CH678648A5 - - Google Patents

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CH678648A5
CH678648A5 CH1479/89A CH147989A CH678648A5 CH 678648 A5 CH678648 A5 CH 678648A5 CH 1479/89 A CH1479/89 A CH 1479/89A CH 147989 A CH147989 A CH 147989A CH 678648 A5 CH678648 A5 CH 678648A5
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CH
Switzerland
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propellant
block
combustion
peripheral channels
orifices
Prior art date
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CH1479/89A
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Inventor
Raymond Coleno
Serge Naibo
Jacques Raynaud
Jean Darmois
Original Assignee
Poudres & Explosifs Ste Nale
Aerospatiale
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    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
    • F02K7/105—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines using a solid fuel
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02K9/08—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/08—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants
    • F02K9/28—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants having two or more propellant charges with the propulsion gases exhausting through a common nozzle

Description

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Description
L'invention concerne un propulseur d'accélération par exemple pour un engin auto-propulsé tel qu'un missile ou une roquette comprenant un bloc de propergol solidarisé latéralement au corps du propulseur au moyen d'un inhibiteur de combustion et comportant un canal axial. Cette invention se rapporte également à un statoréacteur avec étage d'accélération intégré, dans lequel ledit étage d'accélération est constitué par un propulseur selon l'invention.
L'utilisation de propulseur sans tuyère à canai unique est connue notamment pour l'accélération des statoréacteurs à accélérateur intégrés tels que ceux décrits dans le brevet US 3 535 881. Il s'agit de propulseurs ayant un allongement inférieur à 6. On entend par allongement d'un cylindre le rapport L/D de sa longueur à son diamètre.
Les vitesses de combustion des blocs de proper-gols composites sont trops faibles pour qu'une section sonique s'établisse dans un canal d'allongement inférieur à 6. L'allongement du canal étant lié à l'allongement du bloc, il est alors difficile d'utiliser des blocs de propergol ayant un allongement inférieur à 6. Or, pour certaines applications, des contraintes d'encombrement empêchent d'utiliser des blocs d'allongement supérieur à 6. Par exemple, la chambre de combustion d'un statoréacteur à kérosène de 350 mm de diamètre ne nécessite qu'une longueur de 800 mm. Son allongement est donc de l'ordre de 2,3 seulement Mas par ailleurs elle offre un volume suffisant pour y loger le propergol nécessaire pour accélérer l'engin ainsi motorisé jusqu'à la vitesse, dite de transition, à laquelle le statoréacteur doit prendre le relais de l'accélérateur. Il est donc hors de question de l'allonger.
Dans l'état actuel de la technique on n'y intégrera pas un accélérateur sans tuyère mais un accélérateur classique muni d'une tuyère éjectable logée dans la tuyère du statoréacteur car de section beaucoup plus faible que celle-ci pour des raisons de pressions de fonctionnement, et targuée lors de l'extinction de l'accélérateur ce qui peut présenter un danger notamment lorsque l'engin est tiré d'avion.
Le propulseur d'accélération selon l'invention comprenant un bloc de propergol solidarisé latéralement au corps du propulseur au moyen d'un inhibiteur de combustion et comportant un canal axial est caractérisé en ce que d'une part le bloc de propergol présente un allongement compris entre 2,5 et 6, ce bloc comportant au moins 6 canaux périphériques identiques et en ce que d'autre part la face amont du bloc de propergol comporte une armature solidarisée au corps du propulseur, cette armature ménageant un espace libre entre la face amont du bloc de propergol et le fond du corps du propulseur, le canal axial et les canaux périphériques débouchant dans cet espace libre par des orifices ménagés dans l'armature et se terminant à l'extrémité opposée (extrémité aval) par une partie divergente.
Le propulseur d'accélération selon l'invention fonctionne sans tuyère bien que muni d'un bloc de propergol d'allongement compris entre 2,5 et 6.
Chacun des canaux pris individuellement présente un allongement suffisant pour que la vitesse des gaz atteigne la vitesse du son dans une section proche de l'extrémité aval du canal et possède, en aval de cette section, une partie divergente permettant de détendre les gaz avec un rendement acceptable. Ces canaux débouchent dans la face arrière du bloc de façon telle que la résultante des vecteurs poussée soit portée par l'axe de l'engin qu'il s'agit d'accélérer.
Par le fait que tous les canaux débouchent dans l'espace libre ménagé en amont du bloc, cet espace joue le rôle d'une chambre d'équilibrage des pressions, et l'évolution de la pression en fonction du temps dans chaque canal est telle qu'il y a sensiblement égalité des pressions à chaque instant. De préférence et afin de minimiser les résiduels de combustion, les canaux périphériques sont disposés sur un ou deux cercles concentriques et sont respectivement au nombre de 6 ou 12. Selon un aspect préférentiel de l'invention le bloc comporte sept canaux, 1 canal axial et 6 canaux périphériques.
Selon un autre aspect préférentiel, les 6 canaux périphériques sont parallèles au canal axial.
De plus les canaux périphériques d'un tel chargement sont à une distance de la surface externe du bloc de propergol correspondant à la moitié de l'épaisseur qui sépare les canaux entre eux.
Le canal central peut avoir une section circulaire ou hexagonale.
Les canaux périphériques situés sur te ou les cercles concentriques, peuvent avoir une section adaptée d'une part à la nature du propergot utilisé afin de limiter les interactions entre les différents canaux au moment de la combustion et d'autre part à l'importance potentielle des résiduels de combustion. Ces canaux pourront donc avoir comme section droite soit: un cercle, un hexagone régulier, un pentagone ou un trapèze sachant que la grande base du trapèze peut être curviligne ou bien droite. Avantageusement, les canaux périphériques présentent une section sensiblement en forme de trapèze isocèle. L'intérêt de ta forme trapézoïdale est de réduire au minimum les résiduels de combustion et de maintenir le plus longtemps possible une combustion et un débit gazeux efficaces.
La différence de pression A P existant entre les deux faces d'extrémité du bloc de propergol est augmentée du fait de l'allongement important des canaux. Or, le bloc de propergol ainsi perforé est plus fragile qu'un bloc à canal unique et a fortiori qu'un bloc à combustion frontale.
Il est bien connu de l'homme de métier de solidariser latéralement le bloc de propergol au corps du propulseur au moyen d'un inhibiteur de combustion. Dans le cas de bloc de propergol multiperforé, il a été constaté que cette fixation est insuffisante.
Le bloc de propergol du propulseur selon l'invention comporte sur sa face amont une armature solidarisée au corps du propulseur, cette armature ménageant un espace libre entre fa face amont du bloc de propergol et le fond du corps du propulseur, le canal axial et les canaux périphériques débouchant dans cet espace libre par des orifices ménagés dans l'armature.
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Selon un aspect préférentiel de l'invention, ladite armature est constituée par une plaque perforée dont les orifices, au même nombre que les canaux du bloc de propergol, sont en regard avec les canaux périphériques et le canal axial, et est fixée à la face amont du bloc de propergol, à l'aide de l'inhibiteur de combustion.
L'espace libre ainsi ménagé entre l'armature fixée sur la face amont du bloc de propergol et le fond du propulseur constitue une chambre d'équilibrage de la pression interne qui réduit les différences de pression susceptibles de se produire en cours de combustion. Cette précaution se justifie car si l'épaisseur de propergol qui sépare deux canaux, de plus en plus mince au fur et à mesure que la combustion progresse, était soumise à une différence de pression, cette différence provoquerait en fin de combustion la rupture prématurée du propergol non encore brûlé avec risque d'éjection de fragments de propergol et provoquerait une irrégularité de la fin de combustion et de ce fait une perte importante de rendement. Cette chambre d'équilibrage de pression, située en extrémité amont du propergol d'accélération, peut être située à l'aval du générateur de gaz d'un statoréacteur.
L'armature amont du propergol a des orifices qui permettent aux gaz de combustion, c'est-à-dire à la pression, de se répartir entre les canaux par l'intermédiaire de la chambre d'équilibrage. Ces orifices peuvent avoir l'exacte forme initiale des canaux du propergol ou une forme totalement différente. Par exemple, les canaux peuvent être de section trapézoïdale et les orifices de l'armature peuvent être cylindriques ou tronconiques.
L'intérêt des orifices cylindriques ou tronconiques est de pouvoir réutiliser cette armature pour la seconde phase de propulsion, dans le cadre d'une configuration statoréacteur, de façon à répartir les jets de gaz combustibles; l'armature est alors utilisée comme un diffuseur-injecteur.
L'armature est fixée sur le corps du propulseur et comporte un inhibage, en particulier par retour de l'inhibiteur fixant le propergol, sur la virole du propulseur. L'inhibiteur servant à protéger cette armature peut être disposé sur l'une ou l'autre face de celle-ci mais sera préférentiellement disposé sur la face arrière de l'armature, c'est-à-dire entre le bloc de propergol et l'armature elle-même de façon à éviter son trop grand échauffement.
Selon un aspect préférentiel, le propulseur selon l'invention constitue l'étage d'accélération d'un statoréacteur. Dans ce cas, l'extrémité aval du bloc de propergol est située dans la zone de la tuyère du statoréacteur et préférentiellement au niveau du divergent de cette tuyère, une telle configuration permettant de loger davantage de propergol dans le corps du propulseur.
Chaque canal est terminé par une partie divergente de façon à améliorer la détente des gaz et dans le cas du bloc d'accélération d'un statoréacteur, cette partie évasée est positionnée au niveau de la tuyère du statoréacteur.
La combustion du propergol se fait en couches parallèles et en fin de combustion il reste des imbrûlés appelés résiduels de combustion, sur la périphérie de l'inhibiteur interne solidaire de la structure du propulseur les résiduels centraux sont éjectés.
Selon une première variante, la présence de ces résiduels, peut être éliminée partiellement en utilisant un matériau inhibiteur de combustion qui pénètre à l'intérieur de la surface cylindrique extérieure du bloc de propergol dans au moins deux zones situées au niveau de ces résiduels, formant ainsi des nervures longitudinales qui présentent l'avantage de réduire les risques d'apparition d'instabilités de combustion durant le fonctionnement du statoréacteur.
Selon une autre variante ces résiduels sont totalement et rapidement éliminés en utilisant un bloc bi-composition, le propergol à vitesse de combustion plus rapide étant disposé dans les zones situées au niveau des résiduels externes de combustion.
Selon un aspect préférentiel de l'invention, le propergol utilisé est un propergol composite à liant polybutadiène hydroxytéléchélique et comporte jusqu'à 5% en masse de catalyseurs ferrocéniques.
L'invention est ci-après exemplifiée en référence aux fig. 1,2 et 3.
La fig. 1 représente un propulseur selon l'invention utilisé comme accélérateur intégré d'un statoréacteur.
La fig. 2 représente une coupe transversale M' du propulseur d'accélération selon la fig. 1.
La fig. 3 représente les courbes théoriques de pression existant dans les canaux périphériques et dans le canal central du bloc de propergol du propulseur d'accélération en fonction du temps de combustion.
La fig. 4 représente la courbe de pression en fonction du temps de combustion.
La fig. 5 représente la courbe de poussée en fonction du temps de combustion.
En se référant à la fig. 1, un statoréacteur à accélérateur intégré est constitué d'un propulseur d'accélération (1) selon l'invention et d'un générateur de gaz (2).
La chambre de combustion du générateur de gaz est appelée chambre primaire (3). La chambre de combustion du propulseur d'accélération initialement occupée par un bloc de propergol est appelée Ghambre secondaire (4).
Le corps (5) du propulseur d'accélération (1) est muni en son extrémité amont d'orifices d'entrée d'air (6) fermés par des opercules (7) pendant la phase d'accélération et en son extrémité aval d'une tuyère (8) de large section destinée à détendre le gaz de combustion du statoréacteur fermée initialement par un opercule (9).
La chambre secondaire du statoréacteur est équipée d'un bloc de propergol d'accélération à liant PBHT multiperforé (10) par un canal central (11) et 6 canaux périphériques (12) longitudinaux. Ce bloc (10) présente un diamètre de 191 mm pour une longueur de 500 mm, soit un allongement de 2,61.
Ce bloc de propergol multiperforé (10) est solidarisé latéralement au corps du propulseur (5) au moyen d'un inhibiteur de combustion (13). La face amont de ce bloc comporte une plaque (14) perforée
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d'orifices troncôniques (15), au même nombre et en regard avec les canaux périphériques (12) et centrai (11) du bloc de propergol (10) auquel elle est fixée grâce à un inhibiteur de combustion.
La face aval du bloc de propergol (10) se situe au niveau du divergent de la tuyère (8) et les canaux périphériques (12) et central (11) se terminent par une partie divergente (16).
Le générateur de gaz est équipé d'un bloc de propergol sous-oxygéné générateur de gaz réducteurs (18) muni d'un canal central (19) et solidarisé à la chambre primaire (3).
Le bloc de propergol sous-oxygéné n'occupe pas tout l'espace de la chambre primaire de combustion: un espace libre (20} est ménagé entre la plaque perforée (14) et l'extrémité aval du bloc (18) pour former une chambre d'équilibrage des pressions.
Un allumeur (21) est disposé à l'extrémité amont du canal central du bloc de propergol sous-oxygéné
(18).
H est à noter que l'allumeur (21) aurait pu également être placé au niveau de l'espace libre (20).
Selon la fig. 2, le bloc de propergol multiperforé (10) est solidarisé latéralement au corps (5) du propulseur d'accélération (1) au moyen d'un matériau inhibiteur de combustion (13). Ce bloc est perforé d'un canal central (11) hexagonal ayant une hauteur de 42 mm et de 6 canaux périphériques (12) disposés sur un cercle concentrique au canal central (11).
Les 6 canaux périphériques (12) présentent une section sensiblement en forme de trapèze isocèle possédant également une hauteur de 42 mm et sont disposés de façon à ce que leurs flancs soient parallèles deux à deux.
Le matériau inhibiteur dé combustion (13) pénètre à l'intérieur de la surface cylindrique extérieure du bloc de propergol (10) dans trois zones situées au niveau des résiduels de combustion (22) présentant ainsi trois nervures longitudinales (23) parallèles aux canaux.
Lors, du lancement de l'engin équipé d'un tel statoréacteur à accélérateur intégré, les gaz de combustion de l'allumeur (21) traversent le canal central
(19) du bloc générateur de gaz (18) et pénètrent à travers les orifices de ta plaque (14) dans les canaux du bloc multiperforé (10) de l'accélérateur qu'ils enflamment. La pression dans tout le volume non occupé par du propergol (canaux du bloc accélérateur, chambre d'équilibrage, canal du bloc générateur de gaz) s'élève rapidement et provoque l'éjection de l'opercule (9) ce qui libère l'éjection des gaz de combustion de l'accélérateur et provoque l'accélération de l'engin.
Puisque les gaz de combustion de l'allumeur (21) traversent le canal central du bloc générateur de gaz (18), ils en initient également la pyrolyse. Les gaz de pyrolyse produits pendant la durée de combustion de l'accélérateur sont éjectés avec les gaz de combustion de ce dernier et sont perdus pour le fonctionnement ultérieur en statoréacteur, mais ils contribuent légèrement à l'accélération de l'engin.
Le bloc de propergol multiperforé (10) brûle en 1,8 s environ, et l'éjection des gaz de combustion accélère l'engin jusqu'à une vitesse suffisante pour que le statoréacteur vienne prendre le relai de l'accélérateur.
La combustion s'effectue en couches parallèles. Comme on peut le voir sur la fig. 3 la courbe de la pression en fonction du temps est dégressive et la pression existant dans les canaux périphériques (12) est sensiblement égale à celle existant au niveau du canal central (11), ce qui diminue les risques de rupture prématurée du bloc. De plus, la présence des nen/ures (23) au niveau des résiduels de combustion permet un arrêt net de la combustion.
Une fois la combustion du bloc de propergol multiperforé (10) terminée la pression dans la chambré de combustion diminue ce qui provoque l'éjection des opercules (7) à travers la chambre secondaire de combustion (4) l'entrée massive d'air par les orifices (6).
Les gaz de pyrolyse du générateur s'enflamment spontanément avec l'air dans les conditions dé pression et de température dans lesquelles celui-ci se trouvent. Le mélange d'air et de gaz de pyrolyse en combustion voit sa température s'accroître considérablement et est éjecté à travers la tuyère à large section (8); le fonctionnement en statoréacteur est ainsi amorcé.
Les fig. 4 et 5, représentant les courbes de tir au banc d'un chargement accélérateur multiperforé, montrent que l'allumage du chargement s'effectue au bout de 20 ms et que la combustion dure 1,8 s. A ce temps on observe un pic de pression sur les courbes du à l'éjection des résiduels centraux.
Les allures des courbes de pression et de poussée sont comparables à celles des chargements sans tuyère connus à canal unique à savoir une courbe de pression dégressive et une courbe de poussée légèrement croissante.

Claims (14)

Revendications
1. Propulseur d'accélération comprenant un bloc de propergol (10) solidarisé latéralement au corps du propulseur au moyen d'un inhibiteur de combustion et comportant un canal axial (11) caractérisé en ce que d'une part, le bloc de propergol présente un allongement compris entre 2,5 et 6, ce bloc comportant au moins 6 canaux périphériques identiques (12) et en ce que d'autre part la face amont du bloc de propergol comporte une armature solidarisée au corps du propulseur, cette armature ménageant un espace libre (20) entre la face amont du bloc de propergol et le fond du corps du propulseur, le canal axial et les canaux périphériques débouchant dans cet espace libre par des orifices ménagés dans l'armature et se terminant à l'extrémité opposée par une partie divergente (16).
2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de propergol (10) comporte uniquement 6 canaux périphériques (12).
3. Propulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les six canaux périphériques (12) sont parallèles au canal axial (11).
4. Propulseur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux périphériques (12) présentent une section sensiblement en forme de trapèze isocèle.
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5. Propulseur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le propergol multiperforé constituant le bloc (10) comporte un catalyseur ferrocénique.
6. Propulseur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite armature est constituée par une plaque perforée (14) dont les orifices (15) sont en regard avec lesdits canaux périphériques (12) et le canal axial (11).
7. Propulseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite plaque perforée (14) est fixée à la face amont du bloc de propergol à l'aide de l'inhibiteur de combustion.
8. Propulseur selon les revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un allumeur disposé au moins en partie au niveau de l'espace libre (20).
9. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau inhibiteur de combustion (13) pénètre à l'intérieur de la surface cylindrique extérieure du bloc de propergol dans au moins deux zones situées au niveau des résiduels externes de combustion (22).
10. Propulseur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le bloc de propergol (10) est bicomposition, le propergol à vitesse de combustion plus rapide étant disposé dans les zones situées au niveau des résiduels externes de combustion (22).
11. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de propergol (10) est un propergol composite à liant PBHT.
12. Statoréacteur avec étage d'accélération intégré caractérisé en ce que l'étage d'accélération est constitué par un propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes.
13. Statoréacteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'extrémité aval du bloc de propergol (10) du propulseur est située au niveau du divergent de la tuyère (8) dudit statoréacteur.
14. Statoréacteur selon la revendication 12, caractérisé ce que les orifices (15) de la plaque (14) de fixation selon la revendication 6 constituent des orifices d'injection des gaz réducteurs du chargement amont (18).
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