Brevet FR3019593A1 — publié le 20151009

SYSTÈMES UTILISANT UN SYSTÈME À GÉNÉRATEUR DE CA À TENSION RÉGLABLE CONTEXTE 1. Domaine La présente description concerne des systèmes utilisant des moteurs électriques, plus précisément des moteurs électriques à CA utilisés dans un véhicule. 2. Description de l'état de la technique Les véhicules propulsés par une fusée peuvent comprendre des pompes à combustible et à oxydant qui sont mécaniquement liées à une turbine de production d'électricité qui est alimentée par les gaz d'échappement à partir d'une chambre séparée de combustion non associée à la chambre de combustion principale de la fusée. Les pompes peuvent être reliées mécaniquement à la turbine de production d'électricité par le biais d'un train d'engrenages. Dans ce cas, la vitesse de chaque pompe est proportionnelle à la vitesse de la turbine de production d'électricité qui est variable, donc la vitesse de chaque pompe est régulée par modification de la vitesse rotationnelle de la turbine de production d'électricité. Avec ce type d'architecture de transmission de puissance mécanique, la vitesse de rotation des pompes ne peut pas être contrôlée de manière indépendante. De plus, le système mécanique qui relie les pompes à la turbine de production d'électricité est lourd et exige que les pompes soient situées près de la turbine de production d'électricité. Dans certaines situations, la pompe à oxydant et la pompe à combustible peuvent être montées sur le même arbre de rotation que la turbine de production d'électricité. Cette architecture n'a pas la complexité de l'architecture à turbopompe de fusée à fusée à engrenages décrite précédemment, toutefois les rendements des pompes et de la turbine de production d'électricité sont réduits, comme chaque composant est forcé de fonctionner à la même vitesse de rotation. Il serait possible d'alimenter des pompes alimentées par du CA par entraînement électrique avec un système de conversion CA-CC-CA qui est conçu pour réguler la vitesse de chaque pompe indépendamment de la vitesse de la turbine de production d'électricité, toutefois, un tel système ajouterait un poids important au véhicule propulsé par une fusée et ne serait pas forcément bénéfique par rapport à un système mécanique. Ces procédés et ces systèmes classiques ont généralement été considérés comme satisfaisants pour leur objectif visé. Toutefois, il existe encore un besoin dans la technique d'un système permettant l'utilisation efficace de pompes à moteurs électriques dans un véhicule propulsé par une fusée. La présente description propose une solution pour ce problème. RÉSUMÉ L'invention concerne un système servant à alimenter une pompe dans un véhicule propulsé par une fusée, comprenant un générateur de CA à tension réglable qui est conçu pour être connecté à un arbre de turbine de production d'électricité et qui est conçu pour convertir l'énergie de rotation en énergie électrique. Le générateur de CA à tension réglable est conçu pour produire une tension voulue quel que soit la variation de vitesse de rotation de l'arbre de turbine de production d'électricité. Une pompe à moteur électrique à CA est conçue pour pomper au moins un combustible ou un oxydant vers une chambre de combustion du véhicule propulsé par une fusée. Un bus électrique à CA connecte le générateur à CA à tension réglable au moteur électrique à CA qui entraîne la pompe. Dans certains modes de réalisation, le système peut en outre comprendre une turbine de production d'électricité connectée de manière fonctionnelle au générateur à CA à tension réglable et conçue pour convertir l'énergie de gaz d'échappement en mouvement de rotation d'un arbre de turbine de production d'électricité. Le système peut en outre comprendre un contrôleur conçu pour contrôler le générateur à CA à tension réglable pour produire la tension voulue. Le contrôleur peut avoir un système de rétrocontrôle servant à déterminer un écoulement de fluide ou une vitesse de la pompe du moteur électrique à CA, et peut modifier la tension du générateur à CA à tension réglable pour obtenir une vitesse de pompe ou un débit de fluide voulu. Dans certains modes de réalisation, le système peut en outre comprendre une pompe électrique à CA pour combustible et une pompe électrique à CA pour oxydant et un générateur correspondant à tension réglable pour chaque pompe. Chaque générateur contrôlable peut être disposé de manière coaxiale sur l'arbre de turbine de production d'électricité ou couplé par engrenages à cet arbre, ou selon tout autre moyen approprié. Dans certains modes de réalisation, la pompe à combustible peut être disposée à proximité d'un réservoir de combustible. La pompe à oxydant peut être disposée à proximité d'un réservoir de combustible ou de toute autre manière appropriée. Dans certains modes de réalisation, une des pompes peut être disposée coaxialement sur l'arbre de turbine de production d'électricité ou au générateur de CA à tension réglable, ou couplée par engrenages à ceux-ci, de sorte que la pompe est entraînée mécaniquement et que l'autre pompe est entraînée électriquement par le générateur de CA à tension réglable. Dans au moins un aspect de cette description, un procédé comprend le contrôle d'une tension de sortie d'un générateur à tension réglable attaché à une turbine de production d'électricité d'un véhicule propulsé par une fusée qui est conçu pour convertir de l'énergie de gaz d'échappement en mouvement de rotation d'un arbre de turbine de production d'électricité et en permettant au générateur de tension réglable d'alimenter une pompe à moteur électrique à CA dans un véhicule propulsé par une fusée. La pompe du moteur électrique à CA peut être toute pompe à moteur électrique approprié (par ex. un moteur à induction et/ou toute autre pompe à moteur électrique appropriée qui est conçue pour tolérer le glissement). Le procédé peut en outre comprendre la détermination d'une vitesse de la pompe ou d'un débit de fluide d'au moins soit un oxydant soit un combustible. Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend en outre l'augmentation de la tension de sortie si la vitesse de la pompe ou le débit du fluide est déterminé comme inférieur à une vitesse et/ou si l'on diminue la tension de sortie si l'on détermine que la vitesse de pompe ou le débit de fluide est supérieur à une vitesse voulue. Le procédé peut en outre comprendre l'actionnement du générateur de CA à tension réglable pour obtenir une tension constante en réponse à une variation de la vitesse d'arbre de turbine de production d'électricité. Dans certains modes de réalisation, le procédé peut en outre comprendre de multiples pompes à moteur électrique du véhicule propulsé par une fusée indépendamment l'une de l'autre. Le procédé peut en outre comprendre la régulation de la vitesse de la pompe du moteur électrique à CA du véhicule propulsé par une fusée indépendamment de la vitesse de l'arbre de turbine de production d'électricité. Ces caractéristiques et d'autres des systèmes et des procédés de la présente description deviendront plus facilement apparentes aux spécialistes d'après la description détaillée suivante prise conjointement avec les dessins. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Pour que les spécialistes de la technique dont il est question ici comprennent facilement comment utiliser les dispositifs et les procédés de la description du sujet sans expérimentation superflue, on va décrire des modes de réalisation en détail ici ci-après en se référant à certaines figures, parmi lesquelles : La figure 1 est une vue partielle en perspective d'un mode de réalisation d'un système conforme à cette description ; La figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un système conforme à cette description ; La figure 3 est une vue schématique d'une partie d'un mode de réalisation d'un véhicule propulsé par une fusée conforme à cette description ; et La figure 4 est une vue partielle en perspective d'un mode de réalisation d'un système conforme à cette description, montrant une pompe disposée coaxialement avec un générateur et une autre connectée électriquement au générateur.15 DESCRIPTION DÉTAILLÉE On va maintenant se référer aux dessins où des numéros identiques de référence identifient des caractéristiques ou des aspects similaires de structure de la description en objet. À des fins d'explication et d'illustration, et sans limitation, un exemple de mode de réalisation d'un système 100 conforme à la description apparaît à la figure 1. Une vue systématique d'un système 100 apparaît à la figure 2 et apparaît dans un véhicule propulsé par une fusée 300 à la figure 3. Les systèmes et les procédés décrits ici peuvent être utilisés pour réguler l'alimentation en combustible et/ou en oxydant dans un moteur-fusée indépendamment de la vitesse de la turbine. Si l'on se réfère aux figures 1 et 2, on voit que dans au moins un aspect de cette description, un système 100 comprend un générateur de CA à tension réglable 103 qui est conçu pour être connecté à un arbre 102 de turbine de production d'électricité d'une turbine de production d'électricité 101, et elle est conçue pour convertir une énergie de rotation en énergie électrique. Le générateur de CA à tension réglable 103 peut correspondre à tout générateur de tension contrôlable approprié conçu pour modifier la tension de sortie pour une vitesse donnée de rotation du générateur de CA à tension réglable 103. Le brevet U.S. n° 7 385 332 de Himmelmann décrit par exemple un type approprié de générateur de CA à tension réglable. Les exemples non limitatifs de générateur de CA à tension réglable comprennent : 1) une machine à inducteur enroulé où l'on peut augmenter ou réduire le courant d'excitation (appliqué au rotor d'étage principal) pour faire varier la quantité de flux magnétique interagissant avec le stator d'étage principal ; 2) un générateur d'induction qui peut augmenter ou diminuer la fréquence du champ d'excitation (en modifiant ainsi le taux de glissement), qui modifie ensuite le flux magnétique sur le rotor, en modifiant ainsi la tension de sortie d'étage principal ; 3) une machine à aimant permanent dont le rotor peut être sorti du stator, ce qui modifie la longueur effective d'empilage de la machine, ce qui modifie le taux de flux de rotor réagissant avec le stator, en modifiant la tension de sortie ; 4) une machine à aimant permanent dans laquelle une gaine métallique peut être introduite partiellement ou entièrement entre le rotor et le stator (un volet magnétique) en court-circuitant efficacement le flux magnétique sur le rotor, ce qui modifie la quantité de flux interagissant avec le stator, en altérant la tension de sortie de la machine ; 5) une machine à aimant permanent qui peut avoir un rotor à deux pièces, fendu axialement de sorte qu'une moitié du rotor peut être tournée par rapport à l'autre, ce qui annule une partie du flux magnétique interagissant avec le stator, ce qui modifie la tension de sortie ; et 6) une machine à aimant permanent qui peut incorporer des enroulements de régulation dans le stator susceptibles de provoquer une saturation ou qui peut rediriger le flux magnétique à l'écart des bobines principales de stator, ce qui modifie la tension principale de sortie du stator. Le système 100 peut en outre comprendre au moins une turbine de production d'électricité 101 conçue pour convertir l'énergie de gaz d'échappement en énergie de rotation d'un arbre de turbine de production d'électricité 102 par le biais des aubes de turbine. Si l'on se réfère en outre à la figure 3, on voit que la turbine de production d'électricité 101 peut être raccordée à sa propre chambre de combustion de turbine 6 et/ou peut être raccordée à un échappement à partir de la chambre principale de combustion 13. Le générateur de CA à tension réglable 103 peut être configuré pour produire une tension voulue quelle que soit la variation de vitesse de rotation de l'arbre de turbine de production d'électricité 102. À cet égard, le générateur 103 peut produire une tension voulue même si la vitesse de la turbine de production de vapeur 101 change du fait des fluctuations du débit des gaz d'échappement et/ou pour d'autres raisons. Le système 100 comprend en outre une pompe à moteur électrique à CA 105 conçu pour pomper du combustible et/ou de l'oxydant jusqu'à au moins une chambre de combustion 6, 13 (cf. fig. 3) du véhicule propulsé par une fusée 300, et un bus à CA 107 raccordant le générateur de CA réglable 103 à chacune des pompes à moteur électrique à CA 105. La pompe à moteur électrique 105 peut être toute pompe à moteur électrique appropriée, conçue pour fonctionner avec un courant alternatif (par ex. un moteur à induction et/ou tout moteur électrique approprié conçu pour tolérer le glissement). Le bus à CA 107 peut correspondre à toute connexion appropriée servant à alimenter la pompe à moteur électrique à CA 105 (par ex. une connexion triphasée). La vitesse de la pompe à moteur électrique à CA 105 peut être suivie et/ou limitée par un contrôleur de pompe 109 qui est connecté en cours de fonctionnement à la pompe 105 et/ou avec au moins un des capteurs (par ex. un capteur d'écoulement, un capteur de vitesse) disposé là par le biais de tout circuit, matériel et/ou logiciel approprié. Le système 100 peut en outre comprendre un contrôleur de générateur 111 conçu pour réguler le générateur de CA à tension réglable 103 pour produire la tension voulue. Le contrôleur de générateur 111 peut avoir tout système approprié de rétrocontrôle et/ou être configuré pour communiquer avec le contrôleur de pompe 109 de sorte que le contrôleur de générateur peut déterminer un débit de fluide ou une vitesse de la pompe à moteur électrique à CA 105. Le contrôleur de générateur 111 est en outre conçu pour modifier la tension du générateur de CA à tension réglable 103 pour obtenir une vitesse de pompe et/ou un débit de fluide voulu. Le contrôleur de générateur I 1 1 peut être conçu pour modifier la tension de sortie conformément à un algorithme prédéfini mis en oeuvre par le biais de tout circuit, matériel ou logiciel approprié, ou par le biais d'un autre programme approprié. Si par exemple le contrôleur de générateur 111 ou le contrôleur de pompe 109 détermine que le débit de fluide est insuffisant, alors le contrôleur de générateur 111 peut modifier le générateur de CA à tension réglable 103 pour produire une plus grande tension et vice versa. Le contrôleur de générateur 111 peut aussi être raccordé à la turbine 101 pour déterminer une modification de la vitesse de rotation de la turbine 101, de sorte que le contrôleur de générateur I 1 1 puisse modifier la tension de sortie amenant le générateur 103 à maintenir une sortie à tension constante/voulue et/ou anticiper sur les fluctuations de la turbine 101. Si l'on se réfère à la figure 2, on voit qu'un contrôleur maître 113 peut comprendre être compris dans le système 100 de sorte que le contrôleur maître 113 comprend à la fois le contrôleur de pompe 109 et le contrôleur de générateur 111 mis en oeuvre sous forme de modules logiciels. Si l'on se réfère en outre à la figure 3, on voit que le système 100 apparaît indépendamment dans un véhicule propulsé à fusée 300. Le véhicule 300 peut en outre comprendre à la fois une pompe à combustible électrique à CA 3 et une pompe à oxydant électrique à CA 4 et un générateur de CA à tension réglable 103 pour chaque pompe. Chaque générateur de CA à tension réglable 103 peut être disposé coaxialement sur l'arbre de turbine de production d'électricité 102 ou selon toute autre manière appropriée. Les générateurs peuvent par exemple être également connectés à la turbine par le biais d'une boîte à engrenages, ou de chaînes, de courroies, d'entraînements par frottement, etc. La pompe à combustible 3 peut être disposée à proximité d'un réservoir de combustible à l'opposé, et non près de la turbine 101, comme la pompe à combustible 3 n'a plus besoin d'être liée mécaniquement à la turbine 101. La pompe à oxydant 4 peut aussi ou sinon être disposée à proximité d'un réservoir d'oxydant de manière similaire pour des raisons similaires. Selon un autre mode de réalisation, comme le montre la figure 4, une pompe 205 (par ex. un impulseur) peut être disposée sur l'arbre de turbine 202 d'une turbine 201 le long d'au moins un générateur 103. Une deuxième pompe (par ex. une pompe à moteur électrique 105) peut se trouver à proximité de son réservoir. Dans un tel mode de réalisation, le fait de faire varier la vitesse de la turbine 201 peut réguler la vitesse de la pompe 205, tandis que le générateur de CA à tension réglable 103 peut faire varier la vitesse de la pompe à moteur électrique 105 indépendamment de la vitesse de la turbine 201. Cela permet un système où les deux pompes 105, 205 peuvent avoir une vitesse variable indépendamment, tandis qu'elles n'ont besoin que de porter la masse et la complexité d'un générateur 103 et d'un moteur électrique pour la pompe à moteur électrique 105. Comme le montre la figure 4, le contrôleur de pompe 109 peut aussi être conçu pour recevoir aussi des signaux à partir d'un premier capteur de pression 204 et/ou d'un deuxième capteur de pression 206 pour déterminer une pression d'un écoulement de fluide produit par les pompes 105, 205 (par ex. une pression de combustible et/ou une pression d'oxydant) Dans certains modes de réalisation, comme le montre la figure 3, le contrôleur de générateur 111 peut être configuré pour produire différentes tensions pour actionner la pompe à combustible 3 et la pompe à oxydant 4 indépendamment l'une de l'autre à des vitesses différentes et/ou identiques (par ex. une pompe peut être maintenue à une vitesse constante alors que l'autre est modifiée à une vitesse variable). Dans certains modes de réalisation, le générateur 103 peut être configuré pour permettre l'inclusion d'un redresseur actif et/ou passif qui peut siphonner une partie de la puissance électrique à partir du système de turbopompe électrique, ce qui lui permet une utilisation pour alimenter d'autres pièces d'équipement du véhicule. Dans au moins un aspect de cette description, un procédé comprend la régulation d'une tension de sortie d'un générateur à tension réglable 103 attaché à une turbine de production d'électricité 101 d'un véhicule propulsé par une fusée 300 qui est conçu pour convertir de l'énergie de gaz d'échappement en énergie de rotation d'un arbre de turbine de production d'électricité 102, et en permettant à la tension régulée d'alimenter une pompe à moteur électrique à CA 105 disposé dans le véhicule propulsé par une fusée 300. Le procédé peut en outre comprendre la détermination d'une vitesse de la pompe 105 ou d'un débit de fluide d'au moins un oxydant ou d'un combustible. Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend en outre l'augmentation de la tension de sortie si la vitesse de la pompe ou le débit du fluide est déterminé comme inférieur à une vitesse et/ou si l'on diminue la tension de sortie si l'on détermine que la vitesse de pompe ou le débit de fluide est supérieur à une vitesse voulue. Le procédé peut en outre comprendre l'actionnement du générateur de CA à tension réglable 103 pour obtenir une tension constante en réponse à une modification de la vitesse de l'arbre de turbine de production d'électricité 102. Dans certains modes de réalisation, le procédé peut en outre comprendre la régulation de multiples pompes à moteur électrique à CA 105 du véhicule propulsé par une fusée 300 indépendamment l'une de l'autre. Le procédé peut en outre comprendre la régulation de la vitesse de la pompe à moteur électrique à CA 103 du véhicule propulsé par une fusée 300 indépendamment de la vitesse de l'arbre de turbine de production d'électricité 102. Les modes de réalisation et les procédés et les systèmes de la présente description, tels que décrits précédemment et apparaissant parmi les figures, proposent un véhicule propulsé par une fusée présentant des propriétés supérieures, en particulier une alimentation réglable en combustible et/ou en oxydant indépendamment de la vitesse de la turbine. Les systèmes et les procédés décrits ici peuvent aussi conduire à un moteur-fusée qu'on peut démarrer et arrêter de multiples fois. Tandis que l'appareil et les procédés de la présente description ont été montrés et décrits en référence aux modes de réalisation, les spécialistes apprécieront facilement que des modifications et/ou des changements peuvent y être faits sans quitter l'esprit ni la portée de la description en objet. REVENDICATIONS1. Système d'alimentation d'une pompe dans un véhicule propulsé par une fusée, comprenant : un générateur de CA à tension réglable conçu pour être connecté à un arbre de turbine de production d'électricité conçu pour convertir de l'énergie de rotation en énergie électrique, le générateur de CA à tension réglable étant conçu pour produire une tension voulue quelle que soit la variation de vitesse de rotation de l'arbre de turbine de production d'électricité ; une pompe à moteur électrique à CA conçue pour pomper au moins soit du combustible soit un oxydant vers une chambre de combustion du véhicule propulsé par une fusée ; et un bus à CA connectant le générateur de CA à tension réglable à la pompe à moteur électrique à CA. 2. Système selon la revendication 1, comprenant en outre un contrôleur conçu pour réguler le générateur de CA à tension réglable pour produire la tension voulue. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le contrôleur comprend un système de rétrocontrôle servant à déterminer un débit de fluide ou une vitesse de la pompe à moteur électrique à CA et peut modifier la tension du générateur de CA à tension réglable pour obtenir une vitesse de pompe ou un débit de fluide voulu. 4. Système selon la revendication 1, comprenant en outre une turbine de production d'électricité connectée en cours d'opération au générateur de CA à tension réglable et conçu pour convertir l'énergie de gaz d'échappement en mouvement de rotation d'un arbre de production d'électricité. 5. Système selon la revendication 1, comprenant en outre : à la fois une pompe électrique à CA à combustible et une pompe électrique à CA à oxydant ; et un générateur de tension réglable pour chaque pompe. 20 25 30 6. Système selon la revendication 5, dans lequel la pompe à combustible est disposée à côté d'un réservoir à combustible. 7. Système selon la revendication 5, dans lequel la pompe à oxydant est disposée à côté d'un réservoir à oxydant. 8. Système selon la revendication 5, dans lequel une des pompes est disposée coaxialement sur l'arbre de turbine de production d'électricité ou sur le générateur de CA à tension contrôlable, ou couplée par engrenages à ceux-ci, de sorte que la pompe est entraînée mécaniquement, et l'autre pompe est entraînée électriquement par le générateur de CA à tension contrôlable. 9. Procédé, comprenant : la régulation d'une tension de sortie d'un générateur à tension contrôlable attachée à une turbine de production d'électricité d'un véhicule propulsé par une fusée, qui est conçu pour convertir l'énergie de gaz d'échappement en énergie de rotation d'un arbre de turbine de production d'électricité ; et le fait de permettre à la tension régulée d'alimenter une pompe de moteur électrique à CA disposée dans le véhicule propulsé par une fusée. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre la détermination d'une vitesse de la pompe ou d'un débit de fluide d'au moins soit un oxydant soit un combustible. 11. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre l'augmentation de la tension de sortie si la vitesse de pompe ou le débit de fluide est déterminé comme au-dessous d'une vitesse voulue. 12. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre la diminution de la tension de sortie si l'on détermine que la vitesse de pompe ou le débit de fluide est supérieur à une vitesse voulue.30 13. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre l'actionnement du générateur de CA à tension contrôlable pour produire une tension constante en réponse à une modification de la vitesse d'arbre de turbine de production d'électricité. 14. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre la régulation de multiples pompes à moteur électrique à CA du véhicule propulsé par une fusée indépendamment l'une de l'autre. 15. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre la régulation de la vitesse de la pompe à moteur électrique à CA du véhicule propulsé par une fusée indépendamment de la vitesse de l'arbre de turbine de production d'électricité.