FR2687433A1 - Propulseur a composants inverses, a alimentation modulee. - Google Patents

Abstract

Moteur thermique aérobie à cycle inverse du type comportant, de l'amont vers l'aval, une entrée d'air EA, un foyer d'adaptation en température ou première chambre de combustion F1, une turbine principale T, un échangeur cryogénique E alimenté en hydrogène, un compresseur principal C entraîné par la turbine T, et éventuellement un foyer de rechauffe F2 en amont de la tuyère de sortie TS. Ce moteur comporte en outre entre l'entrée d'air EA et ladite première chambre de combustion F1, un module d'adaptation en pression C', Th, réglé de sorte à assurer une pression d'arrêt Pi2 à l'entrée de ladite première chambre de combustion F1 sensiblement constante pour des nombres de Mach très différents. Ce module comprend un compresseur d'adaptation C' et une turbine à hydrogène Th entraînant ce compresseur et alimentée par ledit échangeur cryogénique E. Applications à la propulsion hypersonique.

Description

Propulseur à comPosants inversés, à alimentation modulée.

La présente invention concerne le domaine des moteurs thermiques aérobies pour la propulsion d'avions orbitaux dans leur phase de vol initiale, à savoir pouvant voler jusqu'à Mach 6 et plus. De façon plus précise, la famille des machines thermiques concernée utilisera d'une part des turbomachines (compresseurs et turbines) et d'autre part l'hydrogène, à la fois comme combustible et comme fluide caloporteur.

La présente invention concerne également un nouveau type de turbine à gaz pouvant être embarquée sur de tels avions spatiaux et dont la fonction est de fournir une puissance mécanique permettant d'assurer différentes servitudes (fourniture d'électricité, fourniture d'air comprimé, conditionnement d'air...).

Les principaux concepts de propulsion actuellement connus dans le domaine concerné sont
1) Le turboréacteur à rechauffe
2) La turbofusée simple ou à expander
3) Le moteur à liquéfaction d'air (LACE)
4) Le statoréacteur associé à l'un des systèmes de propulsion précédents ; et
5) L'un des propulseurs définis sous 1, 2 ou 3, muni à l'amont d'un échangeur cryogénique à hydrogène.

Sur les figures 1 à 5 des dessins ci-annexés, on a représenté schématiquement ces différents concepts connus.

Dans le turboréacteur à rechauffe (Rech.) de la figure 1, les nombres d'étages du compresseur C et de la turbine T alimentée par un foyer F sont calculés pour un nombre de Mach de vol Mo donné. Pour un nombre de Mach de vol M plus grand ou plus faible, les performances du turboréacteur adapté à Mo s'éloignent des valeurs optimales.

Ainsi, au décollage le nombre d'étages calculé est trop faible, ce qui limite la vitesse d'éjection des gaz.

Aux grands nombres de Mach, outre les phénomènes de désadap tation déjà mentionnés (nombre d'étages calculé, ici trop grand) le point préoccupant est la valeur élevée de la température d'arrêt atteinte dans le dernier étage de compression et qui pose un problème de tenue des matériaux.

Ainsi, si l'on s'en tient aux caractéristiques thermomécaniques des matériaux disponibles actuellement pour la fabrication des roues de compresseur, la limite d'utilisation des turbomachines est pour l'instant fixée à un nombre de Mach de vol de l'ordre de 3. On peut cependant espérer que d'ici les prochaines décennies les progrès réalisés sur les matériaux permettront de repousser cette limite vers Mach 4.

La turbofusée simple de la figure 2 possède une poussée spécifique convenable, mais le fait d'utiliser un oxydant embarqué pour l'alimentation de la turbine à hydrogène Th limite beaucoup son impulsion spécifique.

La turbo fusée à expander représentée schématiquement à la figure 3 a une meilleure impulsion spécifique que la turbofusée simple mais au prix d'une grande complexité technologique de l'échangeur cryogénique E (alimenté en hydrogène par la pompe P à partir d'hydrogène liquide LH2) placé à l'intérieur de la rechauffe. Préalablement à l'emploi de l'échangeur, il reste à démontrer que le flux froid d'hydrogène peut supprimer tous les points chauds à l'entrée de ce composant. En outre, les pertes de charge aérodynamique, dans l'échangeur, des gaz issus de la turbine principale, limitent le taux de compression du moteur au décollage.

Le moteur à liquéfaction d'air le plus simple (figure 4) a des performances modestes en impulsion spécifique. De plus, l'utilisation de ce moteur au décollage dépend de la possibilité d'éviter le givrage dans l'échangeur d'entrée E destiné à liquéfier l'air.

Le bon fonctionnement de l'échangeur E aux différents nombres de Mach M et en particulier sa capacité à liquéfier l'air de M = O à M = 6 reste à démontrer. Il faut aussi vérifier que l'accroissement du poids du moteur lié à la présence de l'échangeur n'est pas trop important. Il faut enfin s'assurer qu'aux grands nombres de Mach de vol l'échangeur E ne comporte pas de points chauds.

Des solutions plus élaborées faisant intervenir plusieurs échangeurs permettent d'améliorer les performances mais au détriment de la simplicité et du poids du moteur.

Le statoréacteur, moteur léger et résistant, a des performances intéressantes seulement à partir de M = 2-2,5.

I1 ne peut donc être considéré que comme un mode complémentaire à un autre mode de propulsion qui, lui, assure le décollage.

Les systèmes de propulsion par turboréacteur et par turbofusée peuvent être munis (figure 5) d'échangeurs cryogéniques E en amont du compresseur C, de façon à retarder la désadaptation de ce composant aux grands nombres de Mach et afin d'assurer sa protection thermique.

Cette disposition permet d'étendre le domaine de fonctionnement du turboréacteur ou de la turbofusée vers
M = 4 à 5 au prix de difficultés technologiques au niveau du contrôle des points chauds de l'échangeur. D'autre part, la présence de celui-ci accroît les pertes de charge de façon sensible au décollage, ce qui entraîne une réduction de la poussée.

L'alourdissement du moteur lié à la présence de l'échangeur doit être aussi surveillé.

Un premier but de l'invention est par suite de proposer un mode de propulsion aérobie à performances thermopropulsives améliorées. Plus précisément, il s'agit d'accroître la poussée par unité de débit d'air aspiré, de diminuer la consommation spécifique, et ceci pour une large gamme de Mach de vol (O à 6,5). Ceci suppose la mise au point d'un système de propulsion aérobie capable de s'adapter au mieux aux conditions très variables de pression et de température d'alimentation en air.

Il est également important d'obtenir une forte poussée spécifique à la fois par unité de masse et par unité de volume du moteur. On se propose en particulier de définir un moteur haute pression, ce qui doit conduire à une réduction sensible des dimensions de la tuyère d'éjection, et performant, ceci afin de diminuer les dimensions et le poids de l'entrée d'air.

Un second but de l'invention est de proposer une architecture bien adaptée à une tenue mécanique correcte du moteur soumis à des environnements très chauds dès l'entrée d'air. En particulier, la nouvelle famille de moteurs doit pouvoir être réalisée sans nécessiter un progrès technologique important au niveau des matériaux.

L'accroissement des performances et l'atténuation des barrières technologiques majeures doivent apporter une contribution positive à la définition d'avions spatiaux mono et bi-étage aptes à placer des charges sur orbite.

Un concept de propulsion aérobie hypersonique permettant de résoudre partiellement les difficultés rencontrées sur les propulseurs traditionnels a déjà fait l'objet de la demande de brevet français n" 87 07396 du 26 mai 1987 déposée au nom de 1'ORNERA. Il s'agit d'un "moteur à cycle inverse" , c'est-à-dire d'un moteur à composants inversés et muni d'un foyer avant dans une version améliorée.

Les avantages et inconvénients d'un tel moteur vont être exposés ci-dessous avec référence aux figures suivantes 6 à 10 du dessin ci-annexé, dans lequel
- les figures 6 à 8 sont des diagrammes entropie/ enthalpie pour des nombres de Mach égaux respectivement à 0, 3 et 6 ; et
- les figures 9 et 10 représentent schématiquement un moteur à cycle inverse connu, respectivement à monoflux et à double flux, avec effet de trompe, dans lequel le foyer de rechauffe intéresse la totalité des deux flux.

Dans le moteur à cycle inverse monoflux, on trouve, de l'entrée vers la sortie
- une tuyère d'entrée d'air à géométrie variable
EA (0-1)
- un premier foyer F1 (1-2) alimenté par de l'hydrogène gazeux qui est passé, au préalable, dans un échangeur à contre-courant référencé E et alimenté en hydrogène liquide LH2, ce foyer permettant de régler la température T2 à l'entrée de la turbine T
- la turbine précitée T (2-3) qui assure l'entraî- nement du compresseur C
- l'échangeur E (3-4) à contre-courant entre produits de combustion et hydrogène cryogénique
- le compresseur C précité (4-5) ;
- un foyer de rechauffe F2 (5-6) pour le réglage de la température d'arrêt T6 à l'entrée de la tuyère d'éjection ; et
- la tuyère d'éjection précitée TS (6-7), cette tuyère étant également à géométrie variable.

Au décollage (figure 6), une augmentation sensible de l'enthalpie H est obtenue (de 01 à 2) dans le foyer F1.

La chute d'enthalpie (2-3) dans la turbine T permet d'accroître de façon équivalente l'enthalpie (4-5) dans le compresseur C. Le fluide est ensuite refroidi efficacement de 3 à 4 dans l'échangeur E. L'accroissement de l'écart vertical entre deux lignes isobares vers les grands niveaux d'entropie S permet d'expliquer l'accroissement sensible de la pression entre l'alimentation et le second foyer F2.

La combustion dans le foyer de rechauffe F2 porte les gaz à très haute température. La détente de ceux-ci dans la tuyère d éj d'éjection TS, jusqu'à la pression ambiante, permet alors de libérer la puissance propulsive.

Aux nombres de Mach de l'ordre de 3 (figure 7), la compression dynamique de l'entrée d'air EA vient s'ajouter à celle du cycle inverse de base. Par ailleurs, l'accroissement d'enthalpie H dans le foyer F1 est plus modéré.

Enfin, aux grands nombres de Mach, de l'ordre de 6 (figure 8), la compression due à l'entrée d'air EA devient prépondérante, et il n'est plus nécessaire alors d'allumer le premier foyer F1.

Dans le mode de réalisation à double flux de la figure 10, le schéma général du moteur susdécrit est le même, avec deux entrées d'air schématisées en EA1 et EA2, et un mélangeur des deux flux référencé en M.

Ceci étant, on a constaté, sur le plan des avantages, que le moteur à composants inversés, qui contrairement au turbo-statoréacteur n'est pas un combiné, doit avoir un fonctionnement sans problème entre M = O et M = 6 avec une simplification d'ordre technologique, donc une fiabilité accrue, et une plus grande souplesse de fonctionnement.

La poussée du moteur à cycle inverse au décollage est efficace tout en ménageant la turbine et les foyers, d'où une longévité augmentée. Cette poussée obtenue en "mode riche" (r = 2,4 - la richesse 1 correspondant à une combustion stoechiométrique entre l'air et l'hydrogène est supérieure de 25% à celle du turboréacteur avec rechauffe et au moins égale à celle du turboréacteur à rechauffe refroidi en tête par un échangeur. A partir de Mach 2,5 - 3, les performances du moteur à cycle inverse dans le cas d'une richesse voisine de l'unité sont très comparables à celles du statoréacteur. Le moteur à cycle inverse est bien protégé thermiquement grâce à sa turbine T placée en tête, qui agit comme un bouclier thermique aux grands nombres de Mach.En particulier à M = 6, et contrairement au cas du turboréacteur refroidi, les matériaux constitutifs de l'échangeur E et du compresseur C sont portés à des températures raisonnables respectivement voisines de 940-K pour l'échangeur et 288 K pour le compresseur. D'autre part, et contrairement au cas du turboréacteur classique, la pression maximale atteinte dans le moteur à cycle inverse est disponible, pour la poussée, dans la tuyère de sortie. La désadaptation des parties tournantes avec le nombre de Mach de vol est plus faible que dans le cas du turboréacteur. En particulier, si la température du premier foyer F1 est maintenue constante, il n'y a aucune désadaptation en température des parties tournantes.

Dans un moteur à cycle inverse amélioré, à foyer F1 disposé entre l'entrée d'air EA et la turbine T, on peut augmenter la température d'entrée de la turbine et éliminer ainsi les problèmes de givrage au décollage. D'autre part, on a constaté qu'il était possible de définir un échangeur
E dont le diamètre maximal soit égal à celui de la section d'échappement de la turbine, mais il subsiste néanmoins des problèmes de dimensionnement et de désadaptation en débit réduit au niveau de la turbine.

Le but de la présente invention est de résoudre ces problèmes en réalisant d'une part l'adaptation en débit réduit (débit masse rapporté à des conditions standard de pression et de température d'arrêt) de la turbine, du compresseur et de l'échangeur, et d'autre part la réduction du maître couple du moteur.

Il s'avère que le moteur doit être dimensionné pour les conditions de décollage, car c'est pour celles-ci que les sections de la turbine et de l'échangeur sont les plus grandes. L'introduction d'un foyer F1 en amont de la turbine
T a déjà permis de réaliser l'adaptation en température du système propulsif mais ne permet pas de résoudre le problème d'adaptation en pression ; en effet, à l'entrée de la turbine T la pression peut varier dans un rapport 10 au cours d'un vol (1 bar à M = 0 jusqu a 10 bars à M = 6).

Pour s'adapter en outre, du point de vue des pressions, à des conditions de Mach de vol très variables, un moteur à cycle inverse conforme à l'invention se caractérise essentiellement par la présence d'un module d'adaptation en pression disposé en amont du premier foyer d'adaptation en température (F1), et permettant de régler le problème d'encombrement transversal du moteur et d'assurer un fonctionnement à régime constant.

L'invention porte donc sur un moteur thermique aérobie à réaction pour propulsion hypersonique, du type mettant en oeuvre au moins deux sources de chaleur à températures différentes, à savoir au moins une source chaude ou à température intermédiaire et une source froide, ladite source chaude ou à température intermédiaire étant constituée par l'air atmosphérique, ladite source froide étant constituée par un échangeur de chaleur refroidisseur (E) alimenté en hydrogène liquide (LH2), le susdit moteur thermique comportant au moins une turbine principale (T) disposée en amont dudit échangeur, lui-même disposé en amont d'un compresseur principal (C) entraîné par ladite turbine principale (T), l'énergie cinétique des gaz d'éjection produisant la poussée nécessaire à la propulsion hypersonique, ce moteur comportant au moins une première chambre de combustion ou foyer d'adaptation en température (F1) disposée en aval d'une entrée d'air (EA) et alimentant ladite turbine principale (T), caractérisé en ce qu'il comporte en outre, entre ladite entrée d'air (EA) et ladite première chambre de combustion (F1), un module d'adaptation en pression (C', Th), ledit module étant réglé de sorte à assurer une pression d'arrêt (Pi2) à l'entrée de ladite première chambre (F1) sensiblement constante pour des nombres de Mach très différents.

Avantageusement, ce module d'adaptation en pression comprend, en aval de l'entrée d'air (EA), un compresseur d'adaptation (C') entraîné par une turbine annexe à hydrogène (Th) alimentée par l'échangeur cryogénique (E).

Un moteur comportant ces dispositions générales de l'invention est représenté schématiquement à titre d'exemple à la figure 11 du dessin ci-annexé ; dans cette figure, on retrouve les références indiquées dans ce qui précède pour désigner les mêmes parties du moteur, F2 désignant en outre une seconde chambre de combustion située en amont de la tuyère de sortie TS, et P une pompe à hydrogène liquide (LH2), alimentant sous forte pression l'échangeur cryogénique E.

Au décollage, l'entrée d'air EA ne remplit aucune fonction de compression, et c'est par conséquent le compresseur d'adaptation C' qui assure seul l'accroissement de la pression d'arrêt à l'entrée de la première chambre F1. Mais, au fur et à mesure que le nombre de Mach va augmenter, la participation de l'entrée d'air EA à l'accroissement de pression sera de plus en plus importante, d'où l'idée complémentaire de réguler le taux de compression it du compresseur d'adaptation C' de la valeur z0 au décollage à W = 1 à grand nombre de Mach de vol.

On pourra avantageusement, pour commander cette régulation, et obtenir une pression sensiblement constante à l'entrée du premier foyer F1, mettre en oeuvre une loi de commande optimisée du type suivant Pi2 # constante =

<tb> W <SEP> v <SEP> (1 <SEP> + <SEP> i- <SEP> M2) <SEP> \I- <SEP> 1
<tb> <SEP> L <SEP> 2 <SEP> O <SEP> P,(,,=,P, <SEP> .,,,,
<tb> relation dans laquelle t > est le rendement de l'entrée d'air, PO(z) est la pression atmosphérique en fonction de l'altitude, Piat=ospheriçe est la pression atmosphérique au sol, X est l'exposant isentropique et Mo est le nombre de
Mach de vol.

L'allure de la loi d'évolution du rapport de compression R du compresseur d'adaptation C' en fonction du nombre de Mach est donnée à titre indicatif à la figure 12 du dessin ci-annexé.

La régulation du rapport de compression ir du compresseur d'adaptation C' se fera avantageusement par action sur la puissance fournie sur l'arbre correspondant et donc sur la charge fournie par la turbine annexe Th, laquelle pourra être constituée par une turbine à hydrogène.

La charge (définie comme la chute, en pour cent, de la pression d'arrêt) sur la turbine à hydrogène (d Th/The) sera avantageusement réglée par un col sonique (Cr) ajustable placé en aval de celle-ci. Il sera ainsi possible de maintenir le débit masse entrant dans le moteur sensiblement constant, et d'adapter en débit réduit la turbine principale
T et le compresseur arrière, c' est-à-dire le compresseur principal C.

La partie du moteur située entre le distributeur de la turbine principale T et le col de la tuyère d'éjection
TS fonctionne donc sensiblement à vitesse et conditions d'alimentation constantes (débit masse, pression et température), ce qui a pour effet d'éviter la désadaptation des divers composants entre eux. Ce module permet également d'obtenir au décollage un taux de compression moteur très important et donc une poussée spécifique efficace.

Enfin, la section de l'échangeur s'avérait gênante, puisque située dans la partie basse pression du moteur (0,3 bar environ au décollage). Le fait d'interposer un module d'adaptation en pression maintenant à tout instant une pression élevée d'environ 2 à 3 bars permet de régler les problèmes de maître couple.

Différents modes de réalisation d'un moteur conforme à l'invention vont maintenant être explicités à titre d'exemples nullement limitatifs, avec référence aux autres figures du dessin ci-annexé dans lequel
- les figures 13 et 14 représentent schématiquement un moteur conforme à l'invention, respectivement à simple flux et à double flux ;
- la figure 13' est une vue de détail montrant un exemple de col de réglage pour l'injection de l'hydrogène dans les foyers ;
- les figures 15a à 15c représentent schématiquement un moteur à double flux du type précédent, mais équipé en outre de volets mobiles, ces volets ayant différentes positions pour différentes valeurs de Mach ;;
- la figure 16 représente encore schématiquement un moteur à double flux et module d'adaptation conforme à l'invention, ce module d'adaptation étant à double corps
- la figure 16a est une vue en coupe cylindrique selon la ligne A-A de la figure 16, au niveau du premier distributeur de la turbine principale et la figure 16b selon la ligne B-B, au niveau d'un redresseur du compresseur principal
- la figure 17 représente schématiquement un turbomoteur conforme à l'invention, comportant une turbine libre en sortie
- la figure 18 représente un moteur à double flux et à volets du type de celui des figures 15a à 15c, comportant en outre une vanne de dérivation du circuit d'hydrogène en amont de la turbine annexe ;;
- la figure 19 représente schématiquement un moteur à module d'adaptation conforme à l'invention, à double corps et arbres concentriques pour ce qui concerne la turbine et le compresseur
- la figure 20 représente schématiquement une variante de réalisation du moteur conforme à l'invention, comportant deux échangeurs de chaleur disposés en série et alimentés en hydrogène ; et
- la figure 21 représente schématiquement une variante de réalisation du moteur comportant deux échangeurs alimentés respectivement en hélium et en hydrogène.

Les éléments du circuit principal du moteur de la figure 13 ont été schématisés en tenant compte des valeurs des sections obtenues à l'entrée et à la sortie de chacun d'entre eux dans les conditions du décollage (M = O). Ce moteur comprend, en dehors de l'entrée d'air EA et de la tuyère d'éjection TS, deux modules montés en série sur le circuit des gaz principaux.

Placé à l'amont, le premier module, dit module d'adaptation, référencé en M1, comprend un arbre sur lequel sont montées plusieurs roues de compresseur axial d'adaptation C', de façon à comprimer, aux faibles nombres de Mach de vol, l'air aspiré en EA par le moteur. Le compresseur C' est entraîné par une turbine axiale à hydrogène Th dont les pales sont portées par des disques fixés sur l'arbre du compresseur. La puissance disponible sur l'arbre de la turbine Th est fournie par la détente de l'hydrogène chaud sous pression issu de l'échangeur E situé dans le second module M2, l'échangeur étant pour ce faire relié d'une part à l'entrée de la turbine Th par une tubulure de sortie 1 et d'autre part à la pompe à hydrogène P par une tubulure d'entrée 2.

Le module M2 est un moteur à cycle inverse simple ; une faible partie de la puissance fournie par la turbine principale T sert à l'entraînement de la pompe à hydrogène
P. Il est à noter que sur les différentes figures, les mêmes références numériques ou littérales ont été utilisées pour désigner respectivement les mêmes éléments du moteur ; ainsi la liaison mécanique entre le compresseur d'adaptation C' et la turbine à hydrogène Th a été représentée par le trait mixte 3, tandis que le trait mixte 4 désigne la liaison mécanique entre la turbine principale T d'une part, le compresseur principal C et la pompe à hydrogène P d'autre part.

Dans le circuit des gaz principaux, l'air, après être passé dans l'entrée d'air EA, est comprimé par le compresseur d'adaptation C' puis est brûlé très partiellement dans le premier foyer F1 d'adaptation en température.

Les gaz principaux sont ensuite détendus dans la turbine principale T, refroidis dans l'échangeur E puis comprimés à nouveau dans le compresseur principal C. Enfin, les gaz réagissent avec l'hydrogène chaud dans le foyer de rechauffe
F2 avant d'être accélérés dans la tuyère convergentedivergente TS.

L'hydrogène est stocké dans le réservoir LH2 à une pression de 1 à 3 bars et à une température de 15 à 20 K (liquide cryogénique). I1 est mis sous pression (100 à 150 bars) à l'aide de la pompe P, puis réchauffé dans l'échangeur E avant d'être détendu dans la turbine Th. Une partie de l'hydrogène est injectée dans le foyer F1 par la tubulure 5, tandis que le complément est dirigé vers le foyer F2 par la tubulure 6.

Un tel moteur comporte comme moyens de réglage une entrée d'air EA et une tuyère de sortie TS à géométrie variable pour adapter le moteur aux conditions extérieures de pression et de Mach de vol, ainsi que des cols soniques réglables Cr et Cs de façon à contrôler la répartition des débits-masses d'hydrogène injecté dans les deux foyers F1 et
F2 respectivement, et le taux de détente dans la turbine à hydrogène Th, et par suite le régime de rotation et le rapport de pression du module d'adaptation M1. Le détail d'un col de réglage Cr (ou Cs) a été représenté à titre d'exemple à la figure 13'.L'hydrogène arrivant en H2 et devant être injecté dans le flux q des gaz principaux, on voit que l'on peut réaliser le col réglable avec deux volets
W articulés sur la tubulure d'hydrogène, et dont les extrémités coulissent dans la double paroi p de la tubulure principale.

Le mode de réalisation à double flux de la figure 14, avec flux primaire q 1 inchangé, peut être utilisé avantageusement dans le cas où les objectifs de la mission privilégient l'impulsion spécifique.

Le flux secondaire ou externe q 2 traverse alors une première roue de compresseur Fa ou "fan" entraînée par la turbine à hydrogène Th, un troisième foyer F3 et une tuyère secondaire TS', A désignant un accroche-flammes à la sortie du foyer F3. Au décollage, la richesse en hydrogène au niveau de l'échangeur (r = 2,4), permet un fonctionnement optimal de celui-ci et donc un accroissement de pression important au niveau de l'ensemble thermodynamique fondamental (T, E, C). Cependant, pour améliorer très sensiblement l'impulsion spécifique (Is passera par exemple de 3000 à 8000s), on peut faire brûler l'hydrogène en excès dans le foyer F3 afin d'obtenir l'impulsion spécifique maximale.Aux grands nombres de Mach, le "fan" Fa est arrêté et la partie secondaire du moteur correspondant au flux secondaire q 2 fonctionne en statoréacteur.

Avantageusement on prévoit, comme moyen de réglage du débit-masse d'hydrogène injecté dans les foyers F1, F2 et
F3, une vanne V située en amont de la turbine Th (figures 15 à 21).

Dans le mode de réalisation des figures 15a à 15c, un volet V1 est disposé dans l'entrée d'air, de sorte, soit à être inactif (figure 15a), soit à obturer le trajet du flux primaire y 1 (figures 15b, 15c). Des volets V2 et V3 sont disposés de sorte, soit à obturer le canal X extérieur au "fan" Fa (figure 15a), soit à obturer le trajet de la partie du flux secondaire y 2 pouvant traverser ce "fan" (figures 15b et 15c). Un volet V4 est disposé de sorte, soit à être inactif (figures 15a et 15c), soit à obturer la sortie de la première chambre de combustion F1 et à permettre à une partie du flux secondaire ? 2 d'alimenter la turbine (figure 15b).

Aux faibles nombres de Mach (O à 4 ou 4,5) le moteur a ses volets dans la position de la figure 15a et fonctionne comme décrit précédemment avec référence à la figure 14. Aux nombres de Mach intermédiaires (M compris entre 4 et 6,5) l'arbre avant 3 est arrêté, le foyer avant F1 est éteint et ce module d'adaptation est isolé thermiquement grâce à la fermeture des volets V1, V2, V3, V4. Le canal extérieur X est alimenté et fonctionne alors en statoréacteur tandis que le canal interne fonctionne en moteur à cycle inverse simple (figure 15b, avec V4 abaissé).

Pour un fonctionnement à un nombre de Mach supérieur à 7, seul le canal extérieur X est alimenté et fonctionne alors en statoréacteur à combustion supersonique (utilisation de la géométrie variable, figure 15c).

Dans le moteur à module d'adaptation à double corps de la figure 16, on utilise un corps haute vitesse constitué de la turbine à hydrogène basse pression Th2 et du compresseur haute pression C'2. Le corps haute pression comprend alors la turbine haute pression Thl, le compresseur d'adaptation C'1 et le "fan" accouplé à C'1. Le "fan" et C'1 peuvent comporter les mêmes aubes. Celles-ci sont alors munies de talons intermédiaires pour séparer les flux yl et cl 2.

L'hydrogène issu de l'échangeur E traverse par deux fois le circuit principal : d'une part lors de l'alimentation de la turbine Thl-Th2, et d'autre part lors de l'alimentation du foyer de rechauffe F2. Les tuyauteries, et notamment les tubulures 6, 1 et 2, peuvent être responsables de pertes de charge non négligeables. Aussi il est proposé de ménager pour l'hydrogène des conduits 6', 1' traversant les aubes 7 du premier distributeur D de la turbine principale T (figure 16a). De la même façon, il peut être avantageux, préalablement à l'alimentation de l'échangeur E, de faire passer l'hydrogène à travers les aubes 8 d'un redresseur du compresseur principal C (figure 16b).

Ces dispositions, outre qu'elles permettent une réduction des pertes de charge, ont l'avantage de conduire à un fonctionnement thermodynamique globalement favorable, et elles assurent un refroidissement efficace du distributeur D de la turbine principale par convection interne.

I1 est à noter aussi que des prélèvements d'air frais ou à température modérée peuvent être effectués sur le compresseur C afin de refroidir les premières roues de turbine T (notamment refroidissement par film d'air protecteur).

Enfin, la pompe P peut être entraînée par une petite turbine à gaz fonctionnant à l'hydrogène et qui est indépendante du propulseur principal, configuration qui peut s' avérer avantageuse au niveau de la régulation de la vitesse.

Le turbomoteur de la figure 17 concerne une turbine à gaz qui a la même architecture que le moteur de la figure 13, excepté que la tuyère de sortie TS a été remplacée par une turbine libre TL, sur l'arbre Pmu de laquelle on recueille la puissance utile pour les servitudes (démarrages, alternateurs, conditionnement d'air, entraînement des pompes...)
Le réglage de la vitesse de rotation s'effectue comme sur les propulseurs principaux, et une telle disposition permet de récupérer sur l'arbre une puissance mécanique constante, quels que soient l'altitude et le Mach de vol.

Avantageusement, l'hydrogène brûlé dans l'ensemble des deux foyers F1 et F2 correspondra à un mélange stoechiométrique, alors que la richesse au niveau de l'échangeur E sera de l'ordre de 2,4 pour assurer un fonctionnement optimal. Ainsi, on sera amené à disposer en aval de la turbine à hydrogène Th d'un conduit de dérivation 9 vers les moteurs principaux, disposition qui permettra donc d'économiser l'énergie.

La turbine libre TL peut être constituée par des turbines contrarotatives entraînant des hélices contrarotatives. On obtient alors un turbopropulseur à hydrogène. Afin de minimiser la consommation d'hydrogène, on injecte dans les foyers F1 et F2 uniquement la quantité stoechiométrique d'hydrogène. L'excédent est alors injecté par la conduite précitée 9 dans un turbopropulseur conventionnel. On peut donc coupler avantageusement des turbopropulseurs dérivés du moteur conforme à l'invention et des turbopropulseurs conventionnels de façon à obtenir la consommation spécifique minimale. Cette idée est aussi valable pour le turboréacteur à double flux, ce qui permettrait un couplage avantageux d'un turboréacteur double-flux conforme à l'invention et d'un double-flux conventionnel, de façon à obtenir la consommation spécifique minimale.

Dans une variante de l'invention (figure 20) applicable, par exemple, aux formes de réalisation du moteur à double corps montré sur la figure 19, le système de refroidissement des gaz principaux et de réchauffage de l'hydro- gène comprend deux échangeurs E2, El disposés en série dans le circuit d'alimentation de l'hydrogène. Ainsi les gaz principaux sont d'abord refroidis au moyen de l'échangeur El disposé entre la turbine T2 et le compresseur C1 puis, avec l'échangeur E2 disposé entre les compresseurs C1 et C2.

Cette disposition à deux échangeurs en série réduit les risques de givrage rencontrés avec un système à un seul échangeur. Dans une autre variante de réalisation de l'invention représentée schématiquement sur la figure 21, un gaz neutre, par exemple de l'hélium, est utilisé comme fluide caloporteur pour réaliser un découplage entre les gaz principaux et l'hydrogène. L'hélium circule alors dans un circuit fermé comprenant une pompe P' et un échangeur E' disposé entre la turbine T et le compresseur C. Cet hélium est lui-même refroidi dans un échangeur E" au moyen de l'hydrogène cryogénique.

On va maintenant rappeler quels sont les avantages de l'invention, ainsi que les résultats comparatifs avec d'autres moteurs.

Pour ce qui concerne le moteur à module d'adaptation monoflux, la poussée par unité de débit d'air aspiré est supérieure à celle des autres moteurs aérobies sur toute la gamme de nombres de Mach de vol comprise entre 0 et 6,5.

Cette caractéristique est très favorable lorsqu'elle s'applique aux avions spatiaux, pour lesquels la capacité à accélérer est un paramètre fondamental.

Dans sa version monoflux, le moteur à module d'adaptation a une impulsion spécifique très convenable.

Celle-ci peut être largement accrue et dépasser celle du turboréacteur classique aux faibles nombres de Mach, à condition d'utiliser un moteur à module d'adaptation doubleflux.

La régulation de la vitesse de rotation, donc du rapport de pression, du module d'adaptation en fonction du nombre de Mach de vol, d'une part, et celle de la température du foyer avant F1, d'autre part, conduisent à fixer un régime de fonctionnement unique pour l'ensemble turbine principale T, échangeur E, compresseur principal ou arrière
C. Ainsi, le rendement des composants est toujours optimal, et cette unicité de fonctionnement entraîne une fiabilité accrue du moteur. Enfin, on évite les chocs thermiques au niveau de l'échangeur.

Un moteur à module d'adaptation conforme à l'invention peut être réalisé avec les technologies actuelles.

L'échangeur E n'est pas soumis à des températures trop importantes, puisque les gaz principaux y entrent à
T = 1200 K et que l'hydrogène, qui impose pratiquement sa température au matériau constitutif de l'échangeur, sort pratiquement à T = 940-K.

Le problème le plus délicat au niveau des matériaux est celui de la tenue des pales du dernier rotor du compresseur d'adaptation C' aux grands nombres de Mach de vol, du fait des hautes températures d'arrêt atteintes. Néanmoins, la résolution du problème est facilitée du fait que pour ce régime de fonctionnement le rotor est immobile. Enfin, la version à canal de dérivation X et à volets permet de s'affranchir de ce problème de tenue en température.

On notera par ailleurs que la version mono flux a été conçue pour obtenir un moteur haute pression et à poussée spécifique élevée. Ces caractéristiques permettent de diminuer les dimensions et donc le poids à la fois de l'entrée d'air EA et de la tuyère d'éjection TS.

En turbomoteur, le moteur conforme à l'invention permet l'obtention d'une puissance mécanique utile indépendante de l'altitude, un niveau de consommation spécifique très faible et une puissance spécifique élevée.

Parmi les caractéristiques plus particulièrement originales, il y a lieu de mentionner
a) le couplage en série avec recouvrement, pour ce qui concerne le flux principal, d'un module de type turbofusée sans son générateur de gaz, et d'un module de type moteur à composants inverses conformes à la demande de brevet ONERA rappelée au début, ces deux modules possédant en commun le foyer amont F1 du moteur à cycle inverse.En outre, la turbine à hydrogène Th du module de turbofusée est ici alimentée par l'hydrogène chaud issu de l'échangeur cryogénique du moteur à cycle inverse (ou par l'hélium chaud, figure 21) ;
b) le réglage du régime de rotation et du rapport de pression du module d'adaptation, de la température d'arrêt dans le foyer F1 de façon à obtenir, quels que soient le nombre de Mach de vol et l'altitude, des conditions d'arrêt en température et pression constantes à l'entrée de la turbine du moteur à cycle inverse.

Ces moyens de réglage sont des cols soniques ajustables Cr, Cs au niveau de l'injection dans les foyers
Fl et F2, et une vanne de dérivation du circuit d'hydrogène
V (figures 15 à 21) située juste en amont de la turbine à hydrogène Th. L'hydrogène issu de cette vanne V est dirigé en partie vers la turbine Th et en partie vers le foyer F2 (et vers le foyer F3 dans le cas du double-flux).

Pour toutes les formes de réalisation décrites, on pourrait remplacer avantageusement l'ensemble monocorps turbine principale T-compresseur arrière C par un ensemble à double corps comprenant deux lignes d'arbres concentriques 4 et 4' (figure 19) avec deux turbines T1, T2 et deux compresseurs C1, C2, la turbine haute pression T1 entraînant le compresseur haute pression C2, et la turbine basse pression T2 entraînant le compresseur basse pression C1.

Cette disposition augmente le rendement de ces turbomachines et diminue leur nombre d'étages. Dans ces conditions, la vitesse de rotation de l'arbre 4 est supérieure à celle de l'arbre 4'.

Enfin on peut signaler que le moteur selon l'invention peut être utilisé à l'aval d'un piège à couche limite d'entrée d'air hypersonique d'avion spatial.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Moteur thermique aérobie à réaction pour propulsion hypersonique, du type mettant en oeuvre au moins deux sources de chaleur à températures différentes, à savoir au moins une source chaude ou à température intermédiaire et une source froide, ladite source chaude ou à température intermédiaire étant constituée par l'air atmosphérique, ladite source froide étant constituée par un échangeur de chaleur refroidisseur (E) alimenté en hydrogène liquide (LH2), le susdit moteur thermique comportant au moins une turbine principale (T) disposée en amont dudit échangeur, lui-même disposé en amont d'un compresseur principal (C) entraîné par ladite turbine principale (T), l'énergie cinétique des gaz d'éjection produisant la poussée nécessaire à la propulsion hypersonique, ce moteur comportant au moins une première chambre de combustion ou foyer d'adaptation en température (F1) disposée en aval d'une entrée d'air (EA) et alimentant ladite turbine principale (T), caractérisé en ce qu'il comporte en outre, entre ladite entrée d'air (EA) et ladite première chambre de combustion (Fl), un module d'adaptation en pression (C', Th), ledit module étant réglé de sorte à assurer une pression d'arrêt (Pi2) à l'entrée de ladite première chambre de combustion (F1) sensiblement constante pour des nombres de Mach très différents.

2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit module d'adaptation en pression comprend un compresseur d'adaptation (C') disposé en aval de ladite entrée d'air (EA), ce compresseur d'adaptation étant entraîné par une turbine annexe à hydrogène (Th) alimentée par ledit échangeur cryogénique (E).

3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier col sonique ajustable (Cr) disposé en aval de ladite turbine annexe (Th), pour l'injection d'hydrogène dans ladite première chambre de combustion (F1), ledit col permettant d'effectuer le réglage de la charge fournie par ladite turbine, et donc de la puissance fournie sur l'arbre, permettant ainsi la régulation du rapport de compression (W) dudit compresseur d'adaptation (C').

4. Moteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un second col (Cs) de réglage d'injection d'hydrogène dans une seconde chambre de combustion ou foyer de rechauffe (F2) disposée en amont d'une tuyère de sortie (Ts), ce col (Cs) étant alimenté par ladite turbine annexe (Th).

5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, à double flux, caractérisé en ce qu'il comporte dans le flux extérieur ou secondaire (y 2) un "fan" (Fa) entraîné par ladite turbine annexe (Th), et un troisième foyer (F3) alimenté en hydrogène par cette dernière et auquel fait suite une tuyère de sortie secondaire (TS').

6. Moteur à double flux selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un trajet de veine d'écoulement (X) extérieure audit "fan" (Fa), et un système de volets mobiles (V2, V3) propres à diriger le flux secondaire (Cf 2) soit à travers ledit "fan" (Fa), soit dans la veine extérieure (X).

7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un volet mobile (V1) propre soit à diriger le flux primaire (yl) sur ledit compresseur d'adaptation (C'), soit à obturer l'entrée dudit compresseur.

8. Moteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un volet mobile (V4) propre à obturer la sortie de la première chambre de combustion (F1) et à assurer l'alimentation en air de la turbine principale (T).

9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, pour le passage de l'hydrogène de la turbine annexe (Th) audit foyer de rechauffe (F2), des conduits (6') et pour le passage de l'hydrogène de l'échangeur (E) à la turbine annexe (Th) des conduits (1'), lesdits conduits (1') et (6') traversant les aubes (7) du distributeur (D) de ladite turbine principale (T).

10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour l'hydrogène alimentant ledit échangeur (E) sont prévus des passages à travers les aubes (8) d'un redresseur du compresseur principal (C).

11. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en sortie une turbine libre (TL) par exemple à turbines contrarotatives, sur l'arbore de laquelle on peut recueillir la puissance nécessaire au fonctionnement des servitudes.

12. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un module principal (T, E, C) à double corps, à savoir comprenant, de l'amont vers l'aval, une turbine haute pression (T1), une turbine basse pression (T2), un échangeur cryogénique (E), un compresseur basse pression (C1) entraîné par la turbine basse pression (T2), et un compresseur haute pression (C2) entraîné par la turbine haute pression (T1), les arbres d'accouplement (4, 4') de turbine à compresseur respectif étant coaxiaux.

13. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un module d'adaptation (C', Th) à double corps (Thl, Th2-C'1, C'2).

14. Moteur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend deux échangeurs de chaleur (E2, El) alimentés en série en hydrogène liquide et disposés respectivement entre les compresseurs (Cl et C2) et entre la turbine basse pression (T2) et le compresseur basse pression (C1).

15. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne de dérivation (V) disposée juste en amont de la turbine à hydrogène (Th) pour le réglage du débit-masse d'hydrogène injecté dans les foyers (F1, F2, F3).