Brevet FR3082565A1 — publié le 20191220

DOMAINE TECHNIQUE [0001] Le présent exposé concerne le domaine des moteurs-fusées, et plus particulièrement un procédé de commande d'un moteur-fusée et un dispositif de commande de moteur-fusée. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE [0002] Les moteurs-fusées comprennent classiquement, pour leur propulsion, une chambre de combustion alimentée en un ou plusieurs ergols. Dans le cas d'une pluralité d'ergols, chacun de ces ergols peut être conduit vers la chambre de combustion par une conduite d'alimentation, qui est le plus souvent munie d'une pompe et d'une vanne d'alimentation de la chambre de combustion, appelée plus simplement vanne chambre. La vanne chambre permet de réguler le débit de chaque ergol injecté dans la chambre de combustion. [0003] Les moteurs-fusées connaissent généralement une multitude de points de fonctionnement correspondant à des situations de vol variées. Par conséquent, le domaine de fonctionnement et le domaine des dispersions matérielles des composants du moteur peuvent être très larges et, dans ces domaines, les caractéristiques des pompes n'évoluent pas de façon parallèle. Cela induit des variations, dans un sens ou dans l'autre, dans le rapport de mélange entre les ergols. Ces variations doivent pouvoir être compensées tout en conservant des performances optimales sur les points de fonctionnement principaux du moteur-fusée, ou au moins sur un point de fonctionnement de référence. [0004] Il existe donc un besoin pour un nouveau type de procédé de commande d'un moteur-fusée et un dispositif de commande de moteur-fusée. PRÉSENTATION GÉNÉRALE [0005] A cet effet, le présent exposé concerne un procédé de commande d'un moteur-fusée, le moteur-fusée comprenant une chambre 30 de combustion, une première vanne d'alimentation de la chambre de 2 combustion pour réguler le débit d'un premier ergol dans une première conduite d'alimentation configurée pour alimenter la chambre de combustion, et une deuxième vanne d'alimentation de la chambre de combustion pour réguler le débit d'un deuxième ergol dans une deuxième 5 conduite d'alimentation configurée pour alimenter la chambre de combustion, le procédé comprenant la commande conjointe des première et deuxième vannes d'alimentation selon une loi en segments de plage. [0006] Par souci de concision et conformément au vocabulaire usuellement employé, la première (respectivement deuxième) vanne 10 d'alimentation de la chambre de combustion sera appelée plus simplement première (respectivement deuxième) vanne chambre. [0007] Une loi de commande en segments de plage, connue aussi sous l'appellation anglaise « split-range », est une loi décomposant la plage de régulation en plusieurs segments et telle que seulement une 15 partie des organes, en l'occurrence des vannes chambre, sont entraînées dans chaque segment. [0008] Par exemple, la plage de régulation peut être décomposée en deux segments. Dans un premier segment, seule la première vanne chambre est entraînée et dans un deuxième segment, seule la deuxième 20 vanne chambre est entraînée. Le point de jonction entre le premier segment et le deuxième segment peut être configuré pour correspondre au point de fonctionnement de référence du moteur-fusée, et/ou pour correspondre au point où le fonctionnement des vannes est optimisé. [0009] Bien que les première et deuxième vannes chambre soient 25 entraînées à tour de rôle, selon le segment de régulation dans lequel on se trouve, les première et deuxième vannes chambre sont commandées conjointement en raison de la dépendance entre la commande de l'une et la commande de l'autre. [0010] La régulation des vannes chambre permet de modifier le rapport de mélange, c'est-à-dire le rapport entre les débits des premier et 3 deuxième ergols. Le rapport de mélange peut être considéré, par exemple, à l'entrée des pompes des ergols respectifs ou à l'entrée de la chambre de combustion. Les débits utilisés pour calculer le rapport de mélange sont alors mesurés ou estimés aux endroits correspondants. 5 [0011] Grâce à l'utilisation d'une commande conjointe des première et deuxième vannes chambre selon une loi en segments de plage, il est possible de compenser la variation des caractéristiques des pompes tout en conservant une grande plage de régulation, voire en l'augmentant. En effet, à définition des vannes chambre inchangée, la plage de régulation 10 du moteur-fusée peut être augmentée, car, autour du point de fonctionnement de référence, les deux vannes chambre sont disponibles pour ajuster les performances du moteur-fusée. De plus grandes dispersions pour les variations des caractéristiques des pompes deviennent alors acceptables. Inversement, il serait possible, à plage de 15 régulation inchangée, de relâcher les contraintes sur la définition et les performances des vannes chambre, d'où un coût réduit pour le moteur-fusée. [0012] De plus, comme indiqué précédemment, la performance du moteur-fusée au point de fonctionnement de référence peut être 20 optimisée. [0013] Dans certains modes de réalisation, la loi en segments de plage détermine le degré d'ouverture des première et deuxième vannes chambre en fonction du rapport de mélange des premier et deuxième ergols. 25 [0014] Dans certains modes de réalisation, le procédé de commande comprend une régulation de la commande des première et deuxième vannes chambre en boucle ouverte. Par exemple, la loi en segments de plage peut utiliser une valeur de consigne du rapport de mélange, indépendamment de la valeur réelle du rapport de mélange, pour 4 commander les ouvertures des première et deuxième vannes chambre. Le procédé de commande est ainsi simple à mettre en oeuvre. [0015] Dans certains modes de réalisation, le procédé de commande comprend une régulation de la commande des première et deuxième 5 vannes chambre en boucle fermée. Par exemple, la loi en segments de plage peut utiliser une valeur réelle du rapport de mélange, mesurée ou estimée, pour commander les ouvertures des première et deuxième vannes chambre. Ainsi, la commande des première et deuxième vannes peut être réalisée en fonction d'une différence entre la valeur réelle du 10 rapport de mélange et une valeur de consigne du rapport de mélange. Cela permet de compenser les biais de fonctionnement. Il s'ensuit une meilleure précision du procédé de commande. [0016] Dans certains modes de réalisation, la loi en segments de plage est paramétrée de sorte que les première et deuxième vannes 15 chambre présentent une ouverture maximale au point de jonction entre les segments de plage. En particulier, les vannes qui sont entraînées directement de part et d'autre du point de jonction peuvent présenter une ouverture maximale audit point de jonction. Par exemple, si le point de jonction correspond au point de fonctionnement de référence du moteur- 20 fusée, alors, les vannes chambre étant pleinement ouvertes, l'impulsion spécifique du moteur-fusée peut être optimisée en ce point. [0017] Dans certains modes de réalisation, le moteur-fusée comprend, sur chaque conduite d'alimentation, une pompe configurée pour entraîner l'ergol circulant dans ladite conduite, les pompes étant 25 entraînées par un arbre commun. L'arbre commun peut lui-même être entraîné par une turbine commune. Selon un exemple, les pompes et la turbine commune peuvent former une turbopompe mono-arbre. Le fait que les pompes soient entraînées par un arbre commun permet de découpler le rapport de mélange d'autres paramètres du moteur tel que la 30 pression dans la chambre de combustion et/ou, le cas échéant, la 5 température du générateur de gaz. Le découplage permet de simplifier la commande du moteur-fusée et le procédé de commande précité se révèle, dans ce contexte, encore plus avantageux. [0018] Dans certains modes de réalisation, le moteur-fusée est à 5 cycle à générateur de gaz. Plus particulièrement, dans certains modes de réalisation, le moteur-fusée comprend un générateur de gaz, le générateur de gaz étant alimenté en premier ergol et en deuxième ergol par des conduites de dérivation correspondantes respectivement branchées en dérivation sur les conduites d'alimentation en amont des 10 vannes chambre. En d'autres termes, dans ces modes de réalisation, une première conduite de dérivation relie la première conduite d'alimentation, en amont de la première vanne chambre, au générateur de gaz, et une deuxième conduite de dérivation relie la deuxième conduite d'alimentation, en amont de la deuxième vanne chambre, au générateur 15 de gaz. Des vannes de dérivations peuvent être prévues, respectivement, sur tout ou partie des conduites de dérivation, pour réguler le débit d'ergol vers le générateur de gaz. Le cas échéant, les vannes de dérivation peuvent être commandées, indépendamment ou en relation avec les vannes chambre, pour contrôler d'autres paramètres de fonctionnement 20 du moteur-fusée. [0019] Dans certains modes de réalisation, les différentes étapes du procédé de commande sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateur. [0020] Ainsi, le présent exposé concerne également un programme 25 comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de commande tel que précédemment décrit lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur ou par un microprocesseur. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et 6 code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable. [0021] Le présent exposé concerne également un support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un 5 programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de commande tel que précédemment décrit. [0022] Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un 10 CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy disc) ou un disque dur. [0023] D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être 15 acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon le présent exposé peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. [0024] Le présent exposé concerne également un dispositif de commande de moteur-fusée, le moteur-fusée comprenant une chambre 20 de combustion, une première vanne chambre pour réguler le débit d'un premier ergol dans une première conduite d'alimentation configurée pour alimenter la chambre de combustion, et une deuxième vanne chambre pour réguler le débit d'un deuxième ergol dans une deuxième conduite d'alimentation configurée pour alimenter la chambre de combustion, le 25 dispositif de commande étant configuré pour commander conjointement les première et deuxième vannes chambre selon une loi en segments de plage. Ce dispositif peut être adapté pour la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit. [0025] Le présent exposé concerne également un moteur-fusée 30 comprenant une chambre de combustion, une première vanne chambre 7 pour réguler le débit d'un premier ergol dans une première conduite d'alimentation configurée pour alimenter la chambre de combustion, et une deuxième vanne chambre pour réguler le débit d'un deuxième ergol dans une deuxième conduite d'alimentation configurée pour alimenter la 5 chambre de combustion, et un dispositif de commande tel que précédemment décrit. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0026] Llnvention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation donnés 10 à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un moteur-fusée selon un mode de réalisation ; - la figure 2 illustre une loi de commande en segments de plage 15 selon un mode de réalisation ; - la figure 3 représente un procédé de commande de moteur-fusée selon un mode de réalisation ; - la figure 4 illustre le fonctionnement du moteur-fusée lors de la mise en oeuvre d'un procédé de commande selon un mode de réalisation ; 20 - la figure 5 illustre une loi de commande en segments de plage selon un autre mode de réalisation ; - la figure 6 représente un procédé de commande de moteur-fusée selon un autre mode de réalisation. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION 25 [0027] Un moteur-fusée 10 selon un mode de réalisation est représenté schématiquement sur la figure 1. Le moteur-fusée 10 comprend une chambre de combustion 12 configurée pour être alimentée en un premier ergol, par exemple du méthane, et un deuxième ergol, par exemple de l'oxygène liquide. Ainsi, le moteur-fusée peut comprendre une 30 première conduite d'alimentation 20 pour l'alimentation de la chambre de 8 combustion 12 en premier ergol et une deuxième conduite d'alimentation 21 pour l'alimentation de la chambre de combustion 12 en deuxième ergol. Les ergols peuvent provenir de réservoirs non représentés. [0028] La première conduite d'alimentation 20 (respectivement 5 deuxième conduite d'alimentation 21) peut être munie d'une première vanne chambre 22 (respectivement deuxième vanne chambre 23) configurée pour réguler le débit du premier ergol (respectivement du deuxième ergol) dans la première conduite d'alimentation 20 (respectivement deuxième conduite d'alimentation 21). 10 [0029] Les débits dans les conduites d'alimentation 20, 21 peuvent être également régulés par une première pompe 26 et une deuxième pompe 27 en amont des vannes chambre 22, 23 respectives. Chacune des pompes 26, 27 est configurée pour entraîner l'ergol circulant dans la conduite d'alimentation correspondante 20, 21. 15 [0030] En l'espèce, le moteur-fusée 10 est un moteur-fusée à cycle à générateur de gaz et comprend donc un générateur de gaz 14. Dans ce mode de réalisation, le générateur de gaz 14 est alimenté en ergols soutirés sur les conduites d'alimentation 20, 21. En d'autres termes, le moteur-fusée 10 comprend des conduites de dérivation 24, 25, branchées 20 en dérivation respectivement sur la première conduite d'alimentation 20 et sur la deuxième conduite d'alimentation 21, en amont des vannes chambre respectives 22, 23. Chaque conduite de dérivation 24, 25 peut être munie d'une vanne de dérivation 24A, 25A pour la régulation du débit des ergols alimentant le générateur de gaz 14. 25 [0031] Le générateur de gaz 14 produit, grâce à la combustion des ergols soutirés, des gaz qui entraînent une turbine 16. Dans ce mode de réalisation, la turbine 16 entraîne à son tour en rotation un arbre 18. L'arbre 18 entraîne à son tour les première et deuxième pompes 26, 27. En d'autres termes, la première pompe 26 et la deuxième pompe 27 sont 30 entraînées par un arbre commun 18. En l'espèce, la turbine 16, l'arbre 18 9 et les pompes 26, 27 peuvent appartenir à une même turbopompe mono-arbre. [0032] Le moteur-fusée 10 peut comprendre en outre un dispositif de commande 50 configuré pour commander les première et deuxième 5 vannes 22, 23, comme il sera expliqué par la suite. En particulier, le dispositif de commande 50 est configuré pour commander conjointement les première et deuxième vannes chambre 22, 23 selon une loi en segments de plage. [0033] Un mode de réalisation d'une loi en segments de plage est 10 illustré sur la figure 2. La figure 2 est un graphe représentant le degré d'ouverture des vannes chambre, variant entre 0% (position la plus fermée possible) et 100% (position la plus ouverte possible), en fonction d'un facteur K variant entre KI. et K2 (ici, K1 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur-fusée (10), le moteur-fusée comprenant une chambre de combustion (12), une première vanne d'alimentation de la chambre de combustion (22) pour réguler le débit d'un premier ergol dans une première conduite d'alimentation (20) configurée pour alimenter la chambre de combustion (12), et une deuxième vanne d'alimentation de la chambre de combustion (23) pour réguler le débit d'un deuxième ergol dans une deuxième conduite d'alimentation (21) configurée pour alimenter la chambre de combustion (12), le procédé comprenant la commande conjointe des première et deuxième vannes d'alimentation de la chambre de combustion (22, 23) selon une loi en segments de plage. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel la loi en segments de plage détermine le degré d'ouverture des première et deuxième vannes d'alimentation de la chambre de combustion (22, 23) en fonction du rapport de mélange des premier et deuxième ergols. 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, comprenant une régulation de la commande des première et deuxième vannes d'alimentation de la chambre de combustion en boucle fermée (60). 4. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la loi en segments de plage est paramétrée de sorte que les première et deuxième vannes d'alimentation de la chambre de combustion (22, 23) présentent une ouverture maximale au point de jonction entre les segments de plage. 20 5. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le moteur-fusée (10) comprend, sur chaque conduite d'alimentation (20, 21), une pompe (26, 27) configurée pour entraîner l'ergol circulant dans ladite conduite (20, 21), les pompes (26, 27) étant 5 entraînées par un arbre commun (18). 6. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le moteur-fusée (10) comprend un générateur de gaz (14), le générateur de gaz (14) étant alimenté en premier ergol et en 10 deuxième ergol par des conduites de dérivation correspondantes (24, 25) respectivement branchées en dérivation sur les conduites d'alimentation (20, 21) en amont des vannes d'alimentation de la chambre de combustion (22, 23). 15 7. Programme comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur ou par un microprocesseur. 20 8. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 25 9. Dispositif de commande (50) de moteur-fusée, le moteur-fusée (10) comprenant une chambre de combustion (12), une première vanne d'alimentation de la chambre de combustion (22) pour réguler le débit d'un premier ergol dans une première conduite d'alimentation (20) configurée pour alimenter la chambre de combustion (12), et une deuxième vanne d'alimentation de la chambre de combustion (23) pour 21 réguler le débit d'un deuxième ergol dans une deuxième conduite d'alimentation (21) configurée pour alimenter la chambre de combustion (12), le dispositif de commande (50) étant configuré pour commander conjointement les première et deuxième vannes d'alimentation de la 5 chambre de combustion (22, 23) selon une loi en segments de plage. 10. Moteur-fusée (10) comprenant une chambre de combustion (12), une première vanne d'alimentation de la chambre de combustion (22) pour réguler le débit d'un premier ergol dans une première conduite 10 d'alimentation (20) configurée pour alimenter la chambre de combustion (12), et une deuxième vanne d'alimentation de la chambre de combustion (23) pour réguler le débit d'un deuxième ergol dans une deuxième conduite d'alimentation (21) configurée pour alimenter la chambre de combustion (12), et un dispositif de commande (50) selon la revendication 15 9.