La présente invention relève du domaine des dispositifs de propulsion anaérobies, typiquement utilisés dans la propulsion de satellites ou de fusées.

Elle concerne plus particulièrement un dispositif de propulsion hybride, dans lequel le carburant est stocké sous forme solide, tandis que le comburant (oxydant) est stocké sous forme liquide.

Préambule et art antérieur

La propulsion dite « hybride », c'est-à-dire combinant un carburant solide et un comburant liquide, est connue depuis plus de cinquante ans. Elle fut développée principalement pour la propulsion de moteur fusée, puisqu'elle n'utilise pas l'air ambiant pour fournir un oxydant. Sa principale caractéristique est une forte poussée y compris en phase anaérobie, grâce à l'utilisation d'un comburant liquide.

Dans la plupart des cas, le moteur 1 1 est constitué d'une chambre hermétique 12 dans laquelle est stocké par exemple un pain de poudre 13 (voir figure 1 ). Dans le pain de poudre 13 sont réalisés un ou plusieurs canaux 14 (faisant partie du volume de la chambre de combustion) dans lesquels est injecté un comburant, ici par un injecteur 15 situé en partie supérieure de la chambre de combustion. Le comburant liquide est injecté dans les canaux 14 à une température élevée (typiquement > 800 K) sous l'effet d'un allumeur pyrotechnique et/ou d'une décomposition catalytique. Sous l'effet de la température le pain de poudre 13 se vaporise au niveau des parois des canaux 14 et entre en réaction (combustion) avec le comburant. La détente des gaz ainsi générés (au travers d'une tuyère 16) crée une force de poussée.

Une fois la combustion initiée, le système est entretenu avec l'injection de comburant à température ambiante (typiquement 300 K), et la vaporisation du carburant solide/poudre.

Au cours de la combustion, le pain de poudre 13 se consomme et la taille des canaux 14 augmente. On nomme ce type fonctionnement, « combustion radiale », du fait de l'augmentation radiale de la taille des canaux.

Un tel moteur hybride est, par exemple, décrit dans le document brevet US 5.101 .623 de Rockwell (1992).

Ce type de moteur présente l'inconvénient d'une augmentation progressive de la taille des canaux 14 au cours du temps, donc du volume de la chambre de combustion, et en conséquence d'une variation significative de la poussée du moteur au cours du temps.

Ce type de moteur est également peu adapté pour des volumes de pain de poudre/solide importants car il nécessite, pour limiter la variation de volume de la chambre de combustion durant la combustion, d'utiliser un canal (et un pain de poudre/solide) de grande longueur (en comparaison avec son diamètre). Ce type de contrainte, qui amène à des moteurs longs et fins, est peu compatible d'un aménagement sur un satellite. Exposé de l'invention

L'invention vise à cet effet sous un premier aspect un dispositif de propulsion comportant un dispositif de ségrégation disposé entre un réservoir de granules de carburant solide, et une chambre de combustion, le dispositif de ségrégation étant adapté à empêcher le passage de granules de carburant sous forme solide entre le réservoir et la chambre de combustion, mais comportant des orifices permettant le passage de carburant, une fois celui-ci rendu pâteux, liquide ou vaporisé.

Les granules dont il est question sont de forme sensiblement convexe, par exemple sphérique (pour faciliter des mouvements de glissement d'une granule sur l'autre et donc l'écoulement d'un volume de granules dans un réservoir) ou polyédrique, les granules étant de diamètres compris dans une gamme de dimensions prédéterminée (typiquement quelques millimètres).

De la sorte, le carburant peut être stocké dans le réservoir, le comburant étant injecté dans la chambre de combustion, laquelle est portée à une température suffisante pour assurer la fusion du carburant présent dans le réservoir au voisinage immédiat du dispositif de ségrégation, puis son passage en phase liquide au travers du dispositif de ségrégation, enfin sa vaporisation sous l'effet de la température. Le carburant ainsi vaporisé entre en contact avec le comburant et une réaction chimique exothermique se produit entre eux, entretenant la combustion dans la chambre de combustion aussi longtemps que du comburant est injecté ou que du carburant est présent dans le réservoir au voisinage immédiat du dispositif de ségrégation.

II est clair que ce dispositif, associé au choix d'un carburant présenté sous forme de solides divisés en granules, permet de maintenir en permanence du carburant au voisinage du dispositif de ségrégation, ce qui résout les problèmes de l'art antérieur d'un volume toujours croissant de la zone de combustion durant celle-ci. De même, ce dispositif assure un maintien de la symétrie de la zone de combustion, contrairement à l'art antérieur.

Avantageusement, le dispositif de ségrégation comporte une structure trouée dont la dimension des trous est inférieure à une dimension préalablement choisie en fonction du diamètre moyen des granules de carburant solide. Cette disposition est favorable à un mode de réalisation simple. La structure trouée peut être notamment une grille de dimension de maille choisie en fonction du diamètre moyen des granules.

Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de ségrégation comporte une structure en matériau poreux, à porosité ouverte, et mouillable par le carburant, lorsque celui-ci est localement liquéfié sous l'action de la chaleur. Par porosité ouverte, on entend qu'un liquide mouillant la structure poreuse peut la traverser. Cette disposition est favorable à une meilleure isolation des granules situés dans le réservoir de granules, ce qui permet d'éviter que des granules éloignés de la surface du dispositif de ségrégation viennent à fondre ou à s'agréger.

Dans un mode particulier de réalisation, la chambre de combustion est de forme sensiblement cylindrique, le dispositif de ségrégation constituant au moins une partie de la surface latérale de ladite chambre de combustion. De cette manière, on obtient un fonctionnement équivalent à celui des propulseurs hybrides de l'art antérieur, mais sans l'inconvénient d'un volume de chambre de combustion croissant au cours de la combustion du carburant solide.

Dans un autre mode de réalisation, éventuellement utilisé en conjonction, le dispositif de ségrégation constitue au moins une partie de la surface supérieure de ladite chambre de combustion, c'est-à-dire la surface opposée à l'orifice d'éjection des gaz de combustion. De cette manière, il est possible d'alimenter par la face supérieure la chambre de combustion, en y ménageant par exemple des injecteurs de comburant sur la surface latérale. Dans un mode de réalisation particulier, le réservoir de granules de carburant comporte un moyen d'application d'une pression sur les granules adaptée à les pousser vers le dispositif de ségrégation. Les moyens d'application d'une pression peuvent être constitués d'une membrane déformable (élastomère par exemple) disposée en surface du volume de granules ou d'un piston appliqué sur ce volume. Alternativement, la pression appliquée sur les granules de solide peut être de nature hydrostatique, sous le simple effet de la poussée et de l'accélération subie par le propulseur. L'application d'une pression supérieure à la pression régnant dans la chambre de combustion lors de ladite combustion est nécessaire pour maintenir des granules de carburant plaqués contre le dispositif de ségrégation.

Selon divers mode de réalisation, éventuellement utilisés en conjonction lorsque cela est techniquement possible,

- le dispositif de propulsion est de forme sensiblement à symétrie de révolution autour d'un axe dit vertical, et le réservoir de carburant est disposé autour de la chambre de combustion, à l'extrémité de celle-ci opposée à la tuyère d'éjection. Cette disposition permet de stocker le carburant solide à proximité immédiate de la chambre de combustion, ce qui contribue à la simplicité du dispositif. Alternativement, le réservoir de carburant peut être distant de la chambre de combustion, et le dispositif peut comporter un tuyau d'amenée de granules de carburant solide dans une chambre intermédiaire de stockage de carburant solide, ladite chambre intermédiaire de stockage étant disposée autour ou au dessus de la chambre de combustion.

- le réservoir de carburant comporte une membrane en élastomère adaptée à séparer au sein du réservoir une espace de stockage de granules et un espace de pressurisation, ledit espace de pressurisation comportant des orifices de pressurisation reliés à au moins un système d'injection de gaz. L'utilisation d'une membrane en élastomère permet une mise en œuvre simple du dispositif, et permet une adaptation des moyens de pressurisation à des volumes non cylindriques.

- le réservoir de carburant comporte un ensemble de séparateurs radiaux, perpendiculaires à la surface du dispositif de ségrégation, ces séparateurs présentant une géométrie à gradient capillaire favorisant l'alimentation de la grille par la pate ou le liquide.

Grâce à cette disposition, le dispositif de propulsion peut être rallumé en vol, même lorsqu'une partie des granules de carburant solide ont fusionné en un seul bloc au voisinage du dispositif de ségrégation, après extinction du propulseur. En effet, les séparateurs radiaux déterminent des blocs de granules conformés chacun en arc de cercle (préférentiellement de quelques dizaines de degrés au maximum), et permettent le réchauffement local des bords latéraux blocs de granules, et leur glissement, sous l'effet de la pressurisation, vers le dispositif de ségrégation, ce qui permet la remise en marche du propulseur après un arrêt. L'espace crée par la disposition orthoradiale des raidisseurs permet d'autre part de favoriser la migration par effet capillaire de la phase liquéfiée du carburant vers le dispositif à trous (ou matériau poreux). L'invention vise sous un second aspect un propulseur anaérobie du type hybride, ledit propulseur comportant un dispositif de propulsion tel qu'exposé, un volume de carburant solide et un volume de comburant liquide, caractérisé en ce que le carburant solide se présente sous forme de solides divisés en granules (typiquement grains, poudre ou billes).

On entend ici par propulseur un dispositif de propulsion complété par son carburant et son comburant.

Dans un mode de réalisation particulier, le carburant comprend des billes de polyéthylène ou de polybutadiène Dans un autre mode de réalisation, le carburant comprend des billes de paraffine. Ces billes présentent avantageusement un diamètre de un à cinq millimètres.

L'invention vise également un satellite comprenant un dispositif ou un propulseur tels qu'exposés. Présentation des figures

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l'invention au travers d'un exemple non limitatif d'application.

La description s'appuie sur les figures annexées qui représentent :

Figure 1 (déjà citée) : une représentation schématique d'un moteur hybride à chambre de combustion radiale, selon l'état de l'art,

Figure 2 : une représentation schématique d'un moteur hybride avec dispositif d'expulsion de solide,

Figure 3 : une représentation schématique d'un moteur hybride avec dispositif d'expulsion de solide, en début et en fin de combustion,

Figure 4 : une représentation schématique d'un moteur hybride avec dispositif d'expulsion de solide, et des éléments d'alimentation en comburant, Figure 5 : une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention, au niveau de la chambre de combustion.

Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention

La présente invention, concerne un propulseur fusée « hybride » à combustion radiale. Le propulseur 20 tel que décrit ici à titre nullement limitatif est à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal X.

Comme on le voit sur les figures 2 et 4, le propulseur 20 comporte en premier lieu un réservoir 27 de granules de carburant, en second lieu un réservoir de comburant (non illustré sur les figures), enfin une chambre de combustion 21 .

Contrairement à l'état de l'art, dans lequel le carburant est stocké à l'intérieur même de la chambre de combustion, typiquement sous forme d'un pain de poudre doté d'un canal central évidé, le carburant solide est ici configuré sous forme de solide divisé (poudre, billes, grains), de faible dimension (typiquement quelque millimètres), et est stocké au dehors de ladite chambre de combustion 21 au sein d'un réservoir dédié.

Comme énoncé plus haut, on entend ici par solides divisés un solide séparé en granules 23 de forme sensiblement convexe, par exemple sphérique ou polyédrique, les granules étant de diamètres compris dans une gamme de dimensions prédéterminées, de l'ordre de un à quelques millimètres de diamètre, sans que ces valeurs aient un caractère limitatif. Le matériau des granules est par exemple du polyéthylène, ou de la paraffine, ou tout autre carburant solide compatible avec une configuration sous forme de billes.

Dans le présent exemple de mise en œuvre, tel qu'illustré figure 4, le réservoir de carburant 27 se présente sous forme d'un cylindre plus large que long, dont l'extrémité supérieure 28 (en haut sur les figures) est lenticulaire ou hémisphérique (ou toute autre forme), et dont l'extrémité inférieure 29, à proximité de la chambre de combustion 21 , est sensiblement tronconique, formant un entonnoir vers la partie supérieure de la chambre de combustion 21 .

La nature des matériaux composant le réservoir sort en tant que telle du cadre de l'invention. Le dimensionnement dudit réservoir de granules de carburant 27, donné ici à titre d'exemple non limitatif, est suffisant pour accommoder quelques centaines de kilos de carburant sous forme de granules.

Dans le présent exemple de réalisation, le réservoir 27 de carburant comporte une membrane déformable 30 (également visible sur les figures 3a et 3b), disposée entre la surface supérieure 28 du réservoir 27 et les granules de carburant. Cette membrane déformable 30 est ici solidarisée au pourtour latéral du réservoir de carburant 27 au niveau de la jointure 31 entre la partie tronconique et la partie cylindrique dudit réservoir 27. La membrane déformable 30 forme ainsi une délimitation hermétique du réservoir de carburant 27 en deux parties, permettant de ce fait la pressurisation du volume contenant les granules de carburant. Dans l'exemple illustré ici, la partie supérieure du réservoir de carburant 27 est pressurisée avec du gaz, par exemple de l'hélium.

La membrane déformable 30 est suffisamment souple pour pouvoir épouser presque complètement la surface inférieure du réservoir 27, lorsque cette partie est vidée de ses granules de carburant. Dans le présent exemple, cette membrane est réalisée en élastomère, mais tout autre matériau déformable et chimiquement inerte vis à vis du carburant, peut être considérée. Le niveau de pressurisation considéré est supérieur ou au moins égal à la pression régnant dans la chambre de combustion, lorsque le propulseur est en régime établi. Dans des variantes de réalisation, la pressurisation du volume contenant les granules de carburant est réalisée par pression mécanique par l'utilisation d'un piston. Elle peut également se faire sous l'effet d'une pression hydrostatique (pression exercée par la poussée du moteur lors de l'accélération de son support).

En ce qui concerne le réservoir de comburant, celui-ci est de type et de dimensions connus en soi. Il stocke un comburant tel que H2O2, ou tout autre comburant compatible avec le carburant choisi. La chambre de combustion 21 , disposée ici, mais non limitativement, directement sous le réservoir 27 de granules de carburant, se présente sous la forme d'un canal sensiblement cylindrique, ledit canal étant limité en sa périphérie haute, sur un segment du cylindre délimitant la chambre de combustion 21 , par une grille ou une surface en matériau poreux désignée dans la suite de la description par "dispositif de ségrégation de carburant" 22.

Ce dispositif de ségrégation de carburant 22 sépare le réservoir de granules de carburant 27 de la chambre de combustion 21 . Son but est également de permettre, sur sa face tournée vers la chambre de combustion 21 , la mise au contact du comburant injectée dans ladite chambre de combustion avec du carburant passé sous forme liquide ou gazeuse.

Dans une variante de réalisation, le dispositif de ségrégation de carburant 22 est disposé en partie supérieure de la chambre de combustion, et présente donc une forme de disque. Des combinaisons de ces deux modes de réalisation, ou d'autres modes de réalisation sont également envisageables, tant qu'une partie de la surface de la chambre de combustion 21 est constituée d'un tel dispositif de ségrégation de carburant 22. La chambre de combustion 21 se prolonge en partie basse (selon l'axe longitudinal X) par une chambre de post combustion 24, de type connu en soi, puis par un col 25 et une tuyère 26, également connus en soi.

Les lois de dimensionnement de la chambre de combustion 21 , hors zone du dispositif de ségrégation de carburant 22, de même que les matériaux la constituant, sont connus de l'homme du métier, et sortent du cadre de la présente invention. Cette chambre de combustion 21 n'est donc pas détaillée plus avant ici. Le dispositif de ségrégation de carburant 22 comporte, dans le présent exemple non limitatif de réalisation, une pluralité de trous de petites dimensions qui permettent le passage de liquide ou de gaz, et notamment le passage de carburant et donc l'alimentation en carburant de la chambre de combustion, lorsque le carburant se liquéfie ou se vaporise sous l'effet d'une température élevée. Une telle température est observée à la surface du dispositif de ségrégation de carburant 22 lorsque le comburant est initialement injecté à haute température dans la chambre de combustion 21 , ou lorsque la combustion est installée de façon stable.

Les trous du dispositif de ségrégation de carburant 22 sont suffisamment petits pour bloquer l'écoulement du carburant lorsqu'il est sous forme solide, c'est à dire sous forme de granules. Dans le présent exemple non limitatif, les granules présentent un diamètre de deux à trois millimètres, avec un diamètre de pore maximum de un millimètre environ. Ces dimensions dépendent éventuellement du matériau constituant le carburant solide.

Le nombre de trous du dispositif de ségrégation de carburant 22 est suffisant pour assurer une débit de carburant liquide compatible avec les objectifs de volume de carburant consommé par seconde, et donc de poussée du propulseur 20.

Le dispositif de ségrégation 22 comporte, en sa partie externe, c'est à dire au sein du réservoir de carburant 27, une série de séparateurs 51 (voir figure 5), ici répartis angulairement de façon régulière autour de la surface du dispositif de ségrégation 22. Ces séparateurs 51 sont des éléments plans, disposés verticalement (c'est à dire selon l'axe longitudinal X) et sensiblement selon la normale locale à la surface du dispositif de ségrégation. Ces séparateurs 51 ont pour fonction de découper la zone du réservoir 27 proche de la surface du dispositif de ségrégation 22 en secteurs angulaires de quelques dizaines de degrés d'arc au maximum. L'arrangement de ces séparateurs 51 en secteurs géométriques favorise l'alimentation capillaire du dispositif de ségrégation par du carburant en phase pâteuse. Leur longueur radiale L (perpendiculairement à l'axe longitudinal), est choisie supérieure à l'épaisseur de la zone du réservoir 27 dans laquelle les granules passent en phase pâteuse lors de leur réchauffement.

Mode de fonctionnement

De la même façon que selon l'état de l'art, le comburant est initialement injecté à haute température (grâce à un allumage pyrotechnique et/ou à une décomposition catalytique) afin de vaporiser les grains de carburant en contact avec le dispositif de ségrégation de carburant. Ceux-ci sous l'effet de la chaleur se transforment successivement en phase pâteuse, liquide et vapeur. Une fois la combustion amorcée celle-ci est entretenue par l'injection de comburant à température ambiante et par l'alimentation du dispositif de ségrégation de carburant par des grains de carburants.

Le carburant conformé sous forme de granules permet donc une alimentation continue du dispositif de ségrégation de carburant 22. Comme on le voit sur les figures 3a et 3b, la membrane en élastomère 30 du réservoir de carburant 27 se déforme progressivement, au cours de la consommation du carburant par la combustion. Elle vient finalement épouser la surface de la partie basse du réservoir 27, ou au moins s'en approcher, de manière à chasser les granules vers le dispositif de ségrégation le plus longtemps possible, et éviter l'apparition d'un volume de granules inutilisé lors de la combustion.

Dès l'injection de comburant stoppée, la combustion s'arrête, la phase pâteuse du carburant se solidifie dans le dispositif de ségrégation de carburant 22. Une partie des granules de carburant solide ont fusionné en blocs séparés par les séparateurs 51 , au voisinage du dispositif de ségrégation 22, après extinction du propulseur

Il est possible de ré-allumer le moteur et injectant de nouveau un comburant chaud et ainsi ré-initier le cycle décrit précédemment. En effet, les séparateur radiaux 50 déterminent des blocs de granules conformés chacun en arc de cercle (préférentiellement de quelques dizaines de degrés au maximum). Ces séparateurs 50 permettent le réchauffement local des bords latéraux des blocs de granules formés lors du refroidissement desdits granules, ainsi que leur glissement, sous l'effet de la pressurisation, vers le dispositif de ségrégation 22, ce qui permet la remise en marche du propulseur après un arrêt.

Avantages

L'utilisation de carburant sous forme de grains (billes) permet avantageusement de disposer celui-ci dans des géométries très compactes, comme un cylindre de grand diamètre et de faible hauteur ou encore dans un réservoir sphérique. L'alimentation en grains pouvant être assurée par un système de pressurisation par membrane ou par piston.

L'utilisation du dispositif de ségrégation de carburant permet avantageusement de maintenir le volume de la chambre de combustion constant au cours de la combustion. Il permet aussi de favoriser une combustion homogène avec la multiplication de sites de vaporisation (les trous du dispositif de ségrégation de carburant) et le développement d'une couche limite.