Brevet FR3088894A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Système de récupération d'un engin spatial en mer, procédé de récupération et utilisation associés à celui-ci Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine général des lanceurs spatiaux. En par- ticulier, l'invention se rapporte à un système pour récupérer un engin spatial en mer, notamment une partie réutilisable d'un lanceur spatial. Technique antérieure [0002] Afin de réduire les coûts des lanceurs spatiaux, une méthode connue consiste à réutiliser tout ou partie d'un lanceur après son premier lancement. On citera à titre d'exemple le liniceur Falcon@ de la société SpaceX dont le premier étage réutilisable peut atterrir sur une barge en mer après le lancement. Une technique de ce type présente toutefois un certain nombre d'inconvénients. [0003] En effet, les lanceurs comprenant des parties réutilisables pouvant atterrir sont plus lourds car ils doivent embarquer une quantité plus importante de carburant, notamment pour ralentir l'étage réutilisable avant son atterrissage. En outre, l'étage réutilisable doit être équipé de dispositifs pour assurer sa stabilisation et son guidage lors de la phase de redescente, ce qui augmente également la masse et l'encombrement du lanceur. Enfin, un emplacement stable et rigide est requis pour assurer l'atterrissage de l'étage réutilisable, ce qui peut être difficile à obtenir lorsque la récupération doit se faire en mer. [0004] On connait également du document US 2018/0178930 un système de récupération d'un astronef sur terre ou en mer qui comprend un plateau d'atterrissage, un ensemble de câbles disposés au-dessus du plateau d'atterrissage définissant une ouverture, et un astronef qui possède un système d'accroche pouvant attraper les câbles lors de sa chute dans l'ouverture. Le système décrit est équipé de moyens permettant de détecter la chute de l'astronef et de libérer les câbles pour qu'ils puissent fermer l'ouverture et être attrapés par le système d'accroche. Un tel système nécessite une précision accrue des moyens pour détecter la chute de l'astronef et des moyens utilisés pour guider celui-ci au bon emplacement au cours de sa chute. [0005] 11 existe donc un besoin pour un système qui permette de récupérer un engin spatial en mer et qui ne présente pas les inconvénients précités. Exposé de l'invention [0006] La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un système de récupération d'un engin spatial en nier comprenant : - un cadre destiné à être maintenu à distance de l'eau, 2 - un premier filet souple pour capturer l'engin spatial après sa chute, le premier filet étant tendu à l'intérieur du cadre, - un système d'amortissement relié au premier filet et configure pour amortir la chute de l'engin spatial, et - un deuxième filet rigide fixé au cadre sous le premier filet pour guider et récupérer l'engin spatial une fois capturé dans le premier filet, le deuxième filet ayant la forme d'un entonnoir comprenant une ouverture supérieure et une ouverture inférieure ayant une section inférieure à celle de l'ouverture supérieure. [0007] On notera que le premier filet est dit « souple » par rapport au deuxième filet qui est dit « rigide », c'est-à-dire que le premier filet est plus souple que le deuxième filet ou, corrélativement, que le deuxième filet est plus rigide que le premier filet. Le système selon l'invention présente l'avantage d'être simple et peu coûteux à mettre en oeuvre. Il ne nécessite pas de plateforme fixe pour récupérer l'engin mais seulement un cadre qui est maintenu à distance de l'eau, ce qui permet une plus grande fiabilité pour récupérer un engin spatial en mer. Ainsi, l'emploi d'un tel système permet de s'affranchir des risques associés à une phase d'atterrissage de l'engin spatial. Il peut être par ailleurs facile à déplacer en mer. Il permet de découpler la fonction d'amortissement de l'engin pendant sa chute (à l'aide du premier filet et du système d'amortissement), de la fonction de récupération de l'engin (à l'aide du deuxième filet rigide qui permet de guider l'engin piégé dans le premier filet et de le récupérer par l'ouverture inférieure du deuxième filet). L'engin à récupérer n'a plus besoin d'embarquer un surplus de carburant et d'utiliser des moteurs pour être récupéré, par exemple seuls des volets de guidage et des parachutes peuvent suffire pour qu'il atteigne le premier filet. Ainsi, le système de récupération selon l'invention permet de ne pas avoir à augmenter outre mesure la masse de l'engin spatial. De plus, le système selon l'invention n'a pas besoin d'être synchronisé avec la chute de l'engin, c'est-à-dire qu'il est opérationnel à tout moment. [0008] Bien entendu, le système selon l'invention est également compatible avec un engin spatial équipé de moteurs réallumables pouvant le ralentir et guider sa chute jusqu'au premier filet. [0009] Dans un exemple de réalisation, le cadre peut être fixé aux extrémités supérieures de quatre bras verticaux munis de flotteurs. Cet exemple de réalisation permet de maintenir le cadre à distance de l'eau. Bien entendu, d'autres moyens sont envisageables pour pouvoir maintenir le cadre à distance de l'eau, comprenant plus ou moins de bras verticaux ou d'autres architectures. [0010] Dans un exemple de réalisation, le système peut être flottant. [0011] Dans un exemple de réalisation, le cadre peut être mobile verticalement. Cette dis- position permet de pouvoir abaisser le cadre pour récupérer l'engin une fois capturé. 3 [0012] Dans un exemple de réalisation, le cadre présente une forme rectangulaire et comprend quatre bras horizontaux, le premier filet et le deuxième filet étant reliés aux sommets dudit cadre. En variante, le cadre peut présenter d'autres formes, par exemple circulaire ou polygonale. [0013] Dans le cas d'un cadre ayant une forme rectangulaire, dans un exemple de réa- lisation, le système d'amortissement peut comprendre deux vérins fixés à deux bras horizontaux opposés du cadre, chaque vérin étant relié à deux extrémités adjacentes du premier filet. Cette caractéristique permet de simplifier la conception du système de récupération en mutualisant les vérins. En variante, on pourrait avoir autant de vérins que d'extrémités du premier filet, logés par exemple dans des bras horizontaux différents ou dans des bras verticaux différents. [0014] Dans un exemple de réalisation, le système d'amortissement peut comprendre des vérins hydrauliques, des vérins pneumatiques, ou, à la place des vérins, des dispositifs comprenant un câble déroulé et freiné. [0015] Dans un exemple de réalisation, le système d'amortissement peut être relié au premier filet par des câbles. Le premier filet peut par exemple présenter une forme généralement rectangulaire lorsqu'il est posé à plat et qu'il n'est pas sous tension, et le système d'amortissement peut être relié aux sommets ou coins du premier filet. [0016] Dans un exemple de réalisation, le premier filet peut être en un matériau po- lymériquc, par exemple en nylon, lui conférant sa souplesse. [0017] Dans un exemple de réalisation, le premier filet peut présenter une ouverture fermée par une couture afin de pouvoir récupérer l'engin spatial plus facilement. L'ouverture peut être en forme de croix. La couture peut être en point de chaînette afin de faciliter encore la récupération de l'engin spatial. [0018] Dans un exemple de réalisation, le système peut comprendre en outre un dispositif pour abaisser le premier filet à l'intérieur du deuxième filet afin de récupérer l'engin spatial par l'ouverture inférieure du deuxième filet. [0019] Dans un exemple de réalisation, le deuxième filet peut être en un matériau mé- tallique, lui conférant sa rigidité. [0020] Dans un exemple de réalisation, le deuxième filet peut être rétractable à l'intérieur du cadre. [0021] Dans un exemple de réalisation, le deuxième filet peut être maintenu en forme par une pluralité d'anneaux rigides de diamètres différents. Les anneaux peuvent être métalliques. En outre, le système peut comprendre un dispositif de rétractation du deuxième filet comprenant au moins un moteur et des câbles reliés auxdits anneaux. [0022] L'invention propose aussi, selon un autre aspect, un procédé de récupération d'un engin spatial en mer mettant en oeuvre un système de récupération d'un engin spatial en mer tel que celui présenté ci-avant, comprenant au moins les étapes suivantes : - la capture de l'engin spatial par le premier filet, et - la récupération de l'engin spatial par l'ouverture inférieure du deuxième filet. [0023] Enfin, l'invention vise l'utilisation d'un système de récupération d'un engin spatial en mer tel que celui présenté ci-avant pour récupérer au moins une partie d'un lanceur spatial après son lancement. Brève description des dessins [0024] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la des- cription faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : [0025] [fig. il La figure 1 montre une vue en perspective d'un système de récupération d'un engin spatial selon un mode de réalisation de l'invention. [0026] [f ig.1A ] La figure 1A montre un exemple de point de couture pour fermer une ouverture présente dans le premier filet. [0027] [fig.2] La figure 2 montre une vue en coupe du système de la figure 1. [0028] [fig.3] La figure 3 montre une étape d'un procédé de récupération d'un engin spatial en mer mettant en oeuvre le système illustré sur les figures 1 et 2. [0029] [fig.4] La figure 4 montre une autre étape d'un procédé de récupération d'un engin spatial en mer mettant en oeuvre le système illustré sur les figures 1 et 2. Description des modes de réalisation [0030] Les figures 1 et 2 montrent des vues d'un système de récupération d'un engin spatial en mer 100 selon un mode de réalisation de l'invention. Le système 100 est prévu pour être utilisé sur une surface aquatique, notamment sur une mer ou un océan. Il comprend un cadre 110 destiné à être maintenu à distance de l'eau, un premier filet 120 souple pour capturer l'engin spatial après sa chute, un système d'amortissement 130 configuré pour amortir la chute de l'engin spatial, et un deuxième filet 140 rigide pour guider et récupérer l'engin spatial une fois capturé dans le premier filet 120. [0031] Le cadre 110 comprend ici quatre bras horizontaux III perpendiculaires entre eux qui lui confèrent une forme généralement rectangulaire. Dans cet exemple les bras horizontaux 111 font la même longueur et le cadre 110 est de forme carrée. D'autres formes pour le cadre 110 pourront être envisagées, par exemple polygonale ou circulaire. Le cadre 110 comprend ainsi des sommets 112 auxquels sont fixés des bras verticaux 113 munis, au niveau de leur extrémité opposée au cadre 110, de flotteurs 113a. Le système 100 peut être configuré pour que les flotteurs 133a soient partiellement ou totalement immergés afin de protéger le système 100 de la houle lorsque celui-ci est positionné en mer. [0032] Le cadre 110 peut être mobile verticalement. A cet effet, les bras verticaux 113 peuvent être télescopiques, c'est-à-dire présenter une longueur variable, de façon à pouvoir contrôler la distance séparant le cadre 110 de l'eau. Des moyens non représentés peuvent permettre de faire varier la longueur de tels bras verticaux 113. En variante, les flotteurs 113a peuvent coulisser le long des bras verticaux 113 de façon à pouvoir contrôler la distance séparant le cadre 110 de l'eau. Encore en variante, chaque bras vertical 113 peut comprendre plusieurs parties coulissantes les unes par rapport aux autres et un dispositif pour les faire coulisser les unes par rapport aux autres. Des moyens tels qu'un altimètre, un système GPS ou une règle graduée sur les bras verticaux 113 peuvent permettre de contrôler la distance séparant le cadre 110 du niveau de l'eau. [0033] Le premier filet 120 souple présente une forme carrée lorsqu'il n'est pas tendu et est posé à plat. Il est tendu à l'intérieur du cadre 110 par des câbles 121 fixés à ses extrémités, ici au nombre de quatre. Le premier filet 120 peut être en un matériau polymérique, par exemple en nylon, pour lui conférer sa souplesse. Le premier filet 120 est destiné à entrer en contact avec l'engin spatial en chute. Le premier filet 120 peut, en variante, présenter des formes différentes de celle illustrée. Dans l'exemple illustré, le premier filet 120 présente au niveau de son centre une ouverture 122 en forme de croix qui est, dans la configuration illustrée, fermée par une couture 123. La couture 123 peut être une couture en point de chaînette (illustrée sur la figure 1A), permettant d'ouvrir l'ouverture 122 en libérant simplement une extrémité du fil 123a de la couture pour récupérer l'engin spatial. [0034] Le système d'amortissement 130 comprend ici deux vérins hydrauliques fixés à deux bras horizontaux Ill opposés du cadre 110. Chaque vérin hydraulique est relié à deux extrémités adjacentes du premier filet 120 par les câbles 121 à l'aide de poulies 114 prévues aux sommets du cadre 110 au niveau d'une extrémité des bras verticaux 113. Les câbles 121 peuvent être métalliques. Le système d'amortissement 130 peut être du type des systèmes d'amortissement utilisés pour freiner un avion lors de son appontage sur un porte-avion ou cas d'urgence (brin d'arrêt ou barrière d'arrêt). Dans une variante non illustrée, le système d'amortissement peut comprendre quatre vérins, par exemple hydrauliques, reliés chacun aux extrémités du premier filet 120. On notera qu'à la place des vérins hydrauliques, on peut utiliser des vérins pneumatiques ou des dispositifs comprenant un câble déroulé et freiné. [0035] Le deuxième filet 140 rigide présente une forme d'entonnoir, c'est-à-dire qu'il présente une ouverture supérieure 141 et une ouverture inférieure 142, l'ouverture in- 6 férieure 142 présentant une section inférieure à celle de l'ouverture supérieure 141. Dans cet exemple les ouvertures 141 et 142 sont de forme circulaire, le diamètre Dl de l'ouverture supérieure 141 étant supérieur au diamètre D2 de l'ouverture inférieure 142. Le deuxième filet 140 est fixé au cadre 110 de manière à être tendu à l'intérieur de celui-ci au-dessous du premier filet 120. De la sorte, le premier filet 120 recouvre l'ouverture supérieure 141 du deuxième filet 140. [0036] Le deuxième filet 140 rigide comprend des anneaux métalliques rigides 143 répartis sur sa hauteur qui lui permettent de garder sa forme d'entonnoir. Une partie des anneaux métalliques 143 présente des diamètres différents. Dans cet exemple, deux câbles 144 sont fixés d'une part à l'anneau 143 le plus proche de l'eau (de part et d'autre de l'extrémité inférieure 142 du deuxième filet 140), et d'autre part à des moteurs, présents par exemple dans un hoitier abritant les vérins hydrauliques du système d'amortissement 130. L'activation des moteurs reliés aux câbles 144 permet de rétracter le deuxième filet 140 l'intérieur du cadre 110. La rétractation du deuxième filet 140 peut permettre un transport plus aisé du système de récupération 100 ou encore de récupérer plus facilement l'engin spatial une fois celui-ci attrapé dans le premier filet 120. [0037] Dans l'exemple illustré, le cadre 110 peut être positionné à une hauteur HI de 100 mètres du niveau de l'eau. Chaque bras horizontal 111 du cadre 110 peut présenter une longueur L de 100 mètres ou d'au moins 50 mètres. L'ouverture supérieure 141 du deuxième filet 140 peut présenter un diamètre DI de l'ordre de 50 mètres ou d'au moins 25 mètres. Le deuxième filet 140 peut s'étendre à partir du cadre 110 sur une hauteur H2 de l'ordre de 70 mètres. L'extrémité inférieure du deuxième filet 140 peut ainsi être séparée du niveau de l'eau d'environ 30 mètres. L'ouverture inférieure 142 du deuxième filet 140 peut présenter un diamètre D2 de l'ordre de 5 mètres ou d'au moins 5 mètres. Plus généralement, le diamètre D2 de l'ouverture inférieure 142 du deuxième filet 140 sera adapté à la taille de l'engin spatial à récupérer. [0038] Les figures 3 et 4 illustrent schématiquement les étapes d'un procédé de récupération d'un engin spatial en mer mettant en oeuvre le système de récupération 100. La figure 3 montre, en haut à gauche, un lanceur 200 au moment de la séparation de son premier étage 210 et de son deuxième étage 220. Le premier étage 210 amorce ensuite sa chute. Il peut être équipé de moyens (non représentés) tels que des volets déployables pour guider sa chute vers le système de récupération 100 positionné en mer, et d'un ou plusieurs parachutes 211 pour le ralentir. En variante, le premier étage 210 peut être dépourvu de moyens pour guider et/ou ralentir sa chute. On pourra en particulier équiper le premier étage 210 de moyens pour guider et/ou ralentir sa chute en fonction de la masse de celui-ci. Le premier étage 210 entre ensuite en contact avec le premier filet 120 du système 100 qui amortit sa chute à l'aide du système d'amortissement 130 7 et le capture. Le deuxième filet 140 sert de réceptacle pour le premier étage 210 ainsi capturé. [0039] Dans un deuxième temps, comme illustré sur la figure 4, on peut ensuite récupérer le premier étage 210 par l'ouverture inférieure 142 du deuxième filet 140, par exemple à l'aide d'un bateau 200 positionné sous ladite ouverture 142. La récupération du premier étage 210 peut se faire soit en abaissant le premier filet 120 dans lequel est présent le premier étage 210 dans le deuxième filet 140 puis en décrochant le premier filet 120, soit en abaissant l'ensemble du cadre 110 (dans ce cas le cadre 110 est mobile verticalement) pour approcher le premier filet dans lequel est présent le premier étage 210 puis en décrochant le premier filet 120. Lorsque le premier filet 120 est muni d'une ouverture 122 avec une couture 123, on peut ouvrir l'ouverture 122 par rupture de la couture qui la maintenait fermée afin de récupérer le premier étage 210. Pour faciliter l'opération de récupération du premier étage 210, le deuxième filet 140 peut être au moins partiellement rétracté, comme illustré. [0040] L'invention a été décrite en lien avec la récupération d'un engin spatial tel que le premier étage d'un lanceur. On notera que l'invention peut s'appliquer à tout type d'engin spatial, et plus généralement à tout objet en chute depuis une altitude élevée. L'invention est particulièrement adaptée à la récupération d'objets de forme élancée, notamment de forme cylindrique. 8