Brevet FR3016412A1 — publié le 20150717

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un procédé de commande d'un ensemble propulsif, et plus particulièrement d'un moteur-fusée du type dit de cycle « expander », ou cycle à détente, dans lequel une détente partielle d'au moins un ergol, après son réchauffement par une chaleur de combustion et avant son injection dans une chambre propulsive, sert à actionner une turbine couplée à une pompe d'ergol pour assurer la circulation de l'ergol vers la chambre propulsive. Dans la description qui suit, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal d'au moins un ergol pendant le fonctionnement de l'ensemble propulsif. Un tel ensemble propulsif est un système dynamique avec des retours pouvant provoquer des phénomènes d'instabilité. Ainsi, par 15 exemple, un débit massique d'ergol trop faible au niveau d'une pompe peut provoquer une instabilité mettant en danger le fonctionnement et même l'intégrité physique de l'ensemble propulsif et de son éventuelle charge utile. Cet inconvénient peut notamment empêcher le fonctionnement d'un tel ensemble propulsif en mode de poussée réduite. 20 Objet et résumé de l'invention La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Plus spécifiquement, la présente description vise à proposer un procédé de 25 commande d'un ensemble propulsif, et plus spécifiquement d'un ensemble propulsif qui permette d'éviter une situation d'instabilité. Dans cet ensemble propulsif, au moins une chambre propulsive est alimentée en au moins un premier ergol par une première pompe couplée à une première turbine qui est actionnée par une détente partielle dudit premier ergol en 30 amont de ladite chambre propulsive après son passage, en aval de la première pompe, à travers un échangeur de chaleur chauffé par ladite chambre propulsive. 35 3 0 16 4 12 2 Dans au moins un mode de réalisation, ce but peut être atteint grâce au fait que le procédé de commande comprend au moins les étapes de détermination d'un risque d'instabilité de l'ensemble propulsif, et délestage d'un débit partiel dudit premier ergol, en réponse à la détermination dudit 5 risque d'instabilité, à travers une dérivation située entre la première turbine et la chambre propulsive. Grâce à ces dispositions, il est possible d'éviter une instabilité prévue de l'ensemble propulsif en permettant conditionnellement une augmentation du débit d'ergol traversant la première pompe et la 10 première turbine sans augmenter la surpression fournie par la première pompe. Typiquement, mais pas toujours, de tels ensembles propulseurs sont bi-ergols, c'est-à-dire que la propulsion est assurée par une réaction chimique du premier ergol, dans la chambre propulsive, avec un deuxième ergol. L'alimentation de la chambre propulsive en ce deuxième ergol peut par exemple être assurée par une deuxième pompe, même si des moyens d'alimentation alternatifs ou complémentaires, comme par exemple la pressurisation d'un réservoir du deuxième ergol, sont aussi envisageables par la personne du métier. Afin d'assurer son entraînement, cette deuxième pompe peut être couplée à une deuxième turbine, située par exemple en aval de la première turbine, et actionnée aussi par une détente partielle dudit premier ergol après son réchauffement, en aval de la première pompe, par de la chaleur provenant de ladite chambre propulsive, et avant son injection dans ladite chambre propulsive. Toutefois, des moyens alternatifs ou complémentaires d'entraînement de la deuxième pompe, comme par exemple un entraînement électrique ou un couplage à la première turbine, sont également envisageables par la personne du métier. Le risque d'instabilité peut notamment être déterminé en fonction d'un coefficient de débit pompe de ladite première pompe, calculé en divisant débit volumique dudit premier ergol impulsé par la première pompe par vitesse angulaire de la première pompe. En particulier, ledit risque d'instabilité peut être déterminé si ledit coefficient de débit pompe de la première pompe est inférieur à un seuil prédéterminé, ce qui indiquerait une proximité à un régime instable. Plusieurs méthodes alternatives d'estimation dudit débit volumique peuvent être appliquées 3 0 16 4 12 3 simultanément, de manière à obtenir une redondance dans cette estimation. Alternativement, toutefois, ledit risque d'instabilité peut être déterminé suivant un critère d'instabilité calculé en fonction d'au moins un 5 paramètre physique. L'invention concerne également un support de mémoire informatique comprenant un ensemble d'instructions pour la mise en oeuvre de ce procédé de commande par une unité de commande connectée au moins à ladite vanne de dérivation. On entend par « support de mémoire 10 informatique » tout support d'information pouvant être lu par un dispositif informatique, et en particulier un dispositif informatique électronique. Ainsi, on peut compter parmi les supports de mémoire informatique les supports magnétiques, tels que bandes et disques magnétiques, les supports optiques, tels que les disques optiques, ou les supports 15 électroniques, tels que les mémoires électroniques volatiles ou non- volatiles. L'invention concerne également les ensembles propulsifs. En particulier, suivant au moins un mode de réalisation, un tel ensemble propulsif peut comprendre au moins une chambre propulsive, une 20 première pompe pour alimenter ladite chambre propulsive en un premier ergol, un échangeur de chaleur connecté à la première pompe en amont et apte à être chauffé par ladite chambre propulsive, une première turbine couplée à la première pompe, apte à être actionnée par une détente partielle dudit premier ergol, et connectée à l'échangeur de chaleur en 25 amont et à la chambre propulsive en aval, une dérivation située entre la première turbine et la chambre propulsive, et une unité de commande connectée au moins à une vanne de dérivation située sur cette dérivation, et configurée pour déterminer un risque d'instabilité de l'ensemble propulsif et commander l'ouverture de ladite vanne de dérivation pour un 30 délestage d'un débit partiel dudit deuxième ergol à travers ladite dérivation, en réponse à la détermination dudit risque d'instabilité. Brève description des dessins 35 L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de deux modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un lanceur spatial nnultiétages ; - la figure 2 illustre schématiquement un ensemble propulsif suivant un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une courbe illustrant l'évolution d'un rapport entre un coefficient de débit pompe et un coefficient réduit de surpression totale pompe d'une première pompe dudit ensemble propulsif ; - les figures 4A et 4B illustrent, respectivement, l'évolution de la pression de sortie de pompe et du débit fournis par ladite première pompe dans une situation d'instabilité ; et - les figures 5A et 5B illustrent, respectivement, l'évolution de la pression de sortie de pompe et du débit fournis par ladite première pompe dans une situation analogue, dans laquelle l'instabilité est toutefois évitée par le procédé de commande suivant un mode de réalisation. Description détaillée de l'invention Un lanceur spatial multi-étages 1 est illustré schématiquement sur la figure 1. Le lanceur 1 illustré comprend trois étages successifs 2,3,4, et une charge utile 5, comme par exemple un satellite, sous une coiffe 6 fixée de manière libérable sur le dernier des trois étages. Chacun des trois étages 2,3,4 comprend un ensemble propulsif de type moteur-fusée, permettant ainsi le lancement et mise en orbite de la charge utile 5. Pour cela, les ensembles propulsifs des trois étages 2,3,4 sont mis à feu successivement, avec séparation de chaque étage épuisé avant la mise à feu de l'ensemble propulsif de l'étage suivant. La figure 2 illustre un ensemble propulsif 10 suivant un premier mode de réalisation. Cet ensemble propulsif 10 pourrait équiper l'un quelconque des étages d'un tel lanceur spatial, ou même un engin spatial lancé comme charge utile sur un tel lanceur spatial. L'ensemble propulsif 10 illustré est un moteur-fusée de cycle « expander », c'est-à-dire, un moteur-fusée à ergols liquides et alimentation par turbopompe, dans lequel la turbopompe est actionnée par détente d'un des ergols après son réchauffage et sa vaporisation dans un échangeur de chaleur régénératif chauffé par la chambre propulsive. L'ensemble propulsif 10 illustré comprend un premier réservoir 11, 5 apte à contenir un premier ergol, un deuxième réservoir 12,, apte à contenir un deuxième ergol, un premier circuit d'alimentation 21, un deuxième circuit d'alimentation 22, une première turbopompe TPH-, une deuxième turbopompe TPO et une chambre propulsive 40. La première turbopompe TPH comprend une pompe 33 et une turbine 34 couplées en 10 rotation par un arbre rotatif commun 35. La deuxième turbopompe TPO comprend aussi une pompe 36 et une turbine 37 couplées en rotation par un arbre rotatif commun 38. Typiquement, le premier et le deuxième ergol sont des ergols cryogéniques, et plus spéçifiquement de l'hydrogène et de l'oxygène liquides, respectivement. 15 Le premier circuit d'alimentation 21, qui est connecté en amont au premier réservoir 11, traverse successivement la pompe 33 de la première turbopompe TPH, un échangeur de chaleur 23 intégré dans une paroi externe de la chambre propulsive 40, la turbine 34 de la première turbopompe TPH et la turbine 37 de la deuxième turbopompe TPO avant 20 de déboucher dans un dispositif 41 d'injection dans la chambre propulsive 40. Ce premier circuit d'alimentation 21 comprend aussi une première ligne de contournement 24 contournant les turbines 34 et 37, une deuxième ligne de contournement 25 contournant la turbine 37, une première dérivation 26, située entre la pompe 33 et l'échangeur de 25 chaleur 22 et connectée à une ligne de purge, et une deuxième dérivation 28, située entre la turbine 37 et le dispositif d'injection 41, et pouvant être reliée à un circuit de pressurisation autogène (non-illustré) du premier réservoir /1. Afin de réguler le débit d'ergol à travers le premier circuit 30 d'alimentation 21, celui-ci comprend aussi une vanne d'alimentation VAH directement en aval du premier réservoir 11, une première vanne de contournement VBPH dans la première ligne de contournement 23, une deuxième vanne de contournement VBPO dans la deuxième ligne de contournement 24, une vanne VCH directement en amont du dispositif 35 d'injection 41, une vanne de purge VPH située sur la première dérivation 26, et une vanne de dérivation VTH située sur la deuxième dérivation 28. 3 0 1 6 4 1 2 Toutes ces vannes sont connectées, pour leur commande, à une unité de commande 60, qui peut notamment être une unité électronique programmable, comprenant ainsi au moins un processeur électronique connecté à un support informatique comprenant un ensemble d'instructions pour la mise en oeuvre d'un procédé de commande par l'unité de commande 60. Lé deuxième circuit d'alimentation 22, qui est connecté en amont au deuxième réservoir 12, traverse la pompe 36 de la deuxième turbopompe TPO avant de déboucher aussi dans le dispositif 41 d'injection dans la 10 chambre propulsive 40. Ce deuxième circuit d'alimentation 22 comprend une dérivation connectée à une ligne de purge. Afin de contribuer à réguler le débit d'ergol à travers le deuxième circuit d'alimentation 22, celui-ci comprend aussi une vanne d'alimentation VAO directement en aval du deuxième réservoir 12, une autre vanne VCO directement en amont du 15 dispositif d'injection 41, et une vanne de purge VPO située sur la dérivation. Ces autres vannes VAO, VCO et VPO sont aussi connectées à l'unité de commande 60, tout comme par ailleurs un dispositif d'allumage 42 dans la chambre propulsive 40, un capteur de température T du fluide traversant la pompe 33, un capteur de vitesse angulaire 03 de la pompe 20 33, des capteurs de pression en entrée et sortie de la pompe 33, respectivement, et éventuellement un débitmètre pour mesurer le débit massique Q de fluide traversant la pompe 33. Afin de démarrer cet ensemble propulsif, on procède d'abord à la mise en froid des circuits d'alimentation 21, 22. Pour cela, avec les vannes 25 de purge VPH, VPO, ainsi que les vannes de contournement VBPH, VBPO, ouvertes, on procède à ouvrir graduellement les vannes d'alimentation VAH, VAO, tout en maintenant les vannes VCH, VCO, directement en amont de la chambre propulsive 40, fermées. Les ergols entrent ainsi dans les circuits d'alimentation 21, 22, empêchant un choc thermique soudain, 30 et assurant la purge d'autres substances dans les circuits 21,22 avant le démarrage. Ensuite, les vannes VCH, VCO sont ouvertes et, après l'arrivée d'une quantité suffisante d'ergols dans la chambre propulsive 40 à travers le dispositif d'injection 41, le dispositif d'allumage 42 est activé afin d'allumer le mélange d'ergols dans la chambre propulsive 40. Après cet 35 allumage les vannes de purge VPH, VPO sont fermées, et la chaleur générée par la combustion du mélange d'ergols dans la chambre propulsive 40 commence à chauffer le premier ergol pendant son passage à travers l'échangeur de chaleur 23. Les vannes de contournement VBPH VBPO sont alors progressivement fermées pour diriger cet ergol chaud à travers les turbines 34, 37, de manière à assurer l'entraînement des 5 turbopompes TPH, TPO par une détente partielle de ce premier ergol dans les turbines 34, 37. Le degré d'ouverture des vannes de contournement VBPH, VBPO peut ensuite servir à réguler le régime de l'ensemble propulsif 10, bien que d'autres moyens, comme par exemple des dispositifs de freinage (non illustrés) des turbopompes TPH, TPO, ou 10 l'ouverture des vannes de purge VPH, VPO, peuvent également être utilisés dans ce but. Un inconvénient, toutefois, d'une telle régulation de régime, est que dans certaines régions de fonctionnement, notamment à des régimes de poussée restreinte, quand le débit d'ergol fourni par la première pompe 15 est comparativement bas par rapport à la surpression fournie par cette première pompe, le fonctionnement de la turbopompe peut devenir instable. La figure 3 illustre une courbe 100 caractéristique de la turbopompe TPH, dans laquelle l'axe vertical correspond aux valeurs d'un coefficient réduit te de surpression totale de la pompe 33, et l'axe 20 horizontal à celles d'un coefficient (p+ de débit de la pompe 33. Le coefficient ip÷ correspond à la différence Ap entre la pression de sortie ps et la pression d'entrée pe de la pompe 33, divisée par la masse volumique p du premier ergol en traversant cette pompe 33 et le carré de la vitesse angulaire w de la pompe 33, suivant la formule : + =Ps - Pe 1P + = Q P ' Comme on peut apprécier sur la figure 3, le coefficient réduit de 30 surpression tp+ augmente initialement avec une croissance du coefficient de débit cp+, atteint une valeur maximale 111+max correspondant à une valeur critique cp+crit du coefficient de débit cp+, et descend ensuite, avec un coefficient de débit cp+ augmentant au-delà de la valeur critique ecrit. P w 2 25 Pour sa part, le coefficient cp+ correspond au débit volumique fourni par cette même pompe 33, c'est-à-dire son débit massique Q divisé par la masse volumique p susmentionnée, divisé par ladite vitesse angulaire w, suivant la formule : En conséquence, quand le coefficient de débit (p+ est supérieur à ecrit, la turbopompe TPH fonctionne dans un régime naturellement stable, tandis que quand le coefficient de débit (p+ est inférieur à la valeur critique (p+crit la réponse du circuit d'alimentation 21 peut être telle que la turbopompe TPH entre dans un régime instable se manifestant par des oscillations sensibles dans la pression de sortie ps et le débit massique Q fournis par la pompe 33, comme illustré, respectivement, sur les figures 4A et 4B. Comme on peut apprécier sur la figure 3, on peut passer d'un point 101 dans la zone d'instabilité à un point 102 dans la zone de stabilité, avec un même coefficient réduit de surpression tp+, en augmentant le coefficient de débit (p+. En conséquence, un délestage partiel en aval de la turbine 34, en augmentant le débit Q, peut permettre d'éviter une situation d'instabilité. Un tel délestage peut notamment être obtenu en ouvrant la vanne de dérivation VTH, permettant l'échappement d'une partie du débit total du premier ergol pompé par la turbopompe TPH, en réponse à la détermination d'un risque d'instabilité. Suivant un premier mode de réalisation, le risque d'instabilité est déterminé par l'unité de commande 60 si le coefficient de débit (p+ de la pompe 33 est inférieur à un seuil prédéterminé (p+Iim, égal ou supérieur à la valeur critique cp+crit- Plus spécifiquement, ledit seuil prédéterminé ecrit peut être égal à la somme de cette valeur critique plus une marge de sécurité prédéterminée pour tenir compte des tolérances de fabrication et autres dispersions matérielles. Le coefficient de débit (p+ peut notamment être calculé par l'unité de commande 60 en fonction de paramètres captés par les capteurs 71 à 75. Le débit massique Q ou volumique Q/p pourvu par la pompe 33 peut être mesuré directement par le débitmètre 75, ou plutôt, en particulier en absence d'un tel débitmètre, indirectement à travers les données de pression pe et ps, température T et vitesse angulaire w recueillies à travers les capteurs 71 à 74, et une fonction caractéristique de la pompe 33 mettant en relation ces paramètres physiques de la pompe 33 en fonctionnement avec le débit massique ou volumique qu'elle fournit. En réponse à une telle détermination de risque d'instabilité, l'unité de commande 60 émet donc une commande d'ouverture de la vanne de 35 dérivation VTH, augmentant ainsi le débit massique et volumique de la pompe 33, son coefficient de débit (p+, et évitant ainsi l'instabilité de la turbopompe TPH. Les figures 5A et 5B illustrent l'évolution de la pression de sortie ID, et du débit massique Q, dans des circonstances analogues à celles des figures 4A et 4B, quand ce procédé est mis en oeuvre, ouvrant la vanne de dérivation \TTH en réponse à la détermination du risque d'instabilité. On peut y apprécier comment on évite ainsi des oscillations sensibles de ces deux paramètres. Bien que, dans ce premier mode de réalisation, le critère servant à déterminer le risque d'instabilité soit le coefficient de débit cp+, d'autres critères peuvent être utilisés alternativement ou en complément à celui-ci. Ainsi, dans un deuxième mode de réalisation, ce critère peut être une probabilité d'instabilité suivant un modèle prédictif d'instabilité de la turbopompe TPH. Ce modèle prédictif d'instabilité peut avoir été développé sur base d'un plan d'expérience intégrant plusieurs séquences différentes de démarrage. A partir de ce plan d'expérience, on aurait identifié au moins un paramètre physique lié au risque d'instabilité, et calculé la probabilité d'instabilité en fonction de cet au moins un paramètre physique. Ainsi, par exemple, la probabilité d'instabilité de la turbopompe pourrait être exprimée comme une fonction f(co,Q,ps) de la vitesse angulaire w, débit massique Q et température T mesurés, directement ou indirectement, à travers les capteurs 71 à 75. Le risque d'instabilité déclenchant le délestage en aval des turbines 34, 37 peut alors être déterminé si cette probabilité dépasse un seuil de probabilité fiimit acceptable prédéterminé. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Ainsi, bien que dans le mode de réalisation illustré, l'ensemble propulsif ne comprenne qu'une seule chambre propulsive, dans des modes de réalisation alternatifs, l'ensemble propulsif pourrait comporter une pluralité de chambres propulsives alimentés chacune, par exemple, par sa propre paire de turbopompes. En outre, bien que dans le mode de réalisation illustré l'ensemble propulsif comprenne une turbopompe par ergol, il est également possible, dans d'autres modes de réalisation, d'utiliser une turbine commune pour l'entraînement des deux pompes, ou même d'utiliser un autre procédé d'alimentation pour le deuxième ergol. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.5 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un ensemble propulsif (10) dans lequel au moins une chambre propulsive (40) est alimentée en au moins un premier ergol par une première pompe (33) couplée à une première turbine (34) qui est actionnée par une détente partielle dudit premier ergol en amont de ladite chambre propulsive (40) après son passage, en aval de la première pompe (33), à travers un échangeur de chaleur (23) chauffé par ladite chambre propulsive (40), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : détermination d'un risque d'instabilité de l'ensemble propulsif (40) ; et délestage d'un débit partiel dudit premier ergol, en réponse à la détermination dudit risque d'instabilité, à travers une dérivation (28) 15 située entre la première turbine (34) et la chambre propulsive (40). 2. Procédé de commande suivant la revendication 1, dans lequel ladite chambre propulsive (40) est alimentée en un deuxième ergol par une deuxième pompe (36). 3. Procédé de commande suivant la revendication 2, dans lequel 20 ladite deuxième pompe (36) est couplée à une deuxième turbine (37) qui est actionnée aussi par une détente partielle dudit premier ergol après son passage par l'échangeur de chaleur (23). 4. Procédé de commande suivant la revendication 3, dans lequel ladite deuxième turbine est située en aval de la première turbine. 25 5. Procédé de commande suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit risque d'instabilité est déterminé en fonction d'un coefficient de débit pompe (q) de ladite première pompe (33), calculé en divisant un débit volumique dudit premier ergol impulsé par la première pompe (33) par une vitesse 30 angulaire de la première pompe (33). 6. Procédé de commande suivant la revendication 5, dans lequel le débit volumique du premier ergol impulsé par la première pompe (33) est estimé indirectement à travers de paramètres physiques autres que ledit débit volumique du premier ergol. 35 7. Procédé de commande suivant l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel ledit riglue d'instabilité est déterminé si 3 0 1 6 4 1 2 12 ledit coefficient de débit pompe 41 de la première pompe (33) est inférieur à un seuil prédéterminé. 8. Procédé de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit risque d'instabilité est déterminé 5 suivant un critère d'instabilité calculé en fonction d'au moins un paramètre physique. 9. Ensemble propulsif (10) comprenant au moins : une chambre propulsive (40) ; une première pompe (33) pour alimenter ladite chambre 10 propulsive (40) en un premier ergol ; un échangeur de chaleur (23) connecté à la première pompe (33) en amont et apte à être chauffé par ladite chambre propulsive (40) ; une première turbine (34) couplée à la première pompe (33), apte à être actionnée par une détente partielle dudit premier ergol, et 15 connectée à l'échangeur de chaleur (23) en amont et à la chambre propulsive (40) en aval ; une dérivation (28) située entre la première turbine (34) et la chambre propulsive (40) ; et une unité de commande (60) connectée au moins à une vanne 20 de dérivation (VTH) située sur ladite dérivation (28) ; l'ensemble propulsif (10) étant caractérisé en ce que l'unité de commande (60) est configurée pour déterminer un risque d'instabilité de l'ensemble propulsif, et commander l'ouverture de ladite vanne de dérivation (VTH) pour un délestage d'un débit partiel dudit deuxième ergol à travers ladite 25 dérivation (28), en réponse à la détermination dudit risque d'instabilité. 10. Support informatique comprenant un ensemble d'instructions pour la mise en oeuvre d'un procédé de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8 par une unité de commande (60) connectée au moins à One vanne de dérivation (VTH) située sur ladite 30 dérivation (28).