Brevet FR3131282A1 — publié le 20230630

L’invention concerne un système de propulsion comportant un moteur comportant une paire de tubes longitudinaux (100) parallèles, chaque tube longitudinal comportant une première extrémité (10) et une seconde extrémité (11), et délimitant un volume interne (12) rempli d’un fluide. Chaque tube longitudinal (100) comprend : un projectile (200), configuré pour se déplacer longitudinalement dans le volume interne, solidaire fixement d’une hélice (201), un mécanisme de lancement du projectile dans le volume interne (12), depuis la première extrémité, l’hélice (201) étant agencée pour transformer un mouvement de translation du projectile (200) en un mouvement de rotation, un dispositif de freinage de la rotation du projectile (200) dans le volume interne (12), disposé au niveau de la seconde extrémité, un dispositif de rappel du projectile (200) vers la première extrémité, un dispositif de dissipation de la chaleur, les hélices des tubes longitudinaux étant contrarotatives. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système de propulsion à impulsion Domaine technique de l’invention L’invention concerne un système de propulsion, et plus spécifiquement un système de propulsion à impulsion. L’invention est notamment destinée à une application dans le domaine spatial, pour équiper un véhicule spatial tel qu’un satellite. La propulsion spatiale, à ce jour, est basée sur le principe de l’action et de la réaction. De manière schématique, elle se traduit, en termes de propulsion, par la conservation de la quantité de mouvement dans un système isolé. Typiquement, si des gaz sont éjectés d’un véhicule spatial avec une certaine quantité de mouvement, une quantité de mouvement de même module et de sens opposé à celle des gaz est transmise audit véhicule spatial. Dans un tel cas, il faut consommer de la matière pour avancer, puisqu’une quantité de mouvement doit être éjectée à l’extérieur du véhicule spatial. L’efficacité d’un système de propulsion se mesure par une grandeur appelée impulsion spécifique, dont l’unité est la seconde. Cependant, cette grandeur ne représente pas tout. En effet, actuellement, pour placer un satellite de télécommunications de six tonnes d’une orbite de transfert géostationnaire (appelée également orbite « GTO », de l’anglo-saxon « geostationary transfert orbit ») en orbite géostationnaire (appelée également orbite « GEO », de l’anglo-saxon « geostationary orbit »), avec une propulsion chimique dont l’impulsion spécifique du moteur est de 320 secondes, huit jours sont nécessaires et trois tonnes de carburant sont embarquées à bord dudit satellite. Avec une propulsion électrique dont l’impulsion spécifique du moteur est de 1500 secondes, huit mois sont nécessaires mais seulement 400 kg de carburant (généralement du xénon) sont embarqués, ramenant la masse du satellite à moins de quatre tonnes. En d’autres termes, les systèmes actuels de propulsion électrique ont une forte impulsion spécifique, mais une faible poussée, ce qui se traduit par des temps de missions très importants et des coûts de lancement plus faibles, car la masse du carburant, pour une mission donnée, est beaucoup plus faible que pour les systèmes de propulsion chimique. Par ailleurs, une fois qu’un satellite, quel qu’il soit, est à poste, son orbite décrit un plan. Un changement de plan n’est actuellement pas envisageable du fait d’une trop grande consommation de carburant. D’autre part, un satellite en orbite polaire, donc à défilement, a globalement une durée de vie de cinq ans, durée de vie correspondant au temps qu’il faut pour consommer le carburant embarqué. Enfin, les débris spatiaux devenant plus nombreux, le nombre de manœuvres d’évitement augmente et en conséquence, la durée de vie des satellites en orbite basse diminue potentiellement. Présentation de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités. A cet effet, il est proposé par la présente invention un système de propulsion comportant un moteur comportant une paire de tubes longitudinaux parallèles, chaque tube longitudinal comportant une première extrémité et une seconde extrémité, et délimitant un volume interne rempli d’un fluide. Chaque tube longitudinal comprend : un projectile, configuré pour se déplacer longitudinalement dans le volume interne, et solidaire fixement d’une hélice, un mécanisme de lancement du projectile dans le volume interne, depuis la première extrémité dudit tube longitudinal, l’hélice étant agencée pour transformer un mouvement de translation du projectile en un mouvement de rotation, un dispositif de freinage de la rotation du projectile dans le volume interne, disposé au niveau de la seconde extrémité du tube longitudinal, un dispositif de rappel du projectile depuis la deuxième extrémité vers la première extrémité du tube longitudinal, un dispositif de dissipation de la chaleur. Ledit mécanisme de lancement du projectile et ledit dispositif de rappel du projectile étant alimentés par au moins une source d’alimentation. Lesdites hélices des deux tubes longitudinaux sont contrarotatives. Ainsi, lorsque les hélices seront en rotation, deux moments cinétiques identiques, mais opposés, seront créés et s’annuleront sensiblement. Un tel système de propulsion est un système de propulsion à poussée par impulsion. A chaque lancement du projectile dans son tube longitudinal par le mécanisme de lancement, le projectile se voit communiquer une quantité de mouvement vers la seconde extrémité du tube longitudinal. Lors de l’impulsion, les tubes longitudinaux, et donc le système de propulsion, se voient communiquer une quantité de mouvement dans le sens opposé, conformément au principe de l’action et de la réaction décrit plus haut. Le système de propulsion selon l’invention permet avantageusement de convertir le mouvement de translation du projectile en partie en mouvement de rotation, grâce à la viscosité du fluide. Une partie du mouvement de rotation sera transformée en chaleur, due à la viscosité du fluide, et une autre partie sera transformée, selon la nature du dispositif de freinage, soit en chaleur, soit en énergie électrique. Ainsi, la partie transformée en rotation n’intervient pas dans l’équilibre de la quantité de mouvement longitudinale totale du système. Le projectile, à un instant donné, a une vitesse de translation non nulle vers la seconde extrémité. Il va donc rencontrer des molécules de fluide et l’hélice va transformer une partie de l’énergie de translation en énergie de rotation du projectile. En fin de course, au niveau de la seconde extrémité du tube longitudinal, le projectile n’a potentiellement plus de vitesse de translation, mais a une vitesse de rotation. Si nous appliquions le principe de conservation de la quantité de mouvement, le moment cinétique devrait être aussi conservé. Or, c’est le fluide contenu dans le volume interne du tube longitudinal, et non le tube longitudinal lui-même, qui met en mouvement l’hélice et le projectile. Nous aurions donc un système avec une conservation de la quantité de mouvement de translation, c'est à dire immobile, mais avec un moment cinétique non nul. Le principe de conservation de la quantité de mouvement dans un système isolé ne s’applique donc pas dans notre cas, car le système n’est pas isolé. De plus, dans chaque tube longitudinal, la chaleur créée pendant la course du projectile dans le volume interne est évacuée au moyen du dispositif de dissipation de chaleur. Le recours à un dispositif de dissipation de la chaleur montre que le système de propulsion ne fonctionne donc pas comme un système isolé. Les tubes longitudinaux (volume, longueur), la masse du projectile et l’impulsion donnée au projectile sont dimensionnés de sorte que, dans chaque tube longitudinal, le déplacement en translation du projectile s’arrête au niveau de la seconde extrémité du tube longitudinal. Le dispositif de rappel du projectile permet avantageusement de ramener le projectile depuis la deuxième extrémité vers la première extrémité du tube longitudinal pour qu’il y soit relancé. Dans des modes particuliers de réalisation, l’invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes. Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, pour éviter un contact entre le projectile et le tube longitudinal, chaque tube longitudinal comporte un dispositif de maintien du projectile dans le volume interne. Dans des formes particulières de réalisation de l’invention, le dispositif de maintien du projectile comporte au moins un bras de liaison s’étendant entre le projectile et le tube longitudinal. Dans des formes particulières de réalisation de l’invention, pour ne pas entraver la rotation du projectile pendant sa course dans le tube longitudinal, le dispositif de maintien et le projectile sont reliés par une liaison pivot. Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, pour diriger le projectile, chaque tube longitudinal comporte un dispositif de guidage en translation du projectile dans le volume interne. Dans des formes particulières de réalisation de l’invention, le dispositif de guidage en translation du projectile coopère avec le dispositif de maintien du projectile. Dans des formes particulières de réalisation de l’invention, une même source d’alimentation est configurée pour alimenter ledit mécanisme de lancement du projectile et ledit dispositif de rappel du projectile d’au moins un tube longitudinal. Dans des formes particulières de réalisation de l’invention, le système de propulsion comporte un dispositif de basculement configuré pour faire pivoter indépendamment chacun des deux tubes longitudinaux autour d’un axe de pivotement respectif parallèle, de préférence de l’ordre de 90°, en sens opposé. Ce dispositif de basculement n’est activé qu’une fois que le projectile a atteint la seconde extrémité du tube longitudinal, pour accélérer le retour du projectile, par le dispositif de rappel du projectile, vers la première extrémité du tube longitudinal. Dans des configurations particulières de réalisation, pour augmenter la poussée du système de propulsion dans une même direction, ledit système de propulsion comporte une pluralité de paires de tubes longitudinaux parallèles, les paires étant disposées parallèlement entre elles. L’invention est également relative à un véhicule, notamment un véhicule spatial, comportant un système de propulsion conforme à au moins l’un de ses modes de réalisation. Un véhicule spatial équipé d’un tel système de propulsion verrait son temps de trajet réduit pour une mise en orbite donnée, par rapport à un véhicule spatial équipé des systèmes de propulsion chimique ou électriques conventionnels, sans consommation de carburant. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures : illustre un système de propulsion comportant un moteur comprenant une paire de tubes longitudinaux, selon un exemple de réalisation de l’invention, illustre une variante de réalisation d’un projectile dans un tube longitudinal. Dans ces figures, pour des raisons de clarté, les dessins ne sont pas à l’échelle, sauf mention contraire. Système de propulsion comportant un moteur comportant une paire de tubes longitudinaux (100) parallèles, chaque tube longitudinal (100) comportant une première extrémité (10) et une seconde extrémité (11), et délimitant un volume interne (12) rempli d’un fluide, chaque tube longitudinal (100) comprenant : un projectile (200), configuré pour se déplacer longitudinalement dans le volume interne (12), et solidaire fixement d’une hélice (201), un mécanisme de lancement du projectile dans le volume interne (12), depuis la première extrémité (10) dudit tube longitudinal (100), l’hélice (201) étant agencée pour transformer un mouvement de translation du projectile (200) en un mouvement de rotation, un dispositif de freinage de la rotation du projectile (200) dans le volume interne (12), disposé au niveau de la seconde extrémité (11) du tube longitudinal (100), un dispositif de rappel du projectile (200) depuis la deuxième extrémité (11) vers la première extrémité (10) du tube longitudinal, un dispositif de dissipation de la chaleur, ledit mécanisme de lancement du projectile (200) et ledit dispositif de rappel du projectile (200) étant alimentés par au moins une source d’alimentation, lesdites hélices (201) des deux tubes longitudinaux (100) étant contrarotatives. Système de propulsion selon la revendication 1 dans lequel chaque tube longitudinal (100) comporte un dispositif de maintien (300) du projectile dans le volume interne (12). Système de propulsion selon la revendication 2 dans lequel le dispositif de maintien (300) du projectile comporte au moins un bras de liaison (301) s’étendant entre le projectile (200) et le tube longitudinal (100). Système de propulsion selon l’une des revendications 2 ou 3 dans lequel le dispositif de maintien (300) et le projectile (200) sont reliés par une liaison pivot. Système de propulsion selon l’une des revendications précédentes dans lequel chaque tube longitudinal (100) comporte un dispositif de guidage en translation (400) du projectile dans le volume interne (12). Système de propulsion selon la revendication 5 et l’une des revendications 2 à 4 dans lequel le dispositif de guidage en translation (400) du projectile (200) coopère avec le dispositif de maintien (300) du projectile. Système de propulsion selon l’une des revendications précédentes dans lequel une même source d’alimentation est configurée pour alimenter ledit mécanisme de lancement du projectile (200) et ledit dispositif de rappel du projectile (200) d’au moins un tube longitudinal (100). Système de propulsion selon l’une des revendications précédentes comportant un dispositif de basculement configuré pour faire pivoter indépendamment chacun des deux tubes longitudinaux (100) autour d’un axe de pivotement respectif parallèle. Système de propulsion selon l’une des revendications précédentes comportant une pluralité de paires de tubes longitudinaux (100) parallèles, les paires étant disposées parallèlement entre elles. Véhicule spatial comportant un système de propulsion selon l’une des revendications précédentes.