Brevet FR3115838A1 — publié le 20220506

Le but de la présente invention est de proposer un moteur-fusée à antimatière. Moteur-fusée à antimatière (5000), comprenant: - une arrivée d’ergols (1010, 1020), - une vanne de régulation (1030), - une canalisation (1040), - une turbine (1050), - un injecteur (1060), - une grille d’allumage (1070), - une chambre de combustion (1080), - une tuyère (1090), - un laser (1110) étant apte à générer un champ électromagnétique élevé afin de dévier des électrons et créer un plasma chaud, - un canon à électrons (1120) étant apte à générer un jet de gaz d’électrons qui seront accélérés par le laser, - un métal (1130) pouvant être frappé par les électrons, - un guide électromagnétique d’électrons (1140) et -un guide électromagnétique de positons (1150), créés par le laser (1110), ces guides étant aptes à canaliser les flux des particules et antiparticules au sein de la chambre de combustion afin qu’ils s’annihilent et produisent un rayonnement qui permet d’apporter une énergie supplémentaire pendant la combustion d’ergols et d’augmenter la puissance du moteur fusée à antimatière et par conséquent la poussée du moteur-fusée à antimatière, et - un dispositif de blindage nécessaire pour limiter la propagation du rayonnement. Moteur-fusée à antimatière. L'invention se rapporte à un moteur-fusée à antimatière, comprenant au moins une canalisation d’arrivée de fluides, au moins une vanne de régulation, au moins un tube de préchauffage de fluides, au moins une turbine de circulation de fluides, au moins un laser de forte puissance, au moins un tube de production d’électrons, au moins un métal de production d’électrons et de positons, au moins un guide de visée pour les électrons, au moins un guide de visée pour les positons, une chambre de combustion, une tuyère de poussée, au moins une protection contre les rayons gamma et X. Etat de l’art: Dans les moteurs-fusées connus de l'art antérieur, la propulsion est fournie au moyen d'un système d'alimentation à partir des réservoirs du moteur vers une chambre de poussée qui est composée essentiellement d'une chambre de combustion et d'une tuyère de détente. Comme ergols, de l'hydrogène, du kérosène ou de l'hydrazine qui, conjointement avec un agent oxydant, par exemple de l'oxygène liquide ou d’un composé d'azote, sont injectés dans la chambre de combustion pour y brûler. Les gaz d'échappement ainsi produits se dilatent de la chambre de combustion à travers la tuyère dans l'environnement, moyennant quoi le moteur-fusée génère une poussée qui agit à l'opposé de la direction d'expansion des gaz d'échappement comme cela est décrit par exemple dans le brevet FR 2801936. Pendant le processus de combustion, les températures dans la chambre de combustion peuvent atteindre plus de 3000 ° C. Pour permettre à la chambre de poussée, notamment la chambre de combustion, de résister à ces températures, la paroi de la chambre de combustion est généralement refroidie au moyen d'un fluide caloporteur circulant à travers un système de conduits. Par exemple, dans un procédé à flux de dérivation, le fluide liquide, avant d'être introduit dans la chambre de combustion, peut être conduit à travers des canaux formés dans la paroi de la chambre de combustion, pour qu’il y ait un échange de chaleur entre le fluide et la paroi de la chambre de combustion. Par ailleurs, dans les moteurs-fusées, la tuyère de poussée sert à transformer en impulsion l'énergie produite dans la chambre de combustion et à obtenir une pression de travail proche de la pression ambiante dans chaque cas considéré. Pour un vol interplanétaire, la pression ambiante est pratiquement de 0 bar dans l'espace vide d'air. Par conséquent, dans les moteurs-fusées qui fonctionnent de façon ininterrompue aussi bien en tant que propulseurs de décollage que de propulseurs à haute altitude, la poussée doit être continuellement adaptée au fur et à mesure de l'augmentation de l'altitude en vue d'obtenir un rendement optimal pour la poussée tout au long du vol. Cependant, avec ce type de moteur-fusée, la propulsion est limitée par la consommation de carburant et la quantité embarquée notamment pour les vols de très longues distances. Ainsi la technologie à base de moteurs électriques est intervenue pour les satellites de petite taille, ou les sondes spatiales, comme cela est décrit par exemple dans le brevet FR 3070791. Ces types de moteurs, généralement appelé moteurs ioniques sont des systèmes de propulsion embarqués dans les engins spatiaux pour les satellites terrestres et géostationnaires et pour les missions spatiales en dehors d'une orbite terrestre. Dans certaines configurations, le rapport de l'impulsion d'entraînement à la masse de carburant utilisé comme mesure de l'efficacité de l'entraînement est beaucoup plus favorable pour les accélérateurs à plasma que pour les entraînements chimiques conventionnels, de sorte qu'une réduction du pourcentage en poids du carburant est particulièrement importante pour les applications spatiales. Un gaz rare à poids atomique élevé, en particulier le xénon, est souvent utilisé comme combustible. Cependant avec ce type de moteurs, la poussée est faible, et il n’est pas envisageable de les utiliser pour des vaisseaux de taille importante. L'objet de la présente invention est par conséquent d'éliminer les inconvénients des modes de réalisation connus des systèmes de poussée actuels et de concevoir un moteur-fusée qui consomme moins de carburant, tout en donnant une impulsion suffisante pour accélérer le vaisseau avec un bon rendement pendant la totalité du vol et tout en garantissant une bonne fiabilité et un bon niveau de sécurité pendant la mission. En plus de sa mission de base, le moteur-fusée pour un vol dans l’espace pourrait remplir une seconde fonction de décollage ou de vol à basse altitude. Il existe donc un réel besoin pour un tel dispositif permettant notamment un allumage homogène, une poussée de croisière contrôlable, un faible coût, une mise en oeuvre simple, un accroissement de la vitesse du vaisseau, une diminution des temps de vol, un accroissement de la sécurité pendant le vol. Dans la présente invention, la solution proposée intègre les critères exposés ci-dessus. Dans la présente invention, le moteur-fusée à antimatière, utilise un processus de création et d’annihilation de matière et d’antimatière. Dans la présente invention, le processus d’allumage et de combustion d’ergols se fait par l’intermédiaire d’un laser, d’un canon à électrons, de réactions à basse énergie et notamment de collisions entre positons et électrons, et ce afin de chauffer les dits ergols, d’augmenter la poussée et de diminuer la nocivité de rayonnement gamma et X de haute énergie. La présente invention (5000) concerne un moteur-fusée à antimatière comprenant : - au moins une canalisation d’arrivée d’ergols disposée à proximité de la chambre de combustion ; - au moins une turbine pour injecter un fluide dans la chambre de combustion ; - au moins un tube pour réchauffer le fluide le long de la chambre de combustion ; - au moins une vanne de régulation pour réguler le débit d'injection dans la chambre de combustion ; - au moins un injecteur configuré pour injecter un fluide dans la chambre de combustion ; - au moins une grille d’allumage pour favoriser le mélange de fluide et son allumage ; - une chambre de combustion débouchant sur une tuyère, avec un revêtement protecteur ; - une tuyère de poussée, avec un revêtement protecteur ; - au moins un dispositif protecteur autour de la chambre de combustion et de la tuyère ; - au moins un canon à électrons qui sert de source à électrons (par exemple, un tube, des semi-conducteurs); - au moins un laser de forte puissance ; - au moins un métal (or, argent, aluminium, ...) bombardé par des électrons relativistes, qui génère des rayons gamma, des rayons X, des électrons et des positons; - au moins un guide électromagnétique pour électrons ; - au moins un guide électromagnétique pour positons ; - au moins un dispositif protecteur autour du laser, du canon à électrons, du métal, des guides. L’arrivée d’ergol, dans certains modes de réalisation de l’invention, permet d’apporter le fluide qui sera nécessaire à la création de la poussée. La turbine, dans certains modes de réalisation de l’invention, permet de faire circuler le fluide le long de la paroi de la chambre de combustion afin de réchauffer celui-ci avant de l’injecter dans la chambre de combustion. La vanne de régulation, dans certains modes de réalisation de l’invention, permet de réguler le débit d'injection, et donc de réguler le niveau de poussée du propulseur en fonction du débit d'injection du fluide. Ainsi, à partir d'un niveau de poussée initial, il est possible, en faisant varier le débit d'injection de fluide, d'atteindre et de réguler la poussée du propulseur de manière optimale suivant le profil souhaité de la mission. L'injecteur, dans certains modes de réalisation de l’invention, permet d'injecter le mélange de fluide dans la chambre de combustion. La grille, dans certains modes de réalisation de l’invention, permet de favoriser l’allumage et donc la combustion des ergols. La chambre de combustion, dans certains modes de réalisation de l’invention, permet d’assurer le mélange des ergols et la combustion de ceux-ci. Elle nécessite un traitement de surface pour assurer un revêtement de qualité afin d’absorber les rayons gamma et les rayons X générés par les réactions matière antimatière. Le moteur, dans certains modes de réalisation de l’invention, comprend un canal d'alimentation configuré pour alimenter l'injecteur en fluide sous forme liquide ou gazeuse, dans lequel le canal d'alimentation comporte un clapet anti-retour pour bloquer l'écoulement des gaz de combustion provenant de la chambre de combustion à travers le canal d'alimentation. La tuyère, dans certains modes de réalisation de l’invention, permet d’assurer la poussée du moteur. Elle nécessite un traitement de surface pour assurer un revêtement de qualité afin d’absorber les rayons gamma et les rayons X générés par les réactions matière antimatière. Le canon à électrons, dans certains modes de réalisation de l’invention, génère un jet de gaz d’électrons qui seront accélérés par le laser. Le laser, dans certains modes de réalisation de l’invention, génère un champ électromagnétique élevé pour pouvoir dévier des électrons et créer un plasma chaud. En effet, le mouvement combiné des électrons dans les champs électrique et magnétique du faisceau laser tend à repousser les électrons vers les zones de champ faible, produisant ainsi une séparation de charge oscillant à la fréquence naturelle des électrons dans le milieu : la fréquence plasma. Le champ électrique associé à cette séparation de charge atteint facilement des valeurs très élevées (très supérieure au MV/m) et se propage à la vitesse du faisceau laser, très proche de celle de la lumière pour des densités électroniques faibles. Un électron injecté ou piégé dans ce champ, et dont la vitesse est également proche de celle de la lumière, peut alors être accéléré. Un faisceau d’électrons est produit par interaction entre un faisceau laser et le jet de gaz du canon à électrons. Le métal frappé par les électrons qui ont une vitesse proche de celle de la lumière et donc relativistes génère alors des paires électrons-positons ainsi qu’un rayonnement gamma et X. Le dispositif de blindage est nécessaire pour limiter la propagation de ce rayonnement. Le guide électromagnétique d’électrons et le guide électromagnétique de positons créés par le laser, servent à canaliser les flux des particules et antiparticules au sein de la chambre de combustion pour qu’ils s’annihilent et produisent alors un rayonnement. Ce rayonnement permet d’apporter une énergie supplémentaire pendant la combustion d’ergols et d’augmenter la puissance du moteur fusée à antimatière et par conséquent la poussée du moteur-fusée à antimatière. L'invention et ses avantages seront mieux compris après la description détaillée de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux figures, sur lesquelles : - , la représente schématiquement une vue en coupe d'un moteur fusée selon un mode de réalisation de l’invention; - , la représente schématiquement une vue en coupe d'un moteur fusée selon un autre mode de réalisation de l’invention. Un moteur fusée à antimatière (5000) selon un premier mode de réalisation de la présente invention va être décrit en référence à la . Le moteur fusée à antimatière (5000) comporte une première partie (1000). L’arrivée d’ergols (1010, 1020) permet d'alimenter, une vanne de régulation (1030), une canalisation (1040), une turbine (1050), des injecteurs (1060), une grille d’allumage (1070), une chambre de combustion (1080), une tuyère (1090), La vanne de régulation (1030) est disposée dans les canalisations d'arrivée (1010, 1020) en aval du réservoir. La canalisation (1040) permet de faire circuler le fluide pour le préchauffer avant injection dans la chambre de combustion (1080). La turbine (1050) permet de mettre le fluide sous pression avant injection dans la chambre de combustion (1080). L’injecteur (1060) fait saillie dans l'enceinte interne de la chambre de combustion (1080) du moteur. La grille d’allumage (1070) permet l’allumage du moteur, lorsque la combustion est arrêtée. Le moteur fusée à antimatière (5000) comporte une seconde partie (1100) dont l’axe principal est légèrement décalé par rapport à l’axe de la première partie (1000). Le laser (1110) génère un champ électromagnétique élevé pour pouvoir dévier des électrons et créer un plasma chaud et des électrons relativistes. Le canon à électrons (1120) génère un jet de gaz d’électrons qui sont accélérés par le laser (1110). Un faisceau d’électrons relativistes est produit par interaction entre un faisceau laser (1110) et le jet de gaz du canon à électrons (1120). Le métal (1130) est frappé par les électrons qui ont une vitesse proche de celle de la lumière et donc relativistes et génèrent alors des paires électrons-positons ainsi qu’un rayonnement gamma et X. Le guide électromagnétique d’électrons (1140) et le guide électromagnétique de positons (1150) créés par le laser, le canon à électrons (1120) et le métal (1130), canalisent les flux des particules et des antiparticules au sein de la chambre de combustion (1080) pour qu’ils s’annihilent et produisent alors un rayonnement et de la chaleur. Le guide électromagnétique d’électrons (1140) et le guide électromagnétique de positons (1150) font saillie dans l'enceinte interne de la chambre de combustion (1080) du moteur fusée (5000). Le rayonnement permet d’apporter une énergie supplémentaire pendant la combustion d’ergols et d’augmenter la puissance du moteur fusée à antimatière (5000) et par conséquent sa poussée. Lors du fonctionnement du moteur, la combustion s'effectue dans l'enceinte interne de la chambre de combustion (1080). L'enceinte interne de la chambre de combustion débouche sur la tuyère (1090), qui peut être orientable par rapport à la chambre de combustion (1080). Le dispositif de blindage est nécessaire autour de la partie (1000) et de la partie (1100) pour limiter la propagation du rayonnement à l’extérieur de l’invention (5000). Un moteur fusée à antimatière (5000) selon un second mode de réalisation de la présente invention va être décrit en référence à la . Le moteur fusée à antimatière (5000) comporte une première partie (1000). L’arrivée d’ergols (1010, 1020) permet d'alimenter, une vanne de régulation (1030), une canalisation (1040), une turbine (1050), des injecteurs (1060), une grille d’allumage (1070), une chambre de combustion (1080), une tuyère (1090), La vanne de régulation (1030) est disposée dans les canalisations d'arrivée (1010, 1020) en aval du réservoir. La canalisation (1040) permet de faire circuler le fluide pour le préchauffer avant injection dans la chambre de combustion (1080). La turbine (1050) permet de mettre le fluide sous pression avant injection dans la chambre de combustion (1080). L’injecteur (1060) fait saillie dans l'enceinte interne de la chambre de combustion (1080) du moteur. La grille d’allumage (1070) permet l’allumage du moteur, lorsque la combustion est arrêtée. Le moteur fusée à antimatière (5000) comporte une seconde partie (1100) dont l’axe principal est dans l’axe de la première partie (1000). Le laser (1110) génère un champ électromagnétique élevé pour pouvoir dévier des électrons et créer un plasma chaud. Le canon à électrons (1120) génère un jet de gaz d’électrons qui sont accélérés par le laser (1110). Un faisceau d’électrons est produit par interaction entre un faisceau laser (1110) et le jet de gaz du canon à électrons (1120). Le métal (1130) est frappé par les électrons qui ont une vitesse proche de celle de la lumière et donc relativistes et génère alors des paires électrons-positons ainsi qu’un rayonnement gamma et X. Le guide électromagnétique d’électrons (1140) et le guide électromagnétique de positons (1150) créés par le laser, le canon à électrons (1120) et le métal (1130), canalisent les flux des particules et des antiparticules au sein de la chambre de combustion (1080) pour qu’ils s’annihilent et produisent alors un rayonnement et de la chaleur. Le guide électromagnétique d’électrons (1140) et le guide électromagnétique de positons (1150) font saillie dans l'enceinte interne de la chambre de combustion (1080) du moteur (5000). Le rayonnement permet d’apporter une énergie supplémentaire pendant la combustion d’ergols et d’augmenter la puissance du moteur fusée à antimatière (5000) et par conséquent sa poussée. Lors du fonctionnement du moteur, la combustion s'effectue dans l'enceinte interne de la chambre de combustion (1080). L'enceinte interne de la chambre de combustion débouche sur la tuyère (1090), qui peut être orientable par rapport à la chambre de combustion (1080). Le dispositif de blindage est nécessaire autour de la partie (1000) et de la partie (1100) pour limiter la propagation du rayonnement à l’extérieur de l’invention (5000). Il est évident que des modifications peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention présentées dans les revendications. Moteur-fusée à antimatière (5000), comprenant: - une arrivée d’ergols (1010, 1020), - une vanne de régulation (1030), - une canalisation (1040), - une turbine (1050), - un injecteur (1060), - une grille d’allumage (1070), - une chambre de combustion (1080), - une tuyère (1090), - un laser (1110) étant apte à générer un champ électromagnétique élevé afin de dévier des électrons et créer un plasma chaud, - un canon à électrons (1120) étant apte à générer un jet de gaz d’électrons qui seront accélérés par le laser, - un métal (1130) pouvant être frappé par les électrons, - un guide électromagnétique d’électrons (1140) et -un guide électromagnétique de positons (1150), créés par le laser (1110), ces guides étant aptes à canaliser les flux des particules et antiparticules au sein de la chambre de combustion afin qu’ils s’annihilent et produisent un rayonnement qui permet d’apporter une énergie supplémentaire pendant la combustion d’ergols et d’augmenter la puissance du moteur fusée à antimatière et par conséquent la poussée du moteur-fusée à antimatière, et - un dispositif de blindage nécessaire pour limiter la propagation du rayonnement.