Thermoréacteur - Troisième Génération

Après cette première « victoire », il convenait de tirer tous les enseignements possibles de ces expérimentations. Sans trop détailler nous reprendrons l’analyse suivante :

Sur l'allumage thermique
  • Comparé à l’allumage électrique qui comprend dans sa chaîne complète une bougie + bobine + carte de commande + connectique + batterie, et donc en termes de masse, une contrainte très pénalisante attendue que tout aéronef à base de Thermoréacteur utilisera un nombre certain de ces propulseurs. Par conséquent, ce système d’allumage deviendra très vite rédhibitoire !

De plus, le nombre important d’éléments qui compose cette chaîne réduit d’autant la fiabilité et donc augmente d’autant plus la maintenance de cette seule brique.

  • Il devient donc des plus urgent de remplacer ce mode électrique par un mode beaucoup plus autonome, et beaucoup moins exigent en terme de prétentions énergétiques. La solution retenue est donc l’allumage thermique, étant entendu que bon nombre de technologies dites d’allumage thermique occupent la scène technologique. à commencer par l’injection de gaz, ici l’air, très chaud produit par un process connexe au système piston-cylindre principal : 

Il est aussi utile de noter le système d’allumage thermique (torch ignition) utilisé dans le wave rotor, technologie directement concurrent de celle du Thermoréacteur, mais dont le mécanisme n’est pas du tout révélé dans les présentations diverses et variées qui courent sur Internet.

  • Le système d’allumage thermique qui sera utilisé dans le Thermoréacteur est composé d’un réservoir thermique chargé des gaz brûlés générés par la combustion du cycle N-1, et donc des gaz à pression et température de haute valeur. Puis, après injection de la charge fraîche dans la chambre de combustion au cycle N, la technologie liée à la géométrie de la valve d’injection (ou de remplissage) et au réservoir thermique, libère ces gaz sous haute pression et haute température dont la trajectoire consistera à allumer les gaz frais dans une partie telle que le niveau élevé de la température reste quasi conservé afin d’initier la combustion dans les meilleures conditions.
  • Ces conditions feront que la durée de la combustion associée à son initialisation sera des plus performante, et diminuera d’autan la durée précisément de cette combustion. Étant entendu par ailleurs que durant toute la phase de combustion aucune poussée ne sera à comptabiliser, et donc ce sera comme si le thermoréacteur durant cette phase de la combustion fonctionnera en « apnée »

    Ci-dessous les conclusions d’un des plus grands motoristes de la planète : Rolls Royce :

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Bien entendu, Rolls Royce n’explicitait pas sa technologie d’allumage thermique au-delà de ce schéma de principe. Par ailleurs, nous n’avons aucune description relative à l’entrainement du « barillet » constitué des chambres de combustion…

Cycle Thermodynamique TR3G
 

Lors de l’injection, il est envisagé d’introduire un « matelas » d’air pur qui s’interposera alors entre les gaz brûlés et les gaz frais, ce qui présente plusieurs avantages comme réduire les pertes de carburant en cas de retard trop important à la fermeture de l’échappement, mais aussi réduire l’introduction dans les gaz frais d’une quantité trop importante d’EGR.

Sur ce concept non encore expérimenté, il conviendra donc de :

  1. Déterminer la température d’inflammation, et toutes les propriétés liées aux carburants utilisés (kérosène, essence, diesel, gaz, biocarburant…), et pour ceux dont ces propriétés sont déjà connues expérimentalement, comme par exemple la température d’initiation de combustion ; pour le cycle Diesel, il semblerait que 900 K soient nécessaires pour une durée de combustion optimale. Avec cet exemple, nous pourrions donc accepter 300°C de plus soit, 1200 K de sorte à augmenter les vitesses de combustion, tout en limitant la température admissible dans le réservoir thermique. Ceci dans une préoccupation de compatibilité thermique avec la charge fraîche et la tenue du réservoir.
  2. Déterminer le volume minimum du réservoir thermique compatible avec cette initialisation de l’allumage.
  3. Déterminer la géométrie dudit réservoir de tel sorte à ce que les écoulement de gaz frais et brûlés ne consomment qu’une perte réduite à sa valeur la plus faible, voire même favorise la vitesse combustion (front de flamme),
  4. Déterminer la meilleure position de ce réservoir qui peut aussi être réparti le plus efficacement possible dans la chambre de combustion,
  5. Analyser la possibilité d’utiliser un matériau différent (céramique, acier spécial…) ou pas de la chambre de combustion pour ce réservoir thermique.

Du bi Valves au monovalve

Sur le bi Valves : Un point qui est apparu lors du design thermo-mécanique, mais qui a été négligé compte tenu des faibles temps de fonctionnement de ce prototype, est l’entre-axe qui sépare les 2 valves d’injection et d’éjection. En effet, les roulements qui supportent les axes de rotation de chacune des valves, compte tenu donc des faibles temps de fonctionnement, n’imposaient pas une tenue dans le temps des plus contraignante. De fait, leur diamètre qui est un paramètre très important sur leur durée de vie, n’intervenait pas de façon impérative. Mais pour un fonctionnement de plusieurs minutes, et même, en opération, de plusieurs heures, il semblerait que toute la durée de vie du Thermoréacteur dans son ensemble soit liée aux roulements. Et qu’ils soient en céramique ou matériaux spéciaux. Leur masse, là aussi, devient un paramètre déterminant compte tenu de leur nombre dans une application aéronautique. Donc : diamètre des roulements à prendre en considération.

Une des géométries possible :

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3 – Sur la Rotation Assistée : Les valves étaient entraînées par un moteur électrique via une courroie telle qu’elle apparaît sur l’illustration ci-contre. Il fallait donc une énergie externe (le moteur électrique et son alimentation). De plus, à l’usage, il s’est avéré que la courroie, par simple dilatation inévitable, faisaient que les valves se désynchronisaient imperceptiblement, et partant, se décalaient dans le temps. Pour plusieurs raisons, il était urgent de palier à cet inconvénient.

Rotation assistée
 
Autant avec le TR1G, il était nécessaire d’intégrer des moteurs électriques pour entraîner les valves, autant avec le TR2G, l’énergie pour assurer la rotation du mono valve sera prélevée directement sur les gaz brûlé qui, lors de leur éjection, et grâce à la géométrie des valves d’échappement, entraîneront lesdites valves, et avec le maximum d’efficacité.

Les premières simulations montrent bien cette faisabilité.

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Lorsqu’il est question de géométrie globale autour de la valve d’éjection, cela comprend aussi le principe de tuyère aérospike. Cette dernière sera définie en première approximation par ACG Aviation.

  1. Chacune des valves d’admission/échappement présenteront un conduit central qui, lorsque les dimensions desdites valves seront compatibles, une hélice d’entraînement d’air ou de liquide de refroidissement. Le « bouclier thermique » placé en amont et dans la chambre de combustion sera défini de telle sorte à présenter aussi une masse minimum susceptible d’être refroidi par air ou par liquide.
  2. L’arbre de rotation de la valve d’échappement ou d’admission (car moins chaude) accueillera une génératrice/motrice dont la fonction première sera de réguler la vitesse de rotation des valves aussi constante que possible.
  3. Les matériaux utilisés seront réputés tenir en température sans refroidissement (dans un premier temps), et de préférence avec une densité la plus faible possible (céramique, titane ?). le mode de réalisation sera aussi pris en compte (coût, facilité d’usinage…)

Chambre de combustion
  1. Son mode de fabrication sera à considérer en premier lieu (fabrication additive, moulage…),
  2. Ses dimensions et sa forme globale pour l’expérimentation TR2G seront définie, dans un premier temps, par ACG Aviation,
  3. Le type de matériau devra faciliter la circulation turbulente au plus près des parois (surface non lisse), et de sorte à ce que la distance de coincement soit la plus faible possible afin de réduire, voire, d’annuler les imbrûlés,
  4. Le principe du réducteur acoustique qui sera alimenté par une injection d’eau, outre que la vapeur ainsi produite activera ledit réducteur acoustique, participera fortement au refroidissement nécessaire ou pas de la chambre de combustion. Voir schéma ci-après. Cette fonction sera activée uniquement durant les phases de décollage/atterrissage, soit pendant 3 minutes maximum. Ensuite, en phase de croisière, le mode de propulsion sera uniquement assuré par des Pneumo-Réacteurs optimisant ainsi l’effet Chilowsky.
  5. Possibilité de mener une étude mécanique sur la variation en volume de la chambre de combustion sera envisagée…

Enfin, il sera aussi envisagé d’introduire des ailettes internes à la chambre de combustion pour, d’une part participer au refroidissement de ladite chambre, mais aussi d’offrir une plus grande surface de vaporisation des gaz frais, et participer fortement à maintenir une turbulence bénéfique à la vitesse de combustion. Nous nous souvenons qu’en mode pulsé, en termes de propulsion, plus rien ne se passe durant la combustion !

Réducteur acoustique

Sur le Réducteur Acoustique : Enfin, et non des moindre, l’acoustique liée à la combustion pulsée !

Comme représentés sur cette illustration, les gaz brûlés sont éjecté à très haute vitesse, et lorsque l’on sait que la puissance acoustique et directement proportionnelle à cette vitesse d’éjection Véjection mais à la puissance 8, soit Véj8, il y a tout lieu de réduire cette vitesse pour réduire alors fortement la puissance acoustique… 

Thermoréacteur 3e Génération

mono Valve tri Pulses

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