Brevet FR3051515A1 — publié le 20171124

SYSTEME DE CONVERSION LINEAIRE A DIFFERENTIEL D'ENERGIE CINETIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des moteurs spéciaux destinés notamment à la propulsion d'engins spatiaux ou à la propulsion dans des environnements particuliers (milieu liquide, environnement explosif,...). En particulier, l'invention concerne les moteurs de 10 propulsion linéaire sans perte de masse capables de fonctionner dans l'espace. Actuellement, les procédés de propulsion dans l'espace sont basés sur le principe d'action/réaction de la troisième loi de Newton. Ainsi, tout engin spatial doté d'un 15 moteur est pourvu d'un réservoir de matière dont le but est de l'accélérer au maximum afin de générer une poussée. Cette accélération peut être obtenue par des moyens pyrotechnique (tuyère ; booster de fusée), électromécaniques (moteur électriques/ioniques) ou de pression différentielle (moteurs à 20 hélium). Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique le brevet allemand DE4010758 décrivant un système de propulsion d'un engin spatial utilisant comme source d'énergie 25 cinétique/système de conversion en énergie cinétique des masses soumises à des accélérations et des collisions. Les masses viennent frapper le fond d'une enveloppe fermée, ce qui crée une impulsion de l'enveloppe et le déplacement de la masse en sens inverse. 3051515 2 Inconvénients de l'art antérieur Cette solution n'est pas totalement satisfaisante car elle conduit à une déperdition d'énergie résultant du choc de la masse contre la paroi de l'enveloppe. Par ailleurs, la 5 symétrie du dispositif aboutit à une compensation des énergies cinétiques et un rendement médiocre. Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique constitué par une chambre fermée contenant un milieu visqueux et une masse solide mobile actionnée par un moyen de propulsion selon une première direction longitudinale et un moyen de répulsion de ladite masse dans une direction opposée à ladite première direction longitudinale, caractérisé en ce que ladite masse est profilée pour présenter un coefficient de traînée dans ladite première direction supérieur au coefficient de traînée dans la dite seconde direction. Selon une première alternative, ledit milieu de 20 dissipation d'énergie est un fluide visqueux. Selon une deuxième alternative, ledit milieu de dissipation d'énergie comprend un générateur de champ magnétique. Selon une première variante, ledit moyen de 25 répulsion est constitué par un élément déformable élastiquement selon l'axe longitudinal. Selon une deuxième variante, ledit moyen de répulsion est constitué par un système magnétique. 3051515 3 Selon un premier mode de réalisation, ladite masse est actionnée par un moteur tournant entraînant un ensemble de transformation du mouvement circulaire en mouvement rectiligne. 5 Selon un deuxième mode de réalisation, ladite masse est actionnée par une machine électromagnétique linéaire. Selon une variante, ladite chambre fermée contient un fluide visqueux. Selon une autre variante, ladite chambre fermée 10 contient un système de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique. De préférence, ladite masse présente une forme ogivale asymétrique. L'invention concerne aussi un système de conversion 15 linéaire à différentiel d'énergie cinétique dont le cycle de fonctionnement comporte les étapes suivantes : Etape 1 : Accélération de la masse par le système de propulsion maintien Etape 2 : Libération de la masse par le système de de renvoi Etape 3 : Amortissement de la masse par le système renvoi Etape 4 : Renvoi de la masse par le système de Etape 5 : Dissipation de tout ou partie de l'énergie cinétique de la masse par le système de dissipation d'énergie. 3051515 4 Etape 6 : Récupération de la masse par le système de maintien et retour en position initiale. 5 Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : 10 - la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation de l'invention - la figure 2 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un second exemple de réalisation de l'invention 15 Le convertisseur selon un exemple de réalisation de l'invention est constitué par un tube rigide (1) définissant une chambre (2) cylindrique fermée de manière étanche par deux parois frontales (3, 4). La chambre (2) contient un fluide viscoélastique. 20 Une masse (5) de forme ogivale asymétrique est mobile à l'intérieure de la chambre (2). La masse (5) est actionnée par un moteur (6) par l'intermédiaire d'un système d'accouplement (7) et un organe de guidage (8) traversant la paroi frontale (4) par un joint 25 étanche (9) de type presse-étoupe. Un ressort (10) prend appui contre la paroi (3) opposée au moteur (6). 3051515 5 La masse (5) présente une forme ogivale de telle sorte qu'elle ne subisse pas les mêmes forces de frottement entre le chemin aller et le chemin retour. Ainsi, le mouvement du projectile par rapport au châssis est asymétrique et, à la 5 fin d'un cycle, l'énergie transférée au châssis est positive du fait des pertes dues aux frottements. Le cycle de fonctionnement se décompose de la manière suivante : Etape 1 : Accélération de la masse (5) par le 10 système de propulsion (6) Etape 2 : Libération de la masse (5) par le système de maintien (7) Etape 3 : Amortissement de la masse (5) par le système de renvoi (10) 15 Etape 4 : Renvoi de la masse (5) par le système de renvoi (10) Etape 5 : Récupération du de la masse (5) par le système de maintien (7) Etape 6 : Retour en position initiale par le 20 système de propulsion (6). Le système de propulsion (6) linéaire permet de générer un mouvement rectiligne et de le transférer à la masse (5). La liste suivante, bien que non-exhaustive présente une série de solutions pouvant être choisie comme « système de 25 propulsion linéaire » : - Convertisseur tournant avec ensemble de transformation du mouvement circulaire en mouvement rectiligne 3051515 6 - Convertisseur linéaire avec un aimant magnétique solidaire de l'organe de guidage (8) interagissant électromagnétiquement avec un ensemble bobiné fixe. Le système d'accouplement (7) est destiné à 5 maintenir une liaison, entre le système de propulsion linéaire (6) et la masse mobile (5). Cette liaison peut être effectuée par contact ou non. Elle doit remplir deux rôles : - Assurer la transmission de mouvement entre le système de propulsion linéaire (6) et la masse mobile (5) lors 10 des étapes 1 et 6 - Rompre cette transmission lors des étapes 3 et 4 La liste suivante, bien que non-exhaustive présente une série de solutions pouvant être choisie comme système de maintien : 15 - Pince mécanique - Electroaimant - Ventouse La masse (5) est la pièce à laquelle le mouvement est transmis par le système de propulsion linéaire (6). Le 20 rendement du convertisseur dépend essentiellement de : - Sa masse - La perte d'énergie mécanique entre le chemin aller et le chemin retour Le système de perte permet de s'opposer au 25 mouvement de la masse (5). Ceci notamment en convertissant l'énergie mécanique de ce mouvement en sous quelque forme que ce soit. La liste suivante, bien que non-exhaustive présente une série de solutions pouvant être choisie comme système de perte : 3051515 7 Réservoir de fluide ou gaz Système de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique (transduction mécanico-électrique) Dans le cas où le système de perte est un fluide, 5 celui-ci doit remplir les conditions suivantes : Permettre le mouvement du projectile Dissiper l'énergie du mouvement du projectile Ainsi les pertes sont assurées par la différence de coefficient de frottement dans le fluide entre le chemin aller 10 et le chemin retour du fluide. Une solution consiste à dessiner une masse (5) qui présente un côté favorisant sa pénétration dans le fluide et un autre moins performant au regard de ce critère. Cela peut être obtenu entre autre, mais pas uniquement, en modifiant : 15 - La forme du projectile - L'état des surfaces du projectile - Le revêtement des surfaces du projectile Le système de perte peut aussi être réalisé à l'aide de bobines et d'électroaimants, qui récupèrent 20 l'énergie mécanique du projectile et la convertisse en énergie électrique. Ainsi un tel système peut être « débranché » pendant les phases 1,2 et 3 qui s'effectuent donc sans pertes. On le « brancherai » ensuite pendant la phase 4 pour récupérer une partie de l'énergie et augmenter le rendement du 25 convertisseur. Le système de renvoi (10) est constitué par un système actif ou passif, permettant d'absorber, puis de renvoyer l'énergie mécanique de la masse (5). 3051515 8 La liste suivante, bien que non-exhaustive présente une série de solutions pouvant être choisie comme système de renvoi (10) : - Ressort mécanique 5 - Système d'aimant permanent - Système récupération/renvoi d'énergie électromagnétique (dans ce cas, le système de perte peut être couplé avec le système de renvoi) Le châssis (1) constitue le corps extérieur du 10 système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique. Il supporte toutes les parties du système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique qui ne sont pas solidaire de la masse mobile (5). Il est solidaire de la structure qui supporte le convertisseur. 15 Un système de guidage (9) assure le guidage de la trajectoire de la masse mobile (5) pour guider la trajectoire du projectile. Il peut être composé grâce aux solutions suivantes (liste non-exhaustive) : - Rail(s) mécanique(s) 20 - Guidage par aimantation magnétique Le système de guidage est facultatif. La figure 2 représente une variante de réalisation électromagnétique. La masse (5) comprend un ensemble (11) constitué 25 par une batterie et un circuit électronique de commande d'une bobine (12). Elle se déplace entre une alternance de pôles magnétiques formés par des aimants permanents. Le circuit électronique commande les changements de phase de la bobine pour assurer le déplacement de la masse (5). 3051515 9 Le système de perte est constitué par une bobine (13). Le système de renvoi est constitué par un aimant permanent (14). Un tel convertisseur présente de nombreux 5 avantages: - Génération d'un mouvement rectiligne - Pas de perte de masse ni d'échange avec le milieu extérieur - Pas de carburant ni comburant 10 - Pas de contrainte de taille - Entièrement étanche, pas d'étincelle - Emission de chaleur réduite - Peu de frictions avec le milieu environnant Il peut donc être utilisé dans les applications qui 15 présentent les caractéristiques suivantes : - Grande quantité d'énergie disponible - Faibles coefficients de frottement sur la structure - Moyens de propulsions « classiques » inefficaces Le système de conversion linéaire à différentiel 20 d'énergie cinétique selon l'invention est intéressant pour les applications suivantes : - La propulsion spatiale/atmosphère peu dense - Mouvement en atmosphère hautement explosive - Exploration de milieux écologiquement fragiles 25 - Véhicules à furtivité thermique REVENDICATIONS1 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique constitué par une chambre (2) fermée contenant un milieu de dissipation d'énergie et une masse solide mobile (5) actionnée par un moyen de propulsion (6) selon une première direction longitudinale et un moyen de répulsion (10, 14) de ladite masse (5) dans une direction opposée à ladite première direction longitudinale, caractérisé en ce que ladite masse (5) est profilée pour présenter un coefficient de traînée dans ladite première direction supérieur au coefficient de traînée dans la dite seconde direction. 2 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce 15 que ledit milieu de dissipation d'énergie est un fluide visqueux. 3 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit milieu de dissipation d'énergie comprend un 20 générateur de champ magnétique. 4 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen de répulsion est constitué par un élément déformable élastiquement (10) selon l'axe longitudinal. 25 5 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen de répulsion est constitué par un système magnétique (14). 6 - Système de conversion linéaire à différentiel 30 d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite masse est actionnée par un moteur tournant 3051515 11 entraînant un ensemble de transformations du mouvement circulaire en mouvement rectiligne. 7 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce 5 que ladite masse est actionnée par une machine électromagnétique linéaire. 8 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite chambre (2) fermée contient un fluide visqueux. 10 9 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite chambre fermée (2) contient un système de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique. 10 - Système de conversion linéaire à différentiel 15 d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite masse (5) présente une forme ogivale asymétrique. 11 - Système de conversion linéaire à différentiel d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que son cycle de fonctionnement comporte les étapes 20 suivantes : Etape 1 : Accélération de la masse (5) par le système de propulsion (6) Etape 2 : Libération de la masse (5) par le système de maintien (7) 25 Etape 3 : Amortissement de la masse (5) par le système de renvoi (10) Etape 4 : Renvoi de la masse (5) par le système de renvoi (10) 3051515 12 Etape 5 Dissipation de tout ou partie de l'énergie cinétique de la masse par le système de dissipation d'énergie. Etape 6 : Récupération du de la masse (5) par le 5 système de maintien (7) et retour en position initiale.