Brevet FR3067408A1 — publié le 20181214

DOMAINE DE L'INVENTION [0001] Le présent exposé concerne le domaine des lanceurs à propulsion à liquides, et vise plus précisément un système de contrôle de la propulsion d'un tel lanceur. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les lanceurs à propulsion à liquides sont communément sujets à un phénomène d'oscillation mécanique de leurs systèmes propulsifs couplée à des oscillations mécaniques de leur structure. Ce phénomène est communément appelé « effet POGO », et peut provoquer des oscillations d'amplitude importante menaçant ainsi l'intégrité du système. [0003] Afin de se prémunir contre de tels phénomènes, on réalise typiquement des études de la dynamique de la structure du lanceur et des caractéristiques hydrauliques du système de propulsion, on identifie les modes de structure les modes susceptibles d'être excitables, puis on évalue pour chacun de ces modes l'amortissement global résultant du couplage, c'est-à-dire de la somme de l'amortissement de la structure et du fluide, conséquence des efforts du fluide sur la structure. Si cette somme est inférieure à un seuil donné, on considère alors qu'il y a un risque d'apparition d'un effet POGO. Or, de telles études nécessitent des étapes lourdes et couteuses, incluant notamment la caractérisation du moteur dans le domaine fréquentiel, qui nécessite de créer des modulations de pression et de débit dans les lignes d'alimentation du moteur lors d'essais à feu du lanceur. [0004] L'apparition d'effet POGO résulte en effet de croisements au cours du vol du lanceur des fréquences propres du système hydraulique du lanceur avec les fréquences propres de la structure du lanceur, lorsque ces fréquences propres correspondent à des modes propres du système (ce qui résulte alors en un amortissement général négatif), et que ce croisement persiste pendant une durée suffisante. La figure 1 illustre ainsi schématiquement l'évolution des modes vibratoires du système hydraulique (courbe H) et de la structure (courbe S) au cours du temps. Cette courbe est bien entendu simplifiée et a uniquement vocation à illustrer de manière générale l'effet POGO. En régime stable, on considère 2 que le système de propulsion du lanceur est en régime constant ; la courbe représentant le mode vibratoire hydraulique est donc constante. On comprend bien que les modes hydrauliques ne sont pas strictement constants et peuvent évoluer légèrement au cours du temps notamment 5 du fait de l'apparition d'un phénomène de cavitation. Dans le cadre du présent exposé, on considèrera cependant à des fins de simplification que les modes hydrauliques sont constants. Les modes de la structure évoluent quant à eux au cours du temps, notamment au fur et à mesure de la vidange des réservoirs du lanceur. La courbe S représentant la 10 fréquence d'un mode vibratoire structurel évolue donc au cours du temps, et vient croiser la courbe H à un instant TO. Lorsque les modes vibratoires de la structure et du système hydraulique sont sensiblement égaux (par exemple à 5% près - on parle alors de couplage des modes vibratoires structurels et hydrauliques), et que cet état de couplage amène à un 15 amortissement global négatif de façon durable, il y a un risque d'apparition d'effet POGO. Or, du fait de l'évolution des paramètres au cours du vol (vidange des réservoirs par exemple) ; de tels croisements peuvent intervenir à plusieurs reprises au cours du vol du lanceur, ce qui complexifie la détermination à l'avance de l'apparition d'un tel effet. 20 [0005] Si ces études conduisent à définir un risque avéré d'effet POGO, une solution communément retenue est de définir un système correcteur capacitif, qui est alors mis en place afin de limiter l'effet POGO à un étage donné du lanceur. Le développement d'un tel système correcteur capacitif est toutefois également coûteux et long. 25 [0006] Le présent exposé vise ainsi à proposer un système amélioré de correction de l'effet POGO pour un lanceur. PRESENTATION DE L'INVENTION 30 [0007] Le présent exposé concerne ainsi un procédé de contrôle d'un moteur d'engin spatial à propulsion à liquides, dans lequel - on détermine une fréquence hydraulique de fonctionnement du moteur et une fréquence de structure, - on détermine un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence 35 de structure, on analyse ledit couplage de manière à déterminer s'il intervient pour un mode excitable, et si ce couplage intervient pour un 3 mode excitable, on modifie les paramètres de fonctionnement du moteur, de manière à modifier la fréquence hydraulique et/ou l'amortissement critique résultant des efforts fluides sur la structure pendant une durée prédéterminée. 5 [0008] Selon un exemple, la modification de la fréquence hydraulique et/ou de l'amortissement fluide est réalisée dans un délai inférieur à une seconde suite à la détermination par l'unité de mesure d'un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence de structure pour un mode propre excitable de la structure. 10 [0009] En variante, la détermination du couplage réalise une anticipation d'un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence de structure, et modifie les paramètres de fonctionnement du moteur de manière à empêcher un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence de structure. 15 [0010] Selon un exemple, au moins un paramètre de fonctionnement du moteur est modifié de manière à diminuer ou réduire la fréquence hydraulique de 1 à 10%. [0011] Selon un exemple, au moins un paramètre de fonctionnement du moteur est modifié de manière à modifier les efforts du fluide sur la 20 structure (notamment la force hydraulique ou force de poussée) pour finalement permettre d'augmenter l'amortissement global du système. [0012] Selon un exemple, la modification des paramètres de fonctionnement du moteur est réalisée via au moins une des actions suivantes : 25 - on extrait des gaz chauds d'un circuit de propulsion de l'engin spatial pour modifier ponctuellement la poussée moteur et la fréquence hydraulique de la ligne d'alimentation en amont, - on modifie ponctuellement les conditions d'opération du moteur afin de modifier la poussée moteur et la fréquence hydraulique de la ligne 30 d'alimentation en amont, - on modifie la pression au sein de réservoirs de fluides cryogéniques de l'engin spatial afin de modifier le régime de cavitation moteur et donc la force hydraulique de la ligne d'alimentation en amont. Chacune des actions précédentes entraine une variabilité de la fréquence 35 hydraulique ou de l'amortissement critique différente. Le choix de l'action de correction est fortement lié à la sensibilité et au niveau de variation 4 requis. La logique de correction consistera donc à utiliser différentes actions en fonction du besoin. [0013] Selon un exemple, la modification des paramètres de fonctionnement du moteur est réalisée de manière à faire osciller un mode 5 hydraulique du moteur autour d'une valeur nominale donnée. Ladite valeur nominale donnée est typiquement la fréquence de fonctionnement du moteur préalablement à la modification de ses paramètres. [0014] Le présent exposé concerne également un système de contrôle d'un moteur d'engin spatial à propulsion à liquides, comprenant 10 - une unité de mesure d'une fréquence hydraulique de fonctionnement du moteur et d'une fréquence de structure, - une unité de commande, configurée pour, si la fréquence hydraulique est couplée à la fréquence de structure, analyser le caractère excitable dudit couplage, et si ce couplage intervient pour un mode excitable, 15 émettre une commande de correction modifiant les paramètres de fonctionnement du moteur, de manière à modifier la fréquence hydraulique et/ou l'amortissement fluide pendant une durée prédéterminée. [0015] Selon un exemple, l'unité de commande est configurée de 20 manière à réaliser la modification de la fréquence hydraulique dans un délai inférieur à une seconde suite à la détection par l'unité de mesure que la fréquence hydraulique est couplée à la fréquence de structure. [0016] Le présent exposé concerne également un engin spatial comprenant un tel système de contrôle. 25 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0017] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation 30 de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 déjà décrite est un graphe illustrant l'apparition d'un effet POGO au sein d'un lanceur ; - la figure 2 représente schématiquement un système selon un aspect de 35 l'invention ; 5 - les figures 3 et 4 sont deux graphes illustrant un effet du système tel que présenté ; - la figure 5 représente schématiquement un procédé selon un aspect de l'invention. 5 [0018] Sur l'ensemble des figures, les éléments identiques sont repérés par des références numériques communes. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION 10 [0019] La figure 2 représente schématiquement un système selon un aspect de l'invention. [0020] Le système représenté comprend une portion structurelle 10 comprenant typiquement des réservoirs d'ergols cryogéniques, par exemple un réservoir d'hydrogène cryogénique 11 et un réservoir 15 d'oxygène cryogénique 12. Cette portion structurelle 10 correspond typiquement à un étage d'un lanceur d'engin spatial. [0021] Les réservoirs d'ergols cryogéniques 11 et 12 sont reliés à un ensemble moteur 20, représenté ici sous la forme schématique d'une chambre de combustion et d'un divergent. Des conduites d'alimentation 20 munies de pompes relient les réservoirs d'ergols cryogéniques 11 et 12 à la chambre de combustion. [0022] On représente ainsi de manière simplifiée un ensemble structurel pour un lanceur, et un système hydraulique pour ce lanceur. [0023] Chacun de ces ensembles présente une ou plusieurs fréquences 25 ou modes propres. Comme déjà décrit précédemment, en régime stable, les modes propres liés au système hydraulique sont sensiblement constants (ou à tout le moins présentent une évolution lente de sorte qu'on peut les considérer constants dans le présent exposé), tandis que les modes propres liés à la structure du lanceur évoluent avec le temps, 30 notamment du fait des réservoirs d'ergols cryogéniques 11 et 12 qui se vident progressivement. [0024] Une unité de mesure 30 est donc intégrée au système proposé. Cette unité de mesure 30 comprend typiquement un calculateur et des capteurs adaptés pour suivre en temps réel l'évolution des modes propres 35 de la structure du système, et également des modes propres du système hydraulique. 6 [0025] L'unité de mesure 30 peut par exemple suivre l'évolution des modes propres de la structure via une mesure des vibrations de la structure, et l'évolution des modes propres hydrauliques via les fluctuations de pression au sein des lignes d'alimentation en ergols. 5 [0026] L'unité de mesure 30 comprend typiquement une pluralité de capteurs, visant par exemple à déterminer les vibrations axiales d'une croix de cardans de l'ensemble moteur 20, les fluctuations de pression en sortie des réservoirs d'ergols cryogéniques 11 et 12, les fluctuations de pression en entrée des pompes qui alimentent l'ensemble moteur 20, et 10 les fluctuations de pression au sein de la chambre de combustion de l'ensemble moteur 20. [0027] L'unité de mesure 30 transmet les informations à une unité de commande 40. L'unité de commande 40 est conflgurée de manière à déterminer si les modes propres de la structure et les modes propres du 15 système hydrauliques sont susceptibles de se croiser, si ce croisement intervient au niveau de modes excitables et si ce croisement perdure ou est susceptible de perdurer, et donc susceptibles de générer un effet POGO. Cette détermination peut par exemple être réalisée en temps réel ; les modes propres sont alors déterminés en continu, et on associe par 20 exemple aux valeurs relevées par l'unité de mesure 30 une plage de valeurs acceptables, au-delà de laquelle l'unité de commande détecte un risque d'effet POGO, ou encore par anticipation. [0028] Par mode excitable, on entend un mode propre du système pour lequel les vibrations sont susceptibles de s'amplifier, la structure et le 25 fluide résultant alors en un amortissement global n'amortissant alors pas les vibrations. L'amortissement global du système va en effet naturellement amortir les vibrations dans certains modes, de sorte qu'ils ne soient pas excitables. L'excitabilité des modes propres peut être déterminée en continue et/ou au préalable. Dans le cas d'une 30 détermination en continu, l'unité de mesure 30 comprend par exemple des capteurs permettant de suivre les fluctuations de pression dans des réservoirs ou des conduites du système hydraulique et les vibrations de la structure. Ces mesures sont alors transmises à l'unité de commande 40, qui détermine si le croisement des fréquences coïncide avec une 35 augmentation des fluctuations mesurées. Dans l'affirmative, l'unité de commande 40 détermine alors qu'un risque d'initiation d'effet POGO est 7 avéré. Dans la négative, l'unité de commande 40 détermine alors que ce croisement des fréquences n'intervient pas à un mode propre excitable du système, et n'entraine donc pas de risque d'effet POGO. Dans le cas d'une détermination au préalable, les modes de structure et les modes 5 hydrauliques excitables sont déterminés au moyen d'une analyse des différents modes du système, de manière à définir quels modes propres sont excitables. Ces données sont imputées à l'unité de commande 40, qui ne traite alors que les croisements de fréquences intervenant pour de tels modes excitables dans la mesure où seuls de tels croisements sont 10 susceptibles de générer un effet POGO. [0029] Dans le cas où un risque d'effet POGO est détecté, l'unité de commande 40 émet une commande de correction visant à neutraliser ce risque, en modifiant la fréquence hydraulique et/ou l'amortissement fluide du système (c'est-à-dire l'amortissement ou le désamortissement apporté 15 par le fluide au sein du système, à travers les forces hydrauliques sur les lignes d'alimentation et la force de poussée) de manière à ce que le croisement des fréquences hydrauliques et structurelles ne perdure pas, ou que l'amortissement global du mode soit ponctuellement augmenté. L'unité de commande 40 détermine qu'un risque d'effet POGO ne peut 20 exister que lorsque les fréquences hydrauliques et structurelles sont couplées, c'est-à-dire sensiblement égales, par exemples égales à 5% près. [0030] Plus précisément, l'unité de commande 40 émet une commande de correction visant à modifier de manière temporaire le régime de 25 fonctionnement du moteur, et donc la fréquence du système hydraulique ou son amortissement fluide, afin qu'elle ne demeure pas égale ou sensiblement égale à la fréquence de vibration de la structure du système, ou que l'amortissement global du mode redevienne supérieur à un seuil de stabilité permettant d'amortir les vibrations. 30 [0031] Plusieurs types d'actions de correction peuvent être envisagés, dépendant notamment de la configuration hydraulique du système. [0032] On peut par exemple réaliser une extraction de gaz chauds dans le circuit de propulsion. On peut également modifier ponctuellement la consigne de poussée de l'ensemble moteur 20. Ces deux dernières 35 actions permettent notamment de modifier la poussée et donc l'amortissement critique. On peut également modifier la pression au sein 8 des réservoirs de fluides cryogéniques 11 et 12, par exemple en augmentant ou en diminuant de manière ponctuelle la pression au sein de l'un de ces réservoirs de fluides cryogéniques 11 et 12, ce qui permet de modifier la pression au niveau d'une entrée d'une pompe associée au 5 réservoir concerné, et donc de modifier le régime de cavitation de cette pompe et ainsi modifier les modes propres du système hydraulique. On peut également modifier les vitesses de rotation des pompes réalisant l'alimentation en ergols de la chambre de combustion, afin de modifier le régime de cavitation et donc les modes propres hydrauliques. Ces 10 différentes actions présentent des niveaux de réactivités différents, il est par exemple plus rapide de réaliser une extraction de gaz qu'une modification du niveau de pression dans les réservoirs, et présentent également des efficacités différentes, en effet, selon le besoin de correction, un changement de point de fonctionnement moteur vers une 15 poussée plus haute ou plus faible peut être plus efficace qu'une variation ponctuelle produite suite à l'extraction de gaz chauds. La logique de mitigation POGO peut donc être construite en utilisant une multitude d'actions de correction, associé à un algorithme de choix dépendant des conditions d'instabilité POGO. 20 [0033] L'unité de mesure 30 et l'unité de commande 40 sont avantageusement configurées de manière à s'assurer que les modes propres hydrauliques et structurels ne restent pas sensiblement égaux pendant plus d'une durée prédéterminée, par exemple 1 seconde lorsqu'il s'agit d'un mode excitable de la structure. Il a en effet été constaté que le 25 phénomène POGO apparaît uniquement lorsque les modes propres hydrauliques et structurels demeurent proches (par exemple égaux à 5% près) pendant une durée donnée, de l'ordre de 1 seconde (qui est le temps nécessaire pour qu'un tel phénomène s'amorce), et que l'amortissement global de ce mode couplé soit négatif ou inférieur à 0,2%. 30 Ainsi, en s'assurant que les modes propres hydrauliques et structurels ne restent pas proches pendant cette durée donnée dans des conditions d'amortissement négatif ou inférieur à 0,2%, le système permet de stopper l'apparition d'un phénomène POGO. [0034] Plus généralement, les différentes actions de correction visent à 35 faire varier de manière sensible (par exemple de 1 à 10%) un paramètre 9 de l'ensemble moteur 20 ou du système hydraulique dans un laps de temps court, strictement inférieur à une seconde. [0035] On représente schématiquement sur les figures 3 et 4 deux exemples d'actions de correction pouvant être réalisées. 5 [0036] Dans l'exemple représenté sur la figure 3, on voit que les modes propres hydrauliques sont modifiés lorsque les modes propres liés à la structure s'en approchent. Plus précisément, lorsque la courbe S (représentant les modes propres liés la structure) s'approche de la courbe H (représentant les modes propres liés au système hydraulique), par 10 exemple à 5% près, l'unité de commande 40 modifie le fonctionnement du système hydraulique de manière à faire osciller les modes propres hydrauliques autour d'une valeur nominale, jusqu'à ce que les modes propres liés à la structure se soient suffisamment éloignés de cette valeur nominale. A titre d'exemple, si on considère une valeur nominale arbitraire 15 à 40 Hz, l'unité de commande 40 peut enclencher une telle variation des modes propres hydrauliques lorsque les modes propres structurels atteignent la valeur 38 Hz, et ce jusqu'à ce que les modes propres structurels dépassent la valeur 42 Hz. [0037] La figure 4 présente un autre exemple d'action de correction. 20 Dans cet exemple, le régime hydraulique est modifié ponctuellement, au niveau de l'intersection des modes propres hydrauliques et structurels. La modification de la consigne de commande s'apparente ici à une impulsion. Ce type de correction ponctuel peut par exemple être réalisé par l'extraction de gaz chauds du circuit propulsif, entrainant une variation 25 ponctuelle de la pression en entrée pompe et une variation de la vitesse de rotation pompe, concluant en une variation du régime de cavitation et donc une modification de la fréquence du mode hydraulique. [0038] Un autre exemple d'action de correction consiste par exemple à modifier les paramètres de fonctionnement du moteur de manière à 30 modifier la poussée, par exemple en prélevant des gaz chauds d'un circuit de propulsion, ou en modifiant la consigne de poussée vers le système de contrôle moteur. Une telle modification de la poussée va entrainer une modification de l'amortissement du système, et donc une réduction du risque POGO. De cette manière, le croisement des fréquences intervient 35 alors dans des conditions non instables, le risque d'apparition d'un effet POGO est donc inhibé. 10 [0039] Le choix de l'action de correction est réalisé en fonction des caractéristiques propres au système considéré. [0040] Plusieurs actions de corrections peuvent être associées au sein d'un même système. On peut par exemple dans un premier temps réaliser 5 une action de correction ponctuelle comme décrite en référence à la figure 4, et si cette action de correction s'avère insuffisante, réaliser une action de correction pendant une durée donnée, par exemple de l'ordre de 5 à 10 secondes, comme illustré par la figure 3. Plusieurs corrections ponctuelles ou pendant une durée donnée peuvent ainsi être associées et 10 réalisées séquentiellement jusqu'à ce que le système sorte d'une situation de couplage des modes propres hydrauliques et structurels. [0041] L'unité de commande 40 est par ailleurs avantageusement configurée de manière à émettre des commandes de correction prenant en compte l'évolution des différents modes propres mesurés par l'unité de 15 mesure 30, et le potentiel de correction de chacune des actions de manière à s'assurer que l'action de correction qui en découle va dans le sens attendu. Par exemple, si l'unité de commande 40 détermine que le risque d'apparition d'effet POGO découle d'une augmentation de la poussée, la commande de correction ira alors typiquement dans le sens 20 d'une diminution de la poussée de manière à maintenir un amortissement global positif et ainsi inhiber le risque d'apparition d'un effet POGO. [0042] La figure 5 représente schématiquement un procédé tel que mis en oeuvre par le système décrit. Dans une première étape El, on mesure les fréquences structurelles et hydrauliques du système. On détermine 25 ensuite dans une étape E2 si ces fréquences sont couplées et si elles correspondent à un mode excitable, ou aboutissent à un amortissement négatif, et dans l'affirmative, on émet dans une étape E3 une commande de correction permettant de déclencher une action de correction de manière à ce que ce croisement des fréquences ne perdure pas dans un 30 mode excitable, ou à ce que l'amortissement fluide associés soit suffisant pour ne pas engendrer de POGO. Le procédé réalise ensuite une boucle, afin de vérifier si à l'issue de l'action de correction résultant de la commande de correction émise lors de l'étape E3 les fréquences sont toujours en situation de couplage, ou d'amortissement global négatif, et 35 émet alors le cas échéant une nouvelle commande de correction, pouvant être identique ou différente comme déjà indiqué précédemment. 11 [0043] Le système et le procédé tels que présentés permettent ainsi de proposer une nouvelle approche pour la gestion du phénomène POGO, en s'affranchissant d'un système correcteur du type capacitif et en proposant un système de régulation via une modification du point de fonctionnement 5 du moteur, de manière à éviter qu'un croisement des fréquences ne perdure dans un mode excitable de la structure suffisamment longtemps pour permettre l'initiation d'un REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'un moteur d'engin spatial à propulsion à liquides, dans lequel - on détermine une fréquence hydraulique de fonctionnement du moteur et une fréquence de structure, - on détermine un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence de structure, on analyse ledit couplage de manière à déterminer s'il intervient pour un mode excitable, et si ce couplage intervient pour un mode excitable, on modifie les paramètres de fonctionnement du moteur, de manière à modifier la fréquence hydraulique et/ou l'amortissement fluide pendant une durée prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la modification de la fréquence hydraulique et/ou de l'amortissement fluide résultant des efforts de l'hydraulique sur la structure est réalisée dans un délai inférieur à une seconde suite à la détermination par l'unité de mesure d'un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence de structure pour un mode propre excitable de la structure. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détermination du couplage réalise une anticipation d'un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence de structure, et modifie les paramètres de fonctionnement du moteur de manière à empêcher un couplage entre la fréquence hydraulique et la fréquence de structure. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins un paramètre de fonctionnement du moteur est modifié de manière à diminuer ou réduire la fréquence hydraulique de 1 à 10%. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins un paramètre de fonctionnement du moteur est modifié de manière à augmenter l'amortissement global du système. 13 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la modification des paramètres de fonctionnement du moteur est réalisée via au moins une des actions suivantes : - on extrait des gaz chauds d'un circuit de propulsion de l'engin spatial, 5 - on modifie ponctuellement les conditions de fonctionnement du moteur - on modifie la pression au sein de réservoirs de fluides cryogéniques de l'engin spatial. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la 10 modification des paramètres de fonctionnement du moteur est réalisée de manière à faire osciller un mode hydraulique du moteur autour d'une valeur nominale donnée. 8. Système de contrôle d'un moteur (20) d'engin spatial à propulsion à 15 liquides, comprenant - une unité de mesure (30) d'une fréquence hydraulique de fonctionnement du moteur et d'une fréquence de structure, - une unité de commande (40), configurée pour, si la fréquence hydraulique est couplée à la fréquence de structure, analyser le caractère 20 excitable dudit couplage, et si ce couplage intervient pour un mode excitable, émettre une commande de correction modifiant les paramètres de fonctionnement du moteur (20), de manière à modifier la fréquence hydraulique et/ou l'amortissement fluide pendant une durée prédéterminée. 25 9. Système selon la revendication 8, dans lequel l'unité de commande (40) est configurée de manière à réaliser la modification de la fréquence hydraulique dans un délai inférieur à une seconde suite à la détection par l'unité de mesure que la fréquence hydraulique est couplée à la fréquence 30 de structure. 10. Engin spatial comprenant un système de contrôle selon l'une des revendications 8 ou 9.35