples ensembles formant chambres de poussée (TCA 12A, 12B) de manière parallèle.