Brevet FR3073493A1 — publié le 20190517

DISPOSITIF MULTIPLICATEUR DE POUSSEE (DMP) DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE 10 [001] L'invention concerne un dispositif permettant d'augmenter la poussée totale développée par tout éjecteur de gaz, et que ces gaz éjectés le soit de façon continue ou pulsée. Ainsi, grâce au phénomène physique inhérent à la viscosité de ces gaz, l'éjection de ces derniers à grande vitesse entraine de proche en proche le gaz environnant. Exemple : l'air atmosphérique soumis à un jet très énergétique issu d'un 15 éjecteur d'air comprimé va entrainer lors de sa pénétration dans cet air atmosphérique une grande quantité d'air secondaire. Le débit global constitué du débit principal produit par l'éjecteur d'air comprimé et à grande vitesse, et du débit secondaire produit par l'entrainement de l'air atmosphérique environnant à vitesse conséquente, sera bien supérieur au seul débit principal dont le produit de la vitesse moyenne par le débit 20 global induira une poussée supérieure à la seule poussée générée par l'éjecteur principal. [002] L'intérêt essentiel de l'application de ce phénomène physique est donc de générer une poussée supérieure à celle que produirait un éjecteur isolé, mais sans dépense 25 supplémentaire d'énergie. De plus, selon le type d'éjecteur ou chambre de combustion produisant l'éjection de gaz pulsés ou continus, cette chambre donc peut aussi se loger directement dans les ailes d'un aéronef, et se présenter alors comme un booster activé durant la première phase du décollement. À noter aussi que pour une même consommation de carburant utilisé pour générer des gaz à haute valeur énergétique (débit, vitesse), compte tenu que ce dispositif multiplicateur de poussée (DMP) se 30 produira sans énergie supplémentaire, le rapport entre la quantité de carburant consommé et la poussée totale indiquera une consommation spécifique (Cs) bien moindre. C'est ce rapport qui « mesure » l'efficacité des turbomachines en général. 35 [3] Ainsi, pour une turbomachine réputée consommer 1 kg de carburant pour produite 1 daN de poussée pendant 1 heure, soit Cs = 1kg/daN/h, avec ce DMP, si par exemple 5 la poussée globale était multipliée par 2 sans consommation de carburant supplémentaire, alors sa Cs serait divisée par 2, et ne serait plus que de 0,5 kg/daN/h ! ETAT DE.LA TECHNIQUE [4] Ce phénomène physique d'entrainement d'un gaz (d'un liquide) environnant par 10 un puissant jet éjecté d'une turbomachine, par exemple, est connu depuis de nombreuses décennies. Des essais ont été menés, et tout d'abord sur des réacteurs dont la poussée était obtenue de façon continue. Les gaz brûlés, éjectés à très haute valeur énergétique au sortir de la tuyère, pénétraient dans un éjecteur cylindrique adapté à la forme circulaire de cette tuyère ; de fait, par le phénomène lié à la viscosité 15 des gaz (des fluides), un amorçage était alors réalisé de sorte à entrainer de l'air extérieur produisant ainsi un débit supplémentaire et donc une poussée augmentée. [5] De nombreuses entreprises compétentes dans la réalisation de propulseurs, surtout américaines, ont développé toute sorte d'éjecteurs. La NASA surtout, a mené de nombreuses expérimentations, de mesures, d'éjecteurs de formes diverses et variées, 20 et en faisant aussi varier de nombreux paramètres (diamètre de l'éjecteur, distance entre l'entrée de l'éjecteur et la sortie de la tuyère, longueur de l'éjecteur, etc., etc...). La NASA s'est appliquée à mener ces diverses expérimentations à partir de pulsoréacteurs disponibles dans le commerce, les fournisseurs grand public. Le débit principal était donc pulsé selon une fréquence bien particulière (200 Hz). 25 [006] Les résultats de ce dispositif multiplicateur de poussée (DMP) est effectivement efficace puisqu'il devient possible de multiplier la poussée primaire par 1,8: Et la consommation spécifique s'en trouve alors, elle, divisée par 1, 8! Et ceci au seul prix d'un éjecteur optimisé, certes qui augmente la longueur totale tout comme la masse de l'ensemble, mais pour un gain en poussée, et donc une réduction de la Cs très 30 conséquente. Par ailleurs, avec l'adjonction de cet éjecteur, la NASA avait aussi noté une réduction de la puissance acoustique générée par les pulsoréacteurs qui ont une réputation non usurpée d'être particulièrement bruyant. Cet éjecteur se comportant alors comme un tuyau d'échappement. 35 40 [007] Partant de ces essais très probant de l'éjecteur multiplicateur de poussée, Boeing l'a alors utilisé pour son aéronef militaire (et bien sûr, ses revendications ne portaient pas sur ce dispositif d'éjecteur). Mais cette très grande entreprise innovante a préféré utiliser des pulsoréacteurs, mais cette fois sans valves du tout. Ou alors des valves dites aérodynamiques, et donc un « pulsejet valveless » comme représenté sur l'illustration figure 7. La « grille » 146 ayant pour fonction d'atténuer le bruit généré par ce pulsejet noté 100, et fonctionnant sans valves. L'aéronef ainsi doter d'une multitude de pulsejets notés 220, 218 assurent le décollage vertical ou tout du moins sans roulage, et les turbines notées 222 assurent la propulsion horizontale en croisière. Mais si l'avantage principal de ces mini propulseur tient dans leur très grande simplicité, un des inconvénients majeure à l'utilisation de ces pulsjets, et donc sans valves, est que la combustion s'effectue à quasi pression constante, et au mieux, avec une légère augmentation de la pression générant alors une augmentation de poussée assez faible, ce qui impose de constituer des rampes très nombreuses de ces pulsejet. A noter aussi que la consommation spécifique est assez catastrophique, même pour un usage militaire, car moins de consommation permet une plus grande portée, une bien plus grande distance franchissable. EXPOSE DE L'INVENTION [008] Si l'adjonction d'un éjecteur en sortie, par exemple, d'une tuyère d'une turbomachine dont la combustion est réalisée à pression constante ou à volume constant, permet effectivement d'augmenter la poussée globale d'une façon significative, en revanche, cet injecteur est actuellement positionné de façon permanente, c'est-à-dire non amovible. Et cette particularité devient contreproductive attendu qu'à vitesse élevée (et c'est la fonction principale d'une turbomachine propulsant un aéronef), cet appendice opposerait une force de tramée importante pouvant neutraliser, voire, réduire l'efficacité propulsive de la turbomachine, et en plus d'en augmenter la masse alors inutilement. De fait, ce dispositif ne deviendrait intéressant que dans la mesure où il se comporterait uniquement comme un booster, une aide au seul décollage ou atterrissage. 40 [9] La présente invention a donc pour objectif de s'affranchir de ces inconvénients majeurs. En effet, et pour rester dans le domaine aéronautique (mais les applications concernent de nombreux domaines), à partir du moment ou une chambre de combustion présente un encombrement suffisamment réduit au point de pouvoir être 5 logée directement, par exemple dans les ailes d'un aéronef, et tout aussi bien que dans d'autres parties dudit aéronef, et que la section de sortie de la tuyère présente une forme rectangulaire (non circulaire), alors il devient possible d'exploiter tous les avantagés de ce dispositif multiplicateur de poussée ou DMP. [10] La présente invention se caractérise donc par un éjecteur constitué de deux (2) 10 parties de section globalement rectangulaire : En position fermée, ces 2 demi éjecteur s'intègrent parfaitement dans le profil d'une aile d'avion, par exemple, de sorte à ne pas perturber l'écoulement aérodynamique, et présenter une force de tramée minimale lors du déplacement à vitesse élevée de l'aéronef, 15 En position ouverte, ces 2 demi éjecteur s'écartent suffisamment de façon à présenter une entrée d'air extérieur, et donc engendrer un débit secondaire entrainé par le débit de gaz brûlés primaire issu de la chambre de combustion, et que cette combustion soit réalisée à pression constante ou à volume constant, - Cet éjecteur prolongeant la tuyère de ladite turbomachine se comportera alors 20 comme un « tuyau d'échappement » et donc réduira de façon conséquente la puissance acoustique rayonnée par cette turbomachine, Pour une application aéronautique, à décollage/atterrissage vertical ou pas, ce DMP sera activé durant la première phase de cette opération, alors que les vitesses de l'aéronef sont encore assez faibles, pour se présenter comme un 25 booster ou une aide au décollage/atterrissage, - Dès l'instant où la vitesse atteinte par l'aéronef est suffisamment élevée au point qu'un autre mode de propulsion puisse assurer la phase de montée et de croisière, le DMP regagne alors sa position fermée de sorte à ne pas augmenter la force de tramée, et de présenter une aile dite « lisse ». 30 [011] Le mécanisme d'ouverture/fermeture de ce DMP doit être suffisamment simple, et de préférence basé sur des architectures dont l'électronique interviendrait de façon la plus réduite possible. Une des raisons de ce choix et que, ainsi conçu, ce DMP sera insensible à tout « perturbateur » électromagnétique extérieur, et notamment si l'aéronef est réputé autonome avec guidage GPS, contrôle permanent de la trajectoire par des 35 stations sols, et en cas d'avarie grave ou autre panne irréversible, reprise des commandes immédiate de l'extérieur par un pilote sol comme c'est le cas pour les drones actuels. Une des versions aéronef du mécanisme d'ouverture/fermeture de ce DMP se présente de la façon suivante : - Un ensemble propulseur composé d'une chambre de combustion et de sa tuyère d'éjection primaire de gaz brûlés hautement énergétiques prolongée de ce dispositif multiplicateur de poussée (DMP) et de ses 2 demi éjecteur, Cet ensemble propulseur étant libre en rotation partielle autour de l'axe du conduit d'alimentation en air comprimé de la chambre de combustion, et dont le débattement en rotation oscillant entre 0 degré lorsque cet ensemble propulseur est confondu avec l'aile de l'aéronef durant la phase de croisière, et 90 degrés ou 5 plus au moment de la phase décollage/atterrissage ou de sa position en mode stationnaire, Une came fixe solidaire du tronçon de l'aile à l'emplanture de l'aéronef, par exemple, Un galet prolongé par une crémaillère solidaire de l'ensemble propulseur, 10 Des bras articulés dont une extrémité est constituée d'un secteur ou roue dentée prenant position dans chacune des crémaillères, et l'autre extrémité étant liée à chaque demi éjecteur, mais libre en rotation, Lors de la rotation de cet ensemble propulseur, le galet glissant sur la came fixe entrainera la crémaillère dans son mouvement rectiligne qui actionnera alors la 15 rotation desdits bras articulés de façon à écarter les 2 demi éjecteur, et présenter ainsi une ouverture suffisante dédiée à la production du débit d'air secondaire, L'ensemble galet-crémaillère étant en contact permanent avec la came au travers d'un ressort, ou tout autre dispositif, de sorte à actionner les 2 demi éjecteur à l'ouverture comme à la fermeture. 20 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [012] Les figures annexées représentent respectivement dans ce simple exemple aéronautique : Figure 1 : la coupe d'un profil d'une aile d'avion en position fermée (lisse), l'ensemble 25 propulsif où sont représentés la chambre de combustion, et les 2 demi injecteur. Le centre de rotation est représenté par le cercle en traits pointillés. Figure 2 : l'ensemble propulsif amorce sa rotation jusqu'à se dégager des pointes avant et arrière du profil de l'aile, et les 2 demi injecteur sont alors prêts à se déployer. Figure 3 : L'ensemble propulsif est en position décollage après une rotation de quasi 90 30 degrés, et les 2 demi éjecteur sont écartés au maximum de sorte à présenter une entrée d'air au travers de laquelle un débit secondaire vient s'ajouter au débit principal généré par la chambre de combustion. La poussée globale s'en trouve alors augmentée. La circulation des flux d'air extérieur est signifiée par les différentes flèches, et le flux pulsé principal issu de la chambre de combustion entraine le flux secondaire produisant ce 35 débit correspondant. Figure 4 : Décrit les différents éléments constitutifs de l'aile en position « fermée » Figure 5 : Amorçage de la rotation du DMP jusqu'au déploiement des deux demi éjecteurs Figure 6 : Vue globale du dispositif DMP en représentation « 3D » 40 Figure 7: Différents éléments de l'aéronef militaire de Boeing utilisant des pulsoréacteurs sans valves mécaniques. DESCRIPTION DETAILLEE [13] La figure 4 représente un exemple d'application au domaine aéronautique du dispositif DMP. Une coupe 100 du profil d'une aile d'aile d'avion avec sa pointe avant 110 et sa pointe arrière 120 entre lesquelles une chambre de combustion 101 est 5 positionnée constituant alors l'ensemble propulseur 102. Les 2 demi éjecteur 103 étant en position fermée, et en continuité parfaite avec le profil d'aile 100. [14] Ces 2 demi éjecteur 103 sont liés aux biellettes 104 par les axes 105 dont l'autre extrémité estsolidaire d'un secteur ou d'une roue dentée 106. Cette roue dentée 106 est entrainée par la crémaillère 107 elle-même reliée à la crémaillère 108 10 [0151 La figure 5 représente l'ensemble propulseur 102 actionné en rotation autour de l'axe 130 de sorte à ce que le galet 109 roule sur la came 140 fixe déplaçant alors la tige 150 solidaire des crémaillères 107 et 108. Ce déplacement linéaire de la tige 150 entraine en rotation les roues dentée 106 et les biellettes 104 écartant alors les 2 demi éjecteur 103 comme indiqué par les flèches 160. Ces déplacements en position « plein 15 ouvert » dessinant les entrées d'air 200. [16] La figure 6 représente une vue globale en « 3D » de cet exemple de dispositif multiplicateur de poussée (DMP) appliqué à l'aéronautique. [17] La figure 7 représente différents éléments extraits du brevet déposé par la société Boeing où apparaissent certaines batteries de pulsoréacteurs sans valves mécaniques, 20 ainsi qu'une vue de l'aéronef REVENDICATIONS1 Dispositif multiplicateur de poussée dans un aéronef caractérisé en ce que 2 5 demi éjecteur 103 en position « fermée » prolongent parfaitement le profil d'une aile d'avion, et en position « ouvert » présentent les entrées d'air secondaire 200. 2 Dispositif multiplicateur de poussée selon la revendication 1 composé d'un mécanisme de biellettes 104, de crémaillères liées 107 et 108, d'axes de rotation 105, de secteur ou roues dentées 106 reliées à une tige 150 dont une extrémité se présente 10 sous la forme d'un galet 109. 3 Dispositif multiplicateur de poussée selon la revendication précédente dans lequel le galet 109 lors de la mise en rotation d'un ensemble propulseur 102, roule sur une came fixe 140 produisant le déplacement de la tige 150 qui actionne à son tour le mécanisme d'ouverture des 2 demi éjecteur 103. 15 4 Dispositif multiplicateur de poussée selon les revendications 2 et 3 dans lequel le galet 109 et la came fixe 140 sont maintenus en contact par un système de ressorts ou tout autre moyen afin que la rotation directe et contra rotative de l'ensemble propulsif 102 actionne les 2 demi éjecteur depuis leurs positions « plein fermé » à la position « plein ouvert » 20