Brevet FR2957635A1 — publié le 20110923

MOTEUR PROPULSEUR MULTICHAMBRES A PRESSION STATIQUE NEGATIVE La présente invention concerne les moteurs propulseurs utilisés par les missiles militaires, balistiques ou pas, et par les lanceurs des objets dans l'espace. Les premières moteurs de cette type ont été crée dans les années '50 quand le moteur fusée et le moteur turbocompresseur ont été combinée. Schématiquement les propulseurs modem sont une combinaison entre un moteur fusée et un moteur turbocompresseur, leur fonctionnement consiste en une combustion en deux temps à flux intégré, ou a flux dérivé. Dans une chambre de précombustion capable de supporte des pressions élevées, une petite quantité des ergols sont brute dans le but de générer l'énergie nécessaire a 1G l'entraînement des pompes a ergols. Les pompes a ergols dans le cas des moteurs a flux intégrée sont montées solidaires avec le turbine sur un axe central et l'ensemble sera entraîné - grâce a la turbine - par les gaz brillées provenant des chambres de précombustion situées entre les pompes à ergols et la turbine. 45 (Voir Fig. Nr. 1). La combustion de ces gaz s'achève ensuit, âpres mélange avec le reste des ergols frais, dans la chambre de combustion principale. Le refroidissement de la chambre de combustion est fait par un système de canaux remplis d'oxygène liquide tout en préchauffant les gaz liquéfie en vu de sa combustion. 2.0 S'arracher a la gravite terrestre réclame une quantité d'énergie colossale, il faut prés de 700 tonnes d'ergols pour envoyer une charge utile de cinq tonnes en orbite géostationnaire. Tous les efforts des concepteurs des propulseurs tendons vers la création des moteurs fusée puissants et des plus en plus fiable, mais aussi de plus en plus économiques, 25 moins gourmands en propergols. Schématiquement on peut jouer sur deux paramètre afin d'obtenir une grande puissance sur un moteur fusée, et ce quel que soit le carburant utilise 1) Augmenter le débit de celui ci, car le moteur fusée repose sur le principe de la matière éjectée, qui nous propulse dans le sens opposé. ) Augmenter la vitesse de sortie de cette matiere, car plus cette vitesse en sortie sera élevée, et plus notre moteur sera performant. Les deux paramètres sont inter-lies, un dépendant de l'autre et également dépendant d'autres facteurs spécifiques (pressions, températures... ). De nouveau moteurs ont vu leur apparition mais, soit leur cout, soit leur rapport de masse (rapport poids / puissance) est très défavorable faisant leur utilisation très délicate, voir dans certains cas impossible au stade actuel de savoir faire. C'est le cas du Statoréacteur, La Propulsion Fusée par Détonation Pulsée (PDRE), La Propulsion Nucléaires, VASIMIR., etc.... SIO Mon invention a comme objectif l'augmentation de la vitesse de sortie de la matière éjecte par la tuyère tout en gardant le même débit massique, c'est-à-dire en gardant la même consommation spécifique de carburant mais, en améliorant considérablement favorable le rapport de masse de l'ensable du lanceur (le rapport poids - puissance). Le changement favorable du rapport poids t puissance de l'engin va permettre soit .l5 d'améliorer les performances en vol de l'aéronef, soit de réduire la quantité des ergols emportées par le lanceur, soit en améliorant leur Isp. = l'Impulsion spécifique. Pour mieux voir en que ça consiste le changement apporte par mon invention on doit revenir et revoir les principes de base de fonctionnement du moteur propulseur : ) Le principe de la matière éjectée qui nous propulse dans le sens oppose F=ma. V b) Le principe de la conservation du débit massique Le long d'un tube de courent la pression totale Pt , le débit Q et l'énergie totale E restent constante a toute section S du tube. c) Le principe de la diminution de la Pression statique (Ps) d'un gaz en écoulement 25 dans un tuyau a diamètre variable selon la loi de BERNOULLI. Pt = Ps + Pd Dans un écoulement d'air suppose incompressible, la somme de la pression statique (Ps) et de la pression dynamique (Pd) reste constante le long d'une ligne de courant. On constate donc que la pression statique (Ps) diminue au fur et au mesure que la 30 vitesse d'écoulement augmente = effet VENTURI. En résumant le rendement du moteur propulseur dépend de plusieurs facteurs constructeurs, et il dépend principalement de la pression et de la température dans la chambre de combustion, et de la quantité et de la vitesse du débit massique éjecte par la tuyère de sortie. Pour améliorer la pussée les constructeurs ont travaillé sur des moteurs qui fonction a de pressions et des températures très élevées dans la chambre de combustion, et ils ont augmente le débit massique de celle-ci, et ça donne des consommations des ergols très importantes. Comme a l'heure actuelle toutes ce possibilités ont été explorée moi, avec mon invention, je. me suis intéresse sur la possibilité d'augmenter la vitesse de sortie de la matière éjecté par la tuyère du moteur, sans augmenter : ni la pression dans la chambre de combustion et, ni le débit massique de celui ci. En exploitant mieux le fennomane de la diminution de la Pression statique (Ps) dans ~Q le long d'une ligne de courant d'écoulement a diamètre variable selon la loi de Bernoulli, et en appliquant le principe du tube de Venturi, j'ai fait augmenter la vitesse de sortie de la matière éjecté par la tuyère du moteur. En partant du fait que l'énergie de pression de la chambre de combustion va être transformé dans la tuyère en énergie cinétique, ont peut constater que de quoi on va 15 augmenter la Pression dynamique (Pd) l'énergie cinétique obtenue en sortie va être beaucoup plus importante. Pour augmenter la vitesse en sortie de la tuyère ont peut faire monte la pression dans la chambre de combustion, mais, il y a des limites que on ne peut pas les dépasser. C'est pour cette raison que moi avec mon invention j'ai fractionne cette chambre de Zj combustion en plusieurs éléments séparées et leur Pression (Pd) sera additionné dans la tuyère, grâce au effet de la loi de Bernoulli. Le résultat sera que la Vitesse ( Ve ) d'écoulement des gaz brule en sortie par la tuyère va être en conséquence de autant de foi augmentée égale avec les nombres des éléments moteurs auxiliaires resultées par la division de la chambre principale de combustion. (Voir Fig. 2.) 2.5 Mon moteur comme les autres moteurs , déjà existent, est une combinaison entre un moteur fusée et un moteur turbocompresseur, et pour facilitée les explications j'ai choisit le cas du fonctionnement en cycle de combustion en deux temps a flux intégrée. Mais, l'invention présente peut s'appliquer aussi bien aux moteurs qui fonction en cycle a flux dérivé, parce que le changement que moi, j'ai fait apporte, concerne la partie 34 fusée et pas la partie turbocompresseur. De plus dans le cas à des petits moteurs fusés, les turbopompes ne sont pas nécessaires. Pour injecter les ergols on utilise un gaz relativement neutre (Hélium) qui augmente la pression dans les réservoirs et qui pousse les ergols dans la chambre de combustion. La première partie de mon moteur ù la partie turbocompresseur - va être similaire aux moteurs connus (déjà existantes), qu'est que sa va changer c'est la partie fusée. Dans le corps central du moteur il y a les deux pompes à ergols qui sont montées solidaires avec la turbine sur un axe central et l'ensemble sera entaillée par les gaz brulees provenant des chambres de précombustion situées entre les pompes à ergols et la turbine. (Voir Fig. Nr. 2). Par la suite selon l'invention les gaz broie vont être acheminée vers une CHAMBRE INITIALE de combustion ou, avec l'arrive d'une partie des gaz frais, la combustion dans la partie fusée commence. ~D La CHAMBRE PRINCIPALE de combustion, selon l'invention, est compose d'une CHAMBRE INITIALE de combustion et des deux ou plusieurs autres CHAMBRES AUXILLIAIRES de combustion (Voir Fig.2). La sortie des gaz brule de la chambre initiale de combustion ne se fera plus directement par la tuyère classique de détente mais, selon l'invention, les gaz broie vont ,16 être achemine par un CANAL de COMBUSTION vers la tuyère finale de détente en traversant l'ensemble de la chambre de combustion mufti étagée. (Voir Fig. N:3 et 4) Le canal de combustion est la continuation du col de la tuyère selon le profil rationnel de celle-ci, qui comporte trois parties - la partie convergente, 20 - le col la partie divergente (Voir Fig. N. 5 ) Selon l'invention, mon moteur, suite au changement que j'ai fait apporte, va avoir une tuyère composée de ; 2.5 plusieurs parties convergentes - le canal de combustion (le col ) - la partie divergente, ou la sortie finale. (Voir Fig.N.2 et 3 ). Le canal de combustion qui achemine les gaz brule vers la tuyère de détente, selon 30 l'invention, a la forme d'un tube à diamètre constante, prévue avec des fenêtres pour recevoir les gaz brulées provenant des chambres auxiliaires de combustion. ( Voir Fig. N. 3 et 4 ). Selon l'invention, deux ou plusieurs chambres auxiliaires, de forme segmentaire disposée en anneau, dans le même plan transversal par rapport au canal de combustion peuvent venir compléter le système en coiffant le canal de combustion. (Voir Fig. N. 3 et 4). L'évacuation de leur gaz brulés se va faire, selon l'invention, par des fenêtres prévues dans le canal de combustion. Selon l'invention, chaque anneau des chambres auxiliaires de combustion va former avec la partie du canal de combustion que elle coiffe et ou elle évacue ses gaz brille une UNIT E DYNAMIQUE. (ou un Etage de Combustion) (Voir Fig. N. 3 et 4). ,/O La forme de chaque chambre auxiliaire va reproduire dans sa partie finale, la forme logique de la tuyère du moteur fusée, avec une partie convergente, un col représentée selon l'invention par la fenêtre du canal de combustion et une partie divergente qui est la sortie finale. (Voir Fig. 4). En réunissant son flux moteur avec le flux moteur de l'élément supérieur qui s'écule /5 par le canal de combustion, l'unité dynamique, va reproduire à nouveau le phénomène d'écoulement dans un tuyau à diamètre variable. Le fait d'avoir dans le canal de combustion la Pression statique (Ps) négative, par l'effet Venturi, le gaz brute des chambres auxiliaires vont être aspire dans le courant vers la tuyère finale d'évacuation. Et ce flux moteur se va comporter, selon l'invention, 20 comme un flux moteur unitaire a la quelle sera applique a nouveau les lois de Bernoulli : Pt Ps + Pd La Pression totale (Pt) sera la somme de l'adition de la Pression dynamique (Pd) de la chambre initiale et des Pressions dynamiques (Pd) des chambres auxiliaires du système dans sa totalité. 25 Le fait d'avoir fractionnée la chambre principale de combustion en plusieurs chambres (initiale et auxiliaires) a permis à mon moteur d'augmenter la vitesse d'écoulement du flux moteur Q dans le canal de combustion. Et en même temps d'augmenter par adition la Pression dynamique (Pd) du flux moteur Q , sans subir les contraintes d'une augmentation directe de la pression dans une 30 seule chambre de combustion. Le phénomène peut être expliqué aussi par le profil rationnel de la tuyère (Voir Fig. 5) : en désignant par Q le débit du gaz qui passe en une seconde dans une section quelle conque S et par d son poids spécifique et par V sa vitesse, on a Q=SVd Au fur et à mesure que les gaz avancent dans la tuyère, ils se dilatent et leur vitesse V augmente en suivant une courbe. Mais par suite de l'augmentation de volume (due à la détente) le poids spécifique du gaz diminueplus lentement que l'augmentation de vitesse, de sorte que le produit V d augmente. Or, comme le débit Q reste constant, la section S doit diminuer. C'est pourquoi, a l'entrée des gaz dans la tuyère, la section de celle-ci va en diminuant la PARTIE CONVERGENTE. Quand cette partie convergente atteint une section limite, celle-ci porte le nom de COL DE LA TUYERE. On démontre qu'à cet endroit le poids spécifique des gaz 10 diminue rapidement et pour conserver le débit Q , il faut augmenter la section S , nous auron La PARTIE DIVERGENTE. C'est dans cet endroit-la de la tuyère que tout se passe selon mon invention, c'est ici que pour conserver le débit Q je n'ai pas fait augmentée la section S mais, j'ai fait venir, selon l'invention, dans le col de la tuyère les gaz provenant de la chambre 15 auxiliaire superpose au col. La nécessite de conserve le débit Q exprime par la Pression statique (Ps) négative qui a donne l'effet Venturi va « aspire » le flux supplémentaire du débit Q' provenant de la chambre auxiliaire de combustion dans la ligne de courant du col de la tuyère, qui devient selon l'invention Le CANAL de COMBUSTION. 20 En final âpres que le canal de combustion a reçu le gaz des chambres auxiliaires, et le flux total du débit a augmente considérable sa vitesse, la tuyère peut prendre sa forme divergente en augmentant sa section S pour conserver son nouveau débit Q" en se detendant, c'est la partie divergente de la tuyère de mon moteur. En sortant de la chambre de combustion, les gaz possèdent une énergie de pression 2 6 qui sera transformée en énergie cinétique, en se détendant dans la tuyère. Par le fait de diviser la chambre de combustion, l'énergie de pression va être additionnée sous forme d'énergie cinétique dans le canal de combustion grâce_à l'effet de la loi de Bernoulli Pt = i'14- (Ps + Pd) L'énergie consomme par les pompes à ergols pour créer la pression d'injection dans les chambres de combustion ne sera pas plus importante, car la quantité totale des ergols à pomper sera identique avec un moteur similaire de sa catégorie. Comme les gaz brulees qui sortent des chambres auxiliaires de combustion vont débucher dans le canal de combustion ou la Pression statique (Ps) est diminue, leur Pressions dynamique (Pd) vont être « aspirées » dans le courant de gaz brute dans le canal de combustion vers la sortie, en augmentant la vitesse d'écoulement du flux final. Selon la loi de Bernoulli et a sa application : le tube de Venturi (Voir Fig. 6) : Pt=Ps+Pd et en sachant que, pour un corps solide, l'énergie cinétique est égale à : E ='/ZMVZ pour l'air, il soufi de remplacer la masse M par la masse volumique µ de l'air pour obtenir L'équation de l'énergie cinétique par unité de volum, ou Pression dynamique(Pd) 40 Pd =V2gV2 Puisque la pression totale N est la somme des pressions statiques Ps et dynamiques Pd, et que cette valeur est constante tout au long du tube courant, on peut donc écrire l'équation énergétique Pst += Ps2+'/2µV2 95 Le débit Q étant invariant, on peut alors écrire Psi - Ps2 = +pV, /L)2 4J Et on peut mesurer les pressions statiques, et en fonction des leur valeurs, chaque constructeur va avoir la possibilité de calculer la taille de chaque élément moteur, leur pression, leur température et leur débit du flux moteur, pour mieux bénéficie de l'effet 2C3 Venturi ( Voir Fig.6) . Dans le cas de mon moteur chaque élément dynamique va apporte son flux moteur et l'énergie cinétique finale va être calcule en tenant compte de l'apport énergétique correspondant à chaque étage dynamique : Pdf = Pdi + Priai + Pda2 +Pda 3 + Pda n 2.5 Pdf = Pdi+Z"l'/2V2- 0 u Pdf = pression dynamique finale Pdi = pression dynamique initiale Pda = pression auxiliaire Et selon le théorème des quantités de mouvements qui indique que la pousse P est proportionnelle au débit massique m° et a sa vitesse d'éjection Ve : P=m°Ve Ve - en Kg/sec m° - en Kg/sec Ve - en m/se P - en KgF En introduisant dans la formule de la poussée l'équation de l'énergie cinétique par unité de volume on obtient l'équation de la poussée de mon moteur P m°f • Vef Ou m°f la somme des débits massiques de chaque élément moteur Vef = la somme de toutes vitesses (la vitesse finale) Ou: P = ZM(m° Ve) Les chambres auxiliaires de combustions seront alimentées en ergols selon l'invention par les mêmes pompes a ergols par de canaux spéciaux prévues a leur usage, et leur tracées sera acheminée dans les parois de la tuyère, du canal de combustion et des I O chambres de combustion en vue du refroidissement du moteur et du préchauffage des ergols. Dans le canal de combustion, selon l'invention, la vitesse d'écoulement des gaz brulés va augmenter avec autant des foix, égale avec les nombres (n) des chambres auxiliaires utilisées par le constructeur. Qu'est que sa va changer dans lecaz de mon moteur, ça ne seras pa la quantité des gaz brulées mais, l'énergie cinétique de ce gaza Et comme le principe de base d'un moteur lanceur est la matière éjecte qui nous propulse dans le sensé oppose, l'énergie cinétique supplémentaire produite par mon moteur va augmenter le rendement de celui-ci sans faire appel a des quantités supplémentaires des ergols. REVENDICATIONS1) Moteur propulseur multi chambres à pression statique négative à but d'augmenter la vitesse en sortie de la matière éjecthpar la tuyère, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de combustion divisée en une chambre initiale et plusieurs autres chambres auxiliaires de combustion. 2) Moteur propulseur multi chambres à pression statique négative, selon la revendication N° 1, caractérisé en ce qu'il comporte un canal de combustion qui achemine les gaz brulés des chambres de combustion vers une tuyère finale de sortie. 3) Moteur propulseur multi chambres à pression statique négative, selon la revendication Na 2, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs unités dynamiques, chacune étant 40 constituée par le canal de combustion et une chambre auxiliaire de combustion adjacente, chaque unité dynamique formant un étage de combustion. 4) Moteur propulseur selon la revendication Na 3, caractérisé en ce que chaque unité dynamique présente un profil convergent suivi d'un col. 5) Moteur propulseur selon l'une quelconque des revendications N° 3 et 4, caractérisé en 15 ce qu'il comporte le long du canal de combustion plusieurs unités dynamiques présentant chacune un profil convergent suivi d'un col.