DISPOSITIVO DE MOTORIZACIÓN DE LA BOMBA DE UN MOTOR DE COHETE EMPLEANDO UN VOLANTE DE INERCIA.

Dispositivo de motorización de la bomba de un motor de cohete empleando un volante de inercia La presente invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento de motorización de bomba para un motor de cohete empleando un volante de inercia. El alcance técnico al que se refiere la presente invención es el de la propulsión de cohetes con capacidad para ejercer un impulso fuerte, como el que se precisa en una lanzadera espacial. Para dicho tipo de aplicación, existen tres familias de tecnologías, según el estado físico de los ergoles utilizados, la propulsión sólida, en la que el ergol se almacena en una cámara de combustión, la propulsión líquida que puede utilizar uno, dos o más ergoles, en la que se debe transferir los ergoles desde los depósitos a una cámara de combustión y la propulsión híbrida que utiliza un ergol líquido y un ergol sólido, y en el que se debe transferir un ergol líquido a una cámara de combustión en la que se almacena un ergol sólido. La presente invención se refiere más particularmente a los dispositivos de transferencia de los ergoles líquidos a la cámara de combustión y más particularmente la motorización de dicha transferencia. Para poder asegurar un impulso fuerte, los motores de cohete deben funcionar con una presión elevada de algunas decenas de bares, en particular de 30 a 50 bares para los motores de Ariane por ejemplo con un caudal de materia elevado. En el caso de la propulsión líquida, es el sistema de alimentación en ergol el que debe asegurar dicho caudal y dicha presión. Para realizar dicha alimentación bajo presión se utilizan habitualmente dos medios, la aplicación directa de la presión desde los depósitos de ergoles y el bombeo mediante bombas a partir del depósito de baja presión. La primera solución posee el mérito de la simplicidad aunque requiere unos depósitos susceptibles de soportar unas presiones elevadas, lo que induce unos problemas de masa y de seguridad. En la práctica, dicha solución se reserva para unos motores de potencia baja, tales como el motor de control de altitud o las etapas superiores de las lanzaderas por ejemplo, en las que la disposición de un medio de presurización externo resulta menos interesante. La segunda solución requiere la utilización de unas bombas específicas con capacidad para proporcionar el caudal importante que exigen los motores. Dicho caudal, junto con el fuerte aumento de presión demandado conduce a unas bombas de una potencia considerable, de varios centenares de kilovatios a varios megavatios. En las lanzaderas espaciales actuales y pasadas, la motorización de dichas bombas se realiza sistemáticamente mediante unos motores de turbina, que por lo general utilizan los mismos ergoles que el motor principal. Dichas turbinas son accionadas por gases calientes. Por lo general, dichos gases calientes se producen por extracción de una parte de los ergoles del motor de cohete y la combustión de dichas extracciones en una pequeña cámara de combustión específica. Pueden producirse asimismo mediante un generador de gases, frecuentemente un pequeño propulsor de pólvora. Al conjunto turbina/bomba se le denomina turbobomba. La turbobomba es un objeto complejo y frágil ya que debe transmitir unas potencias muy elevadas, de varios megavatios, gracias a unas velocidades de rotación muy elevadas, por ejemplo de 10000 a 30000 vueltas/min, que inducen unas limitaciones mecánicas muy fuertes en los materiales. Por otra parte, la motorización por los gases calientes originados en una combustión provoca unas temperaturas muy elevadas en la turbina y unos gradientes de temperatura muy importantes en los árboles de transmisión entre la turbina y la bomba. Dicho efecto de gradiente térmico se acentúa aún más cuando los ergoles son criogénicos, siendo la temperatura en la bomba de algunas decenas de grados Kelvin, mientras que a algunos centímetros solamente, la temperatura de la turbina motor es de más de 1000 grados Celsius. Finalmente, debido a dichas condiciones de funcionamiento extremas, el arranque de la turbobomba es delicado con un enfriamiento en un lado, un calentamiento en el otro y la puesta en rotación del conjunto suficientemente progresiva para no inducir un gradiente transitorio aún más elevado susceptible de romper la turbobomba. En definitiva, la turbobomba es un objeto muy costoso y con una vida útil corta, utilizado en las lanzaderas clásicas que tienen una duración de funcionamiento corta que se cifra en minutos. 2   En las lanzaderas reutilizables como el vehículo espacial de lanzamiento reutilizable actualmente en servicio, las turbobombas deben cambiarse casi en cada vuelo, lo que resulta muy oneroso en términos de costes de mantenimiento. Una solución propuesta para sustituir una turbobomba se describe en el documento US 6 457 306. Dicho documento describe la sustitución de la turbina de accionamiento de la bomba por un motor eléctrico alimentado por baterías, u otros dispositivos como unos volantes de inercia. Debido a ello, deja de ser necesario un pequeño motor de cohete accionando una turbina, se consume menos cantidad de ergol, no existen unos gradientes de temperatura tan elevados y el conjunto es más fiable, y más adaptado a una lanzadera reutilizable. Además, se puede regular la rotación del motor eléctrico y, por lo tanto, hacer variar los caudales de los ergoles y, por lo tanto, el empuje de un modo más fácil y, asimismo, se puede administrar el arranque de la bomba más fácilmente para evitar unos gradientes transitorios demasiado elevados. Por el contrario, la fuente de energía que alimenta al motor debe poder proporcionar una potencia del orden de megavatios durante la fase de empuje, lo que implica unas limitaciones de masa y de dimensionamiento importantes para dicha fuente de energía y para los medios de alimentación de los motores eléctricos. El conjunto de almacenamiento de energía y motor resulta finalmente muy pesado. El objetivo de la presente invención es proporcionar una motorización para la bomba de ergoles, simple, fiable, de peso reducido, que pueda arrancar en vuelo y que pueda utilizarse, en particular, en los conjuntos de propulsión reutilizables. Para hacerlo, la presente invención propone sustituir el motor de turbina de la bomba o el motor eléctrico por un dispositivo simple, independiente de los ergoles, cuya puesta en marcha y la regulación son claramente independientes del funcionamiento del conjunto de propulsión del vehículo y, para hacerlo, prevé un dispositivo de volante de inercia previamente puesto en rotación para motorizar la bomba. Más particularmente, la presente invención se refiere a un dispositivo de motorización de la bomba de alimentación del motor del cohete del vehículo espacial caracterizado porque comprende un volante de inercia y un medio de transmisión de la rotación del volante de inercia a la bomba, estando el volante acoplado mecánicamente a la bomba. Una de las ventajas principales del volante de inercia es su simplicidad de materialización y el hecho de que almacene directamente una energía mecánica. Preferentemente, los medios de transmisión son un árbol común entre el volante de inercia y la bomba. Ventajosamente, los medios de transmisión comprenden un dispositivo de modificación de la relación de transmisión entre el volante y la bomba. Según una forma de realización particular, el dispositivo comprende un dispositivo de embrague adaptado para acoplar y desacoplar el volante de inercia de la bomba. Según una forma de realización ventajosa, el dispositivo comprende un motor eléctrico de lanzamiento del volante. El motor eléctrico se alimenta o bien desde una fuente de alimentación eléctrica exterior al vehículo, o bien desde una fuente de alimentación eléctrica interior del vehículo, de modo que el motor eléctrico permite conservar en el volante una energía después del despegue del vehículo. Según una forma de realización particular de la presente invención, la bomba y el volante se disponen en el vehículo en una posición que proporciona una estabilización giroscópica por su rotación según por lo menos un eje del vehículo. Según una forma de realización alternativa, el dispositivo comprende por lo menos un par de volantes idénticos que giran en sentido inverso para suprimir los efectos giroscópicos de rotación de los volantes. Ventajosamente, el dispositivo comprende unos medios de medición de la velocidad de rotación del volante y unos medios de desacoplamiento del volante y de la bomba para una velocidad inferior a una velocidad dada inferior a la velocidad de rotación nominal del volante. 3   Según una forma de realización ventajosa, el dispositivo comprende unos medios de regulación de caudal de la bomba que comprenden un dispositivo de toma o extracción de un caudal variable en el flujo que sale... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de motorización de bomba (2) de alimentación de un motor de cohete de un vehículo espacial caracterizado porque comprende un volante de inercia (1) y un medio de transmisión de la rotación del volante de inercia a la bomba, encontrándose el volante acoplado mecánicamente a la bomba. 2. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según la reivindicación 1 caracterizado porque el medio de transmisión es un árbol común (20) entre el volante de inercia y la bomba. 3. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 caracterizado porque el medio de transmisión comprende un dispositivo de embrague (21) adaptado para acoplar y desacoplar el volante de inercia de la bomba. 4. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque el medio de transmisión comprende un dispositivo de modificación de la relación de transmisión entre el volante y la bomba. 5. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende un motor eléctrico (3) de lanzamiento del volante. 6. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según la reivindicación 5 caracterizado porque el motor eléctrico (3) se alimenta desde una fuente de alimentación eléctrica (A1) exterior al vehículo. 7. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6 caracterizado porque el motor eléctrico se alimenta desde una fuente de alimentación eléctrica (A2) interior del vehículo, permitiendo que el motor eléctrico que se mantenga una energía en el volante tras el despegue del vehículo. 8. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la bomba y el volante se disponen en el vehículo en una posición que proporciona una estabilización giroscópica por su rotación según por lo menos un eje del vehículo. 9. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende por lo menos un par de volantes idénticos que giran en sentido inverso para suprimir los efectos giroscópicos de rotación de los volantes. 10. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende unos medios de medición de la velocidad de rotación del volante y unos medios (21) de desacoplamiento del volante (1) y de la bomba (2) para una velocidad inferior a una velocidad dada inferior a la velocidad de rotación nominal del volante. 11. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende unos medios de regulación del caudal de la bomba (2) que comprenden un dispositivo de toma (7) de un caudal variable en el flujo que sale de la bomba y de reenvío de dicho flujo al depósito de reserva (6). 12. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende unos medios de regulación del caudal de la bomba (2) que comprenden una válvula (8) dispuesta corriente abajo de la bomba (2). 13. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según la reivindicación 12 caracterizado porque la válvula (8) es una válvula regulable dispuesta a la salida de la bomba (2) y adaptada para mantener un caudal constante abriéndose progresivamente. 14. Dispositivo de motorización de bomba de alimentación de un motor de cohete según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el volante se dispone en una caja que forma un escudo entre el volante y el depósito de reserva. 15. Dispositivo de alimentación del motor de cohete caracterizado porque comprende por lo menos dos bombas cada una de ellas motorizada mediante un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores. 16. Dispositivo de alimentación del motor de cohete caracterizado porque comprende por lo menos una bomba motorizada mediante un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 y unos depósitos de reserva estructurales bajo presión. 17. Avión espacial que comprende un motor de cohete cuya alimentación comprende por lo menos una bomba motorizada mediante un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 y unos medios (A2, 3, 21) de puesta en funcionamiento del dispositivo, avión en vuelo. 11   12   13   14     16   Altura equivalente de agua (m) Características de una bomba centrífuga de álabes radiales funcionando con agua N = 11500 vueltas/min Ns = 73 Altura Rendimiento Potencia Caudal 17 Rendimiento Potencia (kW)   Comportamiento de la bomba y del volante Parámetros de la bomba 18 Tiempo (seg) Velocidad Presión depósito Diferencial de presión de la bomba Presión en la salida de la bomba Caída de presión Presión de cámara Caudal