FR2706183A1 - Dispositif de purge de résidus de combustion. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de purge de résidus de combusion d'un propulseur comportant d'une part une chambre de combustion destinée à recevoir un propergol solide et d'autre part une tuyère assurant l'évacuation des gaz de propulsion et reliée au fond de cette chambre en laissant un espace annulaire (24) dans lequel viennent s'accumuler les résidus liquides de la combustion du propergol. Ce dispositif comporte au moins un tube (30) fixé sur le convergent (14) de la tuyère par des moyens de fixation, ce tube comportant une première extrémité (300A) plongée dans la masse liquide formée par les résidus de combusion à une distance déterminée j du fond de la chambre et une seconde extrémité (300B) émergeant au niveau de l'extrémité supérieure du convergent, légèrement en retrait du col de tuyère (12).

Description

DISPOSITIF DE PURGE DE RESIDUS DE COMBUSTION

La présente invention concerne un dispositif de purge de résidus de combustion destiné principalement à être mis en oeuvre dans un moteur à

propergol solide.

Classiquement, lorsqu'il est souhaitable de disposer d'un moteur à propergol solide ayant une tuyère d'éjection orientable, on monte cette tuyère sur une articulation flexible dont la partie fixe est solidaire de la paroi de la chambre de combustion du moteur. Pour faciliter ce montage et permettre l'intégration de la tuyère dans la chambre, l'extrémité arrière de cette tuyère présente généralement une forme spécifique, dite en cul de bouteille, qui malheureusement, en définissant une gorge annulaire entre la paroi de la tuyère et celle de la chambre, crée un volume fermé dans lequel des corps solides ou liquides peuvent se déposer pendant

le vol du propulseur.

Or, en brûlant, le propergol solide entraîne la formation de résidus de combustion. Dans le cas des propergols solides contenant de l'aluminium, l'un de ces résidus est l'alumine. Au moment de la combustion du propergol (qui se produit à des températures supérieures au point de fusion de l'alumine), cette alumine se trouve dans un état liquide, sous une forme de fines gouttelettes. Ces gouttelettes, dont les dimensions dépendent essentiellement de la granulométrie du propergol (de 20 à 120 gm par exemple), sont normalement entraînées par le flux gazeux de propulsion en même temps que les autres produits de la combustion et se solidifient en cours de détente avant leur évacuation sous forme solide au travers

de la tuyère.

Toutefois, plus la taille de ces gouttelettes devient importante plus leur entraînement vers la tuyère, sous l'action du flux gazeux de propulsion, se révèle difficile. C'est notamment le cas pour les gouttelettes de l'ordre de 100!xm qui, au lieu d'être évacuées au travers de la tuyère, se déposent dans le volume précité o elles finissent par former une flaque d'alumine liquide. Cette flaque, compte tenu des masses mises enjeu, se comporte alors comme un lest à l'origine d'une perte de charge utile (pour la mise sur orbite) particulièrement significative, 250 tonnes de

propergol pouvant ainsi produire une masse résiduelle de 2 tonnes d'alumine.

Aussi, un but de l'invention est de réaliser un moteur à propergol solide qui, pour une masse de propergol donnée, permet, sans modification fondamentale de

sa structure, d'embarquer une plus grande charge utile.

Selon la présente invention, il est proposé un dispositif de purge des résidus de combustion réalisant l'évacuation, pendant la combustion du propergol, des

résidus liquides accumulés dans le fond du propulseur.

Plus particulièrement, ce dispositif de purge de résidus de combustion d'un propulseur comportant d'une part une chambre de combustion destinée à recevoir un propergol solide et d'autre part une tuyère assurant l'évacuation des gaz de propulsion et reliée au fond de cette chambre en laissant un espace annulaire dans lequel viennent s'accumuler les résidus liquides de la combustion du propergol, est caractéristique en ce qu'il comporte au moins un tube fixé sur le convergent de la tuyère par des moyens de fixation, ce tube comportant une première extrémité plongée dans la masse liquide formée par les résidus de combustion à une distance déterminée j du fond de la chambre et une seconde extrémité émergeant au niveau

de l'extrémité supérieure du convergent, légèrement en retrait du col de tuyère.

Par cette structure spécifique, les résidus liquides présents au fond du propulseur, du fait de la différence de pression existant entre la pression régnant dans la chambre de combustion et celle, inférieure, existant au niveau du convergent de la tuyère, se trouvent aspirés dans les tubes de purge et ainsi rejetés

à l'extérieur avec le flux de propulsion.

Chaque tube de purge comporte sur une partie déterminée de sa longueur des zones d'attache pour permettre son accrochage sur le convergent par les

moyens de fixation.

En effet, il est important que ces tubes ne soient pas éjectés avec le flux de propulsion, ce qui nécessite des moyens de fixation en nombre suffisant. Ainsi, les moyens de fixation comportent plusieurs premiers éléments de liaison entre une première zone d'attache et la partie interne du convergent et plusieurs seconds éléments de liaison entre une seconde zone d'attache et la partie externe de ce convergent. De préférence, chacun des seconds éléments de liaison comporte un tirant relié d'une part à la partie externe du convergent au moyen d'un premier organe de maintien et d'autre part à une zone d'attache du tube au moyen d'un second organe

de maintien.

Compte tenu des températures mises en jeu, chaque tube de purge sera réalisé dans un matériau composite à matrice et renfort carbone. Il en sera de même

avec les premiers éléments de liaison et les seconds organes de maintien.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront

mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des

dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 montre un dispositif de purge selon l'invention disposé au niveau du fond d'un propulseur, - la figure 2 est une vue selon la coupe II-II de la figure i montrant une section du dispositif, et -la figure 3 est une vue montrant en partie gauche une coupe selon IIIa de la figure 1 et en partie droite une coupe selon IIIb. Sur cette vue sont représentés les moyens

de liaison du dispositif de purge selon l'invention avec le corps du propulseur.

La figure 1 représente en coupe une vue partielle d'un moteur à propergol solide muni d'un dispositif de purge selon l'invention. La tuyère d'un propulseur est de façon classique constituée d'un divergent 10 qui prolonge un col 12 auquel aboutit un convergent 14. Compte tenu des efforts et des températures mis en jeu, chacun de ces éléments est tout aussi classiquement constitué de deux parties, l'une interne, au contact des gaz de propulsion, assurant le maintien de la structure en température (référencée par la lettre A) et l'autre externe permettant sa tenue mécanique (référencée par la lettre B). Le convergent 14 qui constitue l'extrémité arrière de la tuyère comporte une extrémité supérieure reliée au col 12 et une extrémité inférieure retroussée dont la partie externe 14B est reliée, au travers d'une articulation flexible 18, à une paroi 20 prolongeant cette extrémité retroussée du convergent et formant, avec la paroi latérale de la chambre de combustion 22 à laquelle elle est solidairement fixée, le fond de cette chambre. Ce fond qui se présente ainsi sous une forme dite en cul de bouteille laisse apparaître un espace annulaire 24 entre l'extrémité du convergent et la paroi de la chambre, lequel espace, initialement rempli en partie par le seul propergol solide, se chargera de résidus au fur et à mesure de la combustion jusqu'à former une flaque liquide constituée notamment d'alumine dans le cas d'un propergol comportant de l'aluminium. La demanderesse a pu constater que, dans le cas d'un propergol solide contenant près de 20% d'aluminium, le volume de la flaque d'alumine résultante, qui dépend essentiellement mais non exclusivement de la granulométrie du propergol (entre autre l'accélération axiale du propulseur intervenant), pouvait atteindre des proportions non négligeables puisque, avec une masse initiale de propergol de 230 tonnes et en ne considérant qu'une accélération faible de 1 g, cet espace pouvait contenir une masse de près de 2 tonnes d'alumine correspondant à

une perte de charge utile pour la mise sur orbite d'environ 300 kg.

Aussi, la présente invention se propose d'évacuer ces résidus accumulés au fond du propulseur par un dispositif de purge comportant une série de tubes 30 fixés sur la paroi interne 14A du convergent de la tuyère du propulseur, l'une des extrémités 300A de ces tubes étant plongée dans la flaque de résidus liquides en laissant un jeu j déterminé et suffisant pour permettre le débattement de la tuyère sur son articulation 18, sans que cette extrémité ne vienne buter sur le fond de la chambre, tandis que l'autre 300B émerge au niveau de l'extrémité supérieure du convergent, légèrement en retrait du col de tuyère 12 sur un cercle de diamètre

supérieur à celui du col.

Les figures 2 et 3 montrent plus précisément la structure d'un tube 30 et son assemblage sur le convergent 14. A l'exception d'une zone d'attache du tube sur le convergent, ce tube de purge présente un corps homogène 300 muni d'un conduit interne 310. Dans l'exemple de réalisation illustré ce tube comporte avantageusement une section circulaire, mais bien évidemment cette forme n'est aucunement limitative. Dans la zone d'attache qui s'étend de préférence, à partir de l'extrémité supérieure du tube 300B, sur une distance déterminée et suffisante pour éviter l'éjection du tube lors de la combustion, le corps du tube est prolongé par des pattes 320,330 diamétralement opposées formant une aile dont une surface d'appui 340 est destinée à venir en contact avec le convergent. La liaison solidaire entre le tube de purge et le convergent est obtenue par des moyens de fixation 32,34, 36,38 disposés entre les pattes et les partie interne et externe du convergent. Ainsi, des premiers éléments de liaison 32 peuvent être montés entre une première zone d'attache du tube formée par la patte 320 et la partie interne du convergent 14A. De même, des seconds éléments de liaison 34,36,38 peuvent être montés entre une seconde zone d'attache formée par la patte 330 et la partie externe du convergent 14B. Cette liaison avec la partie externe du convergent nécessitant un passage au travers de sa partie interne, les seconds éléments de liaison comportent un tirant 34 traversant cette partie interne du convergent et fixé d'une part à une zone d'attache

du tube 330 et d'autre part à la partie externe du convergentl4B.

Le fonctionnement du dispositif de purge selon l'invention sera décrit ci-

après. A cet effet, il est important de noter que les résidus liquides présents au fond du propulseur sont soumis à la pression statique régnant dans la chambre de combustion alors que la pression statique existant au col de tuyère est inférieure à celle régnant dans la chambre. Or chacun des tubes 30 dont les dimensions et le nombre dépend du débit de résidus à évacuer comporte l'une de ses deux extrémités plongée dans la masse liquide et l'autre placée au niveau du convergent légèrement en retrait du col de tuyère. Il se crée alors, de par cette différence de pression entre ses deux extrémités, une dépression suffisante dans le tube pour aspirer les résidus liquides du fond de la chambre vers le convergent et donc vers l'extérieur. Avant la formation de ces résidus, cette dépression a pour seul effet de transférer les gaz chauds présents au fond de la chambre vers la tuyère, ce qui ne présente aucune gène de fonctionnement. L'homme de l'art sait sans difficulté déterminer l'emplacement préférentiel (au niveau du convergent) de l'extrémité supérieure du tube à un rapport de section tel qu'il assure une dépression suffisante pour compenser les effets de l'accélération sur la colonne de résidus liquides montant dans le tube et éviter une aspiration saccadée, entrecoupée de bulles. De même, il est facile à cet homme de l'art de déterminer la distance j suffisante pour permettre un débattement de la tuyère sur son articulation sans que l'extrémité

inférieure du tube ne vienne en contact avec le fond de la chambre.

L'application numérique suivante est un exemple de calcul approximatif des dimensions du tube dans le cas d'un propulseur à combustible solide contenant 18% d'aluminium. Il peut être supposé qu'au cours d'un vol de 60 secondes, un dépôt d'alumine de 5100 kg tendra à s'accumuler au fond de la chambre de combustion de ce propulseur. Le débit à évacuer est donc de 5100/60= 85 kg/s soit encore de 21 I/s. En admettant une vitesse de transit de 5 cm/s (vitesse dépendant de la viscosité de l'alumine), la section d'évacuation nécessaire devrait être de 21000/5= 4200 cm2, ce qui, compte tenu d'un diamètre de col de tuyère de 90 cm, permet d'envisager la pose de 10 tubes d'un diamètre interne d'environ 23 cm. Bien évidemment, ce calcul rapide est simplement donné a titre explicatif et ne constitue

qu'un ordre de grandeur des dimensions que peuvent avoir ces tubes.

Afin de résister aux températures mises en jeu lors de la combustion du propergol solide, les tubes de purges sont réalisés en matériau composite du type classique à matrice et renfort carbone comme le Sepcarb type Novoltex de la demanderesse. Les premiers éléments de liaison entre ce tube en matériau composite et la partie interne du convergent elle même en matériau composite sont eux-mêmes réalisés en matériau composite et constitués par exemple par des vis en carbone- carbone. Les seconds éléments de liaison entre le tube en composite et la partie externe du convergent constituée d'une structure métallique comportent

un tirant en composite carbone-carbone fixé au tube par un écrou en carbone-

carbone et fixé à la partie externe du convergent par une vis métallique. Bien évidemment, I'ajustement du tirant sur la partie interne du convergent sera réalisé de telle sorte qu'il permette une étanchéité au passage des gaz, afin de ne pas surcharger la partie métallique externe du convergent. Il pourra être noté que dans le cadre de l'exemple applicatif précédent, l'alumine réagissant avec le carbone, il sera nécessaire de prévoir une surépaisseur aux tubes de purge compensant la décomposition au contact de l'alumine du matériau composite en carbone-carbone formant le tube, décomposition dont il a

pu être constaté qu'elle était de l'ordre de 1 à 2 mm par minute.

Naturellement, diverses modifications, notamment dans les moyens de fixation, et adjonctions peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif

décrit précédemment sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de purge de résidus de combustion d'un propulseur comportant d'une part une chambre de combustion destinée à recevoir un propergol solide et d'autre part une tuyère assurant l'évacuation des gaz de propulsion et reliée au fond de cette chambre en laissant un espace annulaire (24) dans lequel viennent s'accumuler les résidus liquides de la combustion du propergol, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un tube (30) fixé sur le convergent (14) de la tuyère par des moyens de fixations (32-38), ce tube comportant une première extrémité (300A) plongée dans la masse liquide formée par les résidus de combustion à une distance déterminée j du fond de la chambre et une seconde extrémité (300B) émergeant au niveau de l'extrémité supérieure du convergent, légèrement en retrait

du col de tuyère (12).

2. Dispositif de purge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (30) comporte sur une partie déterminée de sa longueur des zones d'attache (320,330) pour permettre son accrochage sur le convergent (14) par les moyens de

fixation (32-38).

3. Dispositif de purge selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de fixation comportent plusieurs premiers éléments de liaison (32) entre une première zone d'attache (320) et la partie interne du convergent (12A) et plusieurs seconds éléments de liaison (34,36,38) entre une

seconde zone d'attache (330) et la partie externe de ce convergent (12B).

4. Dispositif de purge selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des seconds éléments de liaison comporte un tirant (34) relié d'une part à la partie externe du convergent au moyen d'un premier organe de maintien (38) et d'autre part à une zone d'attache du tube (30) au moyen d'un second organe de maintien (36).

5. Dispositif de purge selon la revendication 3 et la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers éléments de liaison (32) et les seconds organes de maintien (36) sont réalisés dans un matériau composite à matrice et renfort carbone.

6. Dispositif de purge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube

(30) est réalisé dans un matériau composite à matrice et renfort carbone.