Brevet FR3094413A1 — publié le 20201002

Description Titre de l'invention : Dispositif d'activation électrique amélioré pour l'allumage de moteur d'engin spatial Domaine technique [0001] Le présent exposé concerne le domaine des moteurs d'engins spatiaux, et vise plus précisément les systèmes d'allumage d'un moteur d'engin spatial. Technique antérieure [0002] Les moteurs d'engins spatiaux tels que des fusées sont allumés au moyen d'allumeurs installés dans la chambre de combustion du moteur. Ces allumeurs né- cessitent l'utilisation d'un initiateur afin de démarrer la réaction de combustion. [0003] Un initiateur couramment utilisé est la bougie d'allumage, permettant de générer une étincelle, et ainsi initier la combustion. [0004] De tels systèmes d'allumage présentent cependant certaines contraintes. La bougie d'allumage doit notamment être connectée à un système d'alimentation haute tension, appelé boîtier électronique (Ebox en anglais). L'assemblage de composants électroniques présents dans ce boîtier électronique doit être résistant aux conditions spatiales. Il en résulte que ces boîtiers électroniques nécessitent un développement complexe et coûteux, et présentent un coût de production important. [0005] Le présent exposé vise donc à proposer un système d'allumage permettant de s'affranchir de ces différents inconvénients. Exposé de l'invention [0006] Le présent exposé concerne un dispositif d'activation électrique pour l'allumage de moteur d'engin spatial présentant une chambre de combustion, une tuyère et un initiateur configuré de manière à provoquer un allumage de la chambre de combustion, le dispositif d'activation comprenant un élément piézoélectrique configuré pour activer électriquement l'initiateur, et des moyens mécaniques configurés pour exercer des contraintes mécaniques variables sur l'élément piézoélectrique. [0007] L'initiateur permet d'apporter une petite quantité d'énergie localement, par exemple une étincelle, et peut être une électrode, une bougie d'allumage, un laser ou un initiateur acoustique. L'initiateur peut provoquer l'allumage de la chambre de combustion par l'intermédiaire d'une torche d'allumage, par exemple, ou d'autres dispositifs appropriés. Une étincelle provoquée par l'initiateur permet d'initier la combustion de la torche, et ainsi l'allumage de la chambre de combustion. L'activation électrique de l'initiateur est provoquée par l'élément piézoélectrique. Un tel élément piézoélectrique permet de générer une différence de potentiel lorsqu'une contrainte mécanique lui est appliquée. L'élément piézoélectrique peut être proche ou éloigné de 2 l'initiateur mais doit être électriquement en contact avec l'initiateur. [0008] Les moyens mécaniques peuvent être tous types de moyens ne comportant pas d'éléments électroniques, induisant des mouvements de rotation ou de translation permettant d'engendrer des contraintes mécaniques variables sur l'élément piézoélectrique. Par « variable », on comprend que l'intensité des contraintes mécaniques exercées sur l'élément piézoélectrique oscille entre des valeurs de faibles intensités et des valeurs fortes intensités. Des valeurs de contraintes mécaniques de faibles intensités peuvent être des valeurs des contraintes inférieures à 10N, et des valeurs de fortes intensités correspondent à des pics d' intensité, et peuvent être des contraintes mécaniques supérieures à 30 N, de préférence supérieures à 40 N. [0009] De manière alternative, les moyens mécaniques peuvent entrer en contact avec l'élément piézoélectrique de manière discontinue, en alternant entre des contraintes de fortes intensités et des contraintes nulles lorsque les moyens mécaniques ne sont pas en contact avec l'élément piézoélectrique. Selon cette configuration, les moyens mécaniques viennent en contact de manière discontinue avec l'élément piézoélectrique sous la forme d'impacts successifs, ces impacts permettant d'exercer des contraintes mécaniques supérieures à 30 N, de préférence supérieures à 40 N. [0010] Le dispositif d'activation selon le présent exposé ne comporte aucun élément élec- tronique, hormis l'élément piézoélectrique, dont l'activation est assurée par les moyens mécaniques. Ce dispositif ne nécessite donc pas de source d'alimentation électrique permettant l'allumage de la chambre de combustion. Il est ainsi possible de diminuer les coûts de production, en s'affranchissant de la nécessité d'intégrer des composants électroniques devant résister aux conditions spatiales. [0011] Dans certains modes de réalisation, la fréquence des contraintes mécaniques exercées sur l'élément piézoélectrique par les moyens mécaniques est réglable. [0012] Il est ainsi possible de régler la fréquence à laquelle l'initiateur produit des étincelles en réglant la fréquence de sollicitation de l'élément piézoélectrique. [0013] Dans certains modes de réalisation, la fréquence des contraintes exercées sur l'élément piézoélectrique par les moyens mécaniques est comprise entre 1 et 100 Hz, de préférence entre 45 et 55 Hz. [0014] Ces valeurs correspondent aux fréquences selon lesquelles les variations d'intensité de contraintes, ou les impacts discontinus, sont exercés par les moyens mécaniques sur l'élément piézoélectrique. Ces valeurs de fréquences permettent d'obtenir une fréquence de production d'étincelles permettant l'allumage de la torche, et donc de la chambre de combustion. [0015] Dans certains modes de réalisation, les moyens mécaniques comportent une turbine et une came reliée à la turbine, la came étant disposée de telle sorte à venir en contact avec l'élément piézoélectrique et à exercer des contraintes mécaniques variables sur 3 celui-ci, lorsque la came est entrainée en rotation par la turbine. [0016] La came peut être reliée à la turbine par l'intermédiaire d'un arbre. Ainsi, la rotation de la turbine autour d'un axe de rotation entraîne la rotation de la came autour de ce même axe. La came peut être disposée de manière à ce qu'elle soit en contact continu avec l'élément piézoélectrique, lorsque celle-ci est en rotation. Par conséquent, au cours de la rotation de la came, la présence de la partie en saillie de la came engendrera de manière alternative des contraintes plus élevées sur l'élément piézoélectrique, tendant à écraser cc dernier, que lorsque des parties autre que la partie en saillie de la came sont en contact avec l'élément piézoélectrique. [0017] De manière alternative, la came peut être disposée de manière à ce que, lorsqu'elle est en rotation, elle entre en contact de manière discontinue avec l'élément piézoélectrique. Plus précisément, au cours de la rotation de la came, la partie en saillie de la came percute de manière alternative l'élément piézoélectrique. [0018] L'utilisation de moyens mécaniques comportant une turbine et une came présente l'avantage d'être simple à réaliser et à intégrer au sein du dispositif. [0019] Dans certains modes de réalisation, la came est configurée pour exercer des contraintes supérieures ou égales à 40 N sur l'élément piézoélectrique. [0020] Ces valeurs de contraintes mécaniques dépendent des caractéristiques de l'élément piézoélectrique. Elles permettent d'engendrer des étincelles. Plus précisément, ces valeurs de contraintes exercées sur l'élément piézoélectrique permettent de générer des tensions supérieures à 15kV entre les extrémités de l'élément piézoélectrique, ces tensions permettant d'engendrer des étincelles à une extrémité de l'initiateur. [0021] Dans certains modes de réalisation, la turbine est configurée pour être alimentée par un fluide provenant du moteur de l'engin spatial, le fluide entraînant la turbine en rotation. [0022] Dans certains modes de réalisation, la turbine comporte une entrée configurée pour recevoir le fluide provenant du moteur, et une sortie configurée pour libérer le fluide provenant de la turbine, en direction de la chambre de combustion. [0023] Le fluide provenant du moteur de l'engin spatial peut être un gaz utilisé dans l'engin spatial et nécessaire au fonctionnement de celui-ci. En d'autres termes, il ne s'agit pas d'un circuit de fluide ajouté à l'engin spatial uniquement dans le but d'actionner la turbine, mais d'un circuit de fluide déjà existant dans l'engin spatial, avant l'intégration du dispositif du présent exposé. La turbine peut donc être disposée sur le circuit de ce fluide déjà existant, l'écoulement de ce dernier permettant l'actionnement de la turbine. Par conséquent, aucun circuit supplémentaire n'est nécessaire pour faire fonctionner la turbine, et donc le dispositif d'activation, facilitant l'intégration de ce dernier à l'engin spatial. Par ailleurs, les fréquences d'application des contraintes mécaniques sur l'élément piézoélectrique peuvent être réglables soit en faisant varier les dimensions de la turbine, lors de la conception, pour un débit de fluide donné, soit en faisant varier le débit d'alimentation en fluide de la turbine, pour une conception de la turbine donnée. [0024] Dans certains modes de réalisation, le fluide est de l'hélium ou de l'azote destiné à balayer la chambre de combustion au moment de l'allumage de cette dernière. [0025] Avant l'allumage proprement dit de l'engin spatial, par injection d'un ergol liquide ou gazeux dans la chambre de combustion, un gaz tel que de l'hélium ou de l'azote est utilisé afin d'assurer un inertage de cette dernière préalablement à l'allumage. Par « balayer », on comprend que l'hélium ou l'azote est injecté dans les différents circuits et vannes d'alimentation du moteur, afin d'assainir ces derniers. Pour ce faire, un débit d'hélium ou d'azote s'écoule depuis un réservoir jusqu'à la chambre de combustion, pendant les quelques secondes, par exemple cinq secondes, précédant l'allumage du moteur, ce débit étant stoppé quelques secondes, par exemple cinq secondes, après l'allumage. [0026] Les moyens mécaniques, par exemple la turbine, peuvent être disposés sur le circuit reliant le réservoir d'hélium à la chambre de combustion, en amont de cette dernière. L'écoulement d'hélium entraîne ainsi la turbine en rotation, permettant donc le fonctionnement du dispositif d'activation. L'utilisation de ce débit d'hélium ou d'azote permet l'opération du dispositif d'activation uniquement pendant la phase d'allumage du moteur, sans nécessité l'ajout et l'utilisation d'éléments supplémentaires tels qu'une vanne, pour l'activation et l'arrêt du dispositif d'activation. En effet, il n'est nécessaire d'activer ce dernier que pendant une plage de temps correspondant à la phase d'allumage du moteur, cette plage de temps correspondant sensiblement à celle durant laquelle le balayage d'hélium ou d'azote est effectué. Il en résulte une intégration du dispositif d'activation à l'engin spatial simple et peu couteuse. [0027] Dans certains modes de réalisation, le dispositif comporte une unité de commande configurée pour réguler le débit de fluide alimentant la turbine. [0028] L'unité de commande peut par exemple commander l'ouverture d'une vanne présente sur le circuit d'hélium ou d'azote en amont de la turbine. La régulation du débit de fluide permet de réguler la vitesse de rotation de la turbine, et donc la fréquence d'étincelage de l'initiateur. [0029] Dans certains modes de réalisation, l'élément piézoélectrique est un barreau piézo- électrique, une extrémité du barreau étant configurée pour être en contact électrique avec l'initiateur, l'autre extrémité du barreau étant en contact mécanique de manière discontinue avec la came. [0030] Dans certains modes de réalisation, l'extrémité du barreau opposée à l'extrémité en contact électrique avec l'initiateur est en contact avec la came de manière continue. [0031] Le barreau piézoélectrique, de par sa forme, présente l'avantage d'être facile à intercalé entre l'initiateur et la came, et de générer efficacement des différences de potentiels entre les extrémités de ce barreau. [0032] Le présent exposé concerne également un moteur d'engin spatial comprenant une chambre de combustion, une tuyère, un initiateur configuré de manière à provoquer un allumage de la chambre de combustion, et un dispositif d'activation selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents, l'élément piézoélectrique étant connectée électriquement à l'initiateur. Brève description des dessins [0033] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : [0034] [fig.1] la figure 1 est une vue schématique d'un moteur d'engin spatial comportant le dispositif d'activation selon le présent exposé ; [0035] [fig.2] la figure 2 est une vue schématique latérale du dispositif d'activation selon le présent exposé ; [0036] [fig.3] la figure 3 est une vue schématique de face du dispositif d'activation selon le présent exposé. Description des modes de réalisation [0037] Un moteur fusée à ergols liquides par exemple, en particulier à ergols liquides cryo- géniques, est illustré schématiquement sur la figure 1. Ce moteur fusée comporte un réservoir 2 pour l'ergol (deux ou trois réservoirs pouvant également être envisageables), un réservoir 3 d'hélium, une chambre de combustion principale 6 alimentée en ergols provenant du réservoir 2, une tuyère convergente-divergente 7 pour l'éjection propulsive des gaz de combustion générés dans la chambre de combustion principale 6, et un dispositif d'activation 10 pour allumer la chambre de combustion 6 par l'intermédiaire de l'allumeur 4, par exemple une torche d'allumage. Un initiateur, par exemple une électrode 14, est intégré à l'allumeur 4, et permet l'allumage de l'allumeur 4 par génération d'une étincelle, par exemple. 100381 Dans ce mode de réalisation, le réservoir 3 comporte de l'hélium. Toutefois, un autre fluide tel que de l'azote peut être utilisé. Avant l'allumage proprement dit du moteur, par injection d'ergol liquide dans la chambre de combustion 6, l'hélium est utilisé assainir et prévenir les remontés d'un ergol dans la cavité d'injection d'un autre ergol avant et durant l'allumage. Pour ce faire, un débit d'hélium s'écoule depuis le réservoir 3 jusqu'à la chambre de combustion 6 via un canal d'alimentation, pendant une phase précédent l'allumage du moteur, ce débit étant stoppé peu après l'allumage. 100391 Le dispositif d'activation 10 est disposé sur ce canal d'alimentation. Plus pré- 6 cisément, le canal d'alimentation comporte un canal d'entrée 3a, reliant le réservoir 3 à une entrée du dispositif d'activation 10, et un canal de sortie 3h reliant le dispositif d'activation 10 à la chambre de combustion 6. [0040] La figure 2 présente une vue schématique latérale du dispositif d'activation 10. Par « vue latérale », on comprend une vue perpendiculaire à l'axe A de rotation de la turbine 16. La figure 3 est une vue schématique de face du dispositif d'activation 10. Par « vue de face », on comprend une vue parallèle à l'axe A de rotation de la turbine 16. Le dispositif d'activation 10 comporte la turbine 16 et une came 18 entrainée en rotation autour de l'axe A par la turbine 16, par l'intermédiaire d'un arbre 17. Lc dispositif 10 comporte en outre un barreau piézoélectrique 12. Le barreau piézoélectrique 12 est en contact électrique avec l'électrode 14. Sur les figures 2 et 3, le barreau piézoélectrique 12 et l'électrode 14 sont en contact direct l'un avec l'autre. Néanmoins, cet exemple est schématique et permet de simplifier la description, mais n'est pas limitatif, le barreau piézoélectrique 12 et l'électrode 14 pouvant être éloignés l'un de l'autre, tout en restant connectés l'un à l'autre électriquement. [0041] Le barreau piézoélectrique 12 comporte un matériau ayant des propriétés lui permettant de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique. Il peut comporter des matériaux ferroélectriques tels que des céramiques ferroélectriques, niais également des matériaux non ferroélectriques tels que des Quartz. [0042] Le barreau piézoélectrique 12 peut avoir une forme allongée, par exemple une forme cylindrique d'axe X. Il peut être maintenu en position par un élément de maintien 19, ce dernier étant solidaire de l'engin spatial et fixe par rapport à celui-ci. L'élément de maintien 19 permet de limiter les mouvements du barreau piézoélectrique 12 dans des directions perpendiculaires à son axe principal X. L'élément de maintien 19 permet en outre de laisser libres les extrémités axiales du barreau piézoélectrique 12, de manière à ce qu'une extrémité de celui-ci soit en contact électrique avec l'électrode 14, et l'extrémité opposée puisse entrer en contact avec la came 18. [0043] Suivant ce mode de réalisation, lorsque la came est en rotation autour de l'axe A, la partie en saillie 18a de la came 18 établit un contact avec une extrémité du barreau piézoélectrique 12 à chaque rotation. Plus précisément, à chaque rotation, la partie en saillie 18a de la came 18 percute l'extrémité libre du barreau piézoélectrique 12, créant ainsi une différence de potentiel entre cette extrémité et l'extrémité du barreau piézoélectrique 12 en contact électrique avec l'électrode 14, permettant à cette dernière de générer une étincelle à chaque rotation de la came 18. En d'autres termes, la came 18 est en contact discontinu avec le barreau piézoélectrique 12. [0044] Da manière alternative, la carne 18 peut être disposée de manière à ce qu'elle soit en contact continu avec le barreau piézoélectrique 12, lorsque celle-ci est en rotation. Par conséquent, au cours de la rotation de la came 18, la présence de la partie en saillie 18a 7 de la came 18a engendrera de manière alternative des contraintes plus élevées sur le barreau piézoélectrique 12, tendant à écraser ce dernier, que lorsque des parties autre que la partie en saillie 18a de la came 18 sont en contact avec le barreau piézoélectrique 12. [0045] La came 18 est entrainée en rotation par la turbine 16. Pour ce faire, la turbine 16 comporte une entrée 161, connectée au canal d'entrée 3a, et une sortie 162, connectée au canal de sorti 3b. Pendant la phase précédant l'allumage du moteur, lorsqu'un débit d'hélium s'écoule depuis le réservoir 3 jusqu'à la chambre de combustion 6 via le canal d'alimentation, l'écoulement d'hélium permet d'entrainer en rotation la turbine 16. La rotation de la turbine 16 entraîne la rotation de l'arbre 17, qui entraîne lui-même la rotation de la came 18 percutant alors le barreau piézoélectrique 12, provoquant ainsi la génération d'étincelle par l'électrode 14. L'électrode 14 étant intégrée à l'allumeur 4, la génération d'étincelles par l'électrode 14 permet d'allumer l'allumeur 4, provoquant ainsi l'allumage de la chambre de combustion 6. [0046] Une fois l'allumage de la chambre de combustion 6 effectué, l'écoulement d'hélium n'étant plus nécessaire, ce dernier est arrêté, stoppant ainsi la rotation de la turbine 16, et donc la production d'étincelles par l'électrode 12. [0047] Le dispositif d'activation 10 peut également comporter une vanne de régulation en amont de la turbine, sur le canal d'entrée 3a, cette vanne de régulation étant reliée à une unité de commande (non représentée), par exemple de type ECU (« Electronic Control Unit »). La vanne de régulation peut être une vanne tout ou rien. De manière alternative, l'unité de commande permet de contrôler l'ouverture de la vanne de régulation, permettant de réguler le débit d'hélium traversant la turbine 16, et donc la vitesse de rotation de la turbine. Ce contrôle de l'ouverture de la vanne de régulation permet ainsi de réguler la fréquence d'étincelage de l'électrode 14. [0048] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réa- lisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par exemple, turbine peut être remplacée par un système oscillant naturellement instable tel qu'un clapet anti retour taré en limite pour la différence de pression généré par le débit de fluide. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] REVENDICATIONSDispositif d'activation électrique (10) pour l'allumage (10) de moteur d'engin spatial présentant une chambre de combustion (6), une tuyère (7) et un initiateur (14) configuré de manière à provoquer un allumage de la chambre de combustion (6), le dispositif d'activation (10) comprenant un élément piézoélectrique (12) configuré pour activer électriquement l'initiateur (14), et des moyens mécaniques (16, 17, 18) configurés pour exercer des contraintes mécaniques variables sur l'élément piézoélectrique (12). Dispositif d'activation (10) selon la revendication 1, dans lequel la fréquence des contraintes mécaniques exercées sur l'élément piézoélectrique (12) par les moyens mécaniques est réglable. Dispositif d'activation (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fréquence des contraintes exercées sur l'élément piézoélectrique (12) par les moyens mécaniques est comprise entre 1 et 100 Hz, de préférence entre 45 et 55 Hz. Dispositif d'activation (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens mécaniques comportent une turbine (16) et une came (18) reliée à la turbine (16), la came (18) étant disposée de telle sorte à venir en contact avec l'élément piézoélectrique (12) et à exercer des contraintes mécaniques variables sur celui-ci, lorsque la came (18) est entrainée en rotation par la turbine (16). Dispositif d'activation (10) selon la revendication 4, dans lequel la carne (18) est configurée pour exercer des contraintes supérieures ou égales à 40 N sur l'élément piézoélectrique (12). Dispositif d'activation (10) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la turbine (16) est configurée pour être alimentée par un fluide provenant du moteur de l'engin spatial, le fluide entraînant la turbine (16) en rotation. Dispositif d'activation (10) selon la revendication 6, dans lequel le fluide est de l'hélium ou de l'azote destiné à balayer la chambre de combustion (6) au moment de l'allumage de cette dernière. Dispositif d'activation (10) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la turbine (16) comprend une entrée (3a) configurée pour recevoir le fluide provenant du moteur, et une sortie (3b) configurée pour libérer le fluide provenant de la turbine (16), en direction de la chambre de combustion (6). 9 [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] Dispositif d'activation (10) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, comportant une unité de commande configurée pour réguler le débit de fluide alimentant la turbine (16). Dispositif d'activation (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel l'élément piézoélectrique (12) est un barreau piézoélectrique, une extrémité du barreau étant configurée pour être en contact électrique avec l'initiateur (14), l'autre extrémité du barreau étant en contact mécanique de manière discontinue avec la came (18). Moteur d'engin spatial comprenant une chambre de combustion (6), une tuyère (7), un initiateur (14) configure de manière à provoquer un allumage de la chambre de combustion (6), et un dispositif d'activation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'élément piézoélectrique (12) étant connectée électriquement à l'initiateur (14).