FR2734025A1 - Moteur fusee a propergol liquide, a impulsions - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur-fusée à propergol liquide comprenant un corps de chambre (60) relié à une tuyère de poussée convergente/divergente (62) et à au moins un conduit d'alimentation (64a, 64b) en propergol légèrement pressurisé, ce corps comportant un alésage de corps (76, 78) dans lequel peut se déplacer longitudinalement, entre une première position de repos et une seconde position de fonctionnement, un piston (66) formant injecteur comportant un fond de piston (68) et une tige de piston (70) et divisant l'alésage de corps de chambre en une chambre de combustion (72) en avant du piston et en au moins une chambre d'injection (74a, 74b) entourant la tige de piston, le corps de chambre comportant en outre une section de passage, obturée dans la position de repos pour interdire toute alimentation en propergol de la ou des chambres d'injection, et qui est libérée lors du déplacement du piston (66) de la position de repos à ladite position de fonctionnement afin d'autoriser au travers de cette section de passage le remplissage de la ou des chambres d'injection (74a, 74b) directement à partir des conduits d'alimentation (64a, 64b), l'injection du ou des propergols dans la chambre de combustion (72) étant obtenue par des canaux d'injection (92, 94) ménagés entre la chambre de combustion et la ou les chambres d'injection; le déplacement du piston étant fonction en particulier des pressions dans les conduits d'alimentation, dans les chambres d'injection et dans la chambre de combustion.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un moteur-fusée

pouvant fonctionner par intermittence avec une très haute pression de combustion et destiné plus particulièrement à des systèmes propulsifs miniaturisés tels que ceux pouvant être mis en oeuvre dans des satellites ou des véhicules intercepteurs. Art antérieur La génération d'impulsions de poussée est possible à partir d'une architecture classique de moteur-fusée produisant habituellement une poussée continue en agissant sur la séquence de commande de la vanne d'injection du moteur. Ainsi, par une succession de créneaux d'excitation et de non- excitation de cette vanne, il peut être délivré une succession périodique d'impulsions de poussée permettant un fonctionnement intermittent du moteur. Toutefois, avec une telle architecture conventionnelle, la génération d'impulsions de valeur fixe qui soit reproductible et performante se révèle pratiquement impossible à réaliser du fait notamment de l'importance des volumes "morts", c'est à dire des volumes existant entre la vanne

d'injection et l'injecteur et que comporte nécessairement ce type de moteur-fusée.

Aussi, il a été développé des architectures spécifiques de moteur-fusées particulièrement adaptées à ce fonctionnement par impulsions. Dans la demande FR 2 446 385 déposée en 1979 par la société Rockwell International Corporation, le moteur-fusée décrit comporte un piston de type différentiel séparant la chambre de combustion d'une chambre de mise sous charge dans laquelle peut être introduit, à partir de réservoirs de stockage, un ou deux propergols liquides sous l'action de la force centrifuge. Le déplacement du piston est réalisé par l'action d'un dispositif de commande qui, dans l'exemple illustré, se présente sous la forme d'un réservoir de gaz sous pression alimentant la chambre de mise sous charge au travers d'une électrovanne. Dans la demande FR 1 565 785 déposée en 1968 par la société B6lkow Gesellschaft Mit Beschrânkter Haftung, l'installation d'alimentation en propergols représentée comporte un ensemble cylindre-piston différentiel, deux chambres de dosage destinées à recevoir les ergols liquides et un compartiment d'expansion relié à la chambre de combustion par une conduite centrale dans laquelle circulent les gaz de combustion sous pression. Les chambres de dosage se remplissent naturellement après chaque phase de fonctionnement à partir de réservoirs de stockage des propergols sous faible pression et des clapets anti-retour sont montés en entrée de ces chambres pour éviter un reflux des ergols dans les réservoirs. De même, des vannes haute pression sont insérées en sortie des chambres de dosage pour permettre ou non l'injection d'ergols dans la chambre de combustion. Le lancement de la combustion est assuré par le basculement de leviers de commande de ces vannes qui libèrent les ergols dans la

chambre de combustion.

Les dispositifs décrits présentent, par rapport aux architectures classiques, l'avantage de pouvoir être dimensionnés en fonction d'un seul intervalle de fonctionnement maximal déterminé, ce qui leur garantit une structure beaucoup plus légère que celle des dispositifs antérieurs. Malheureusement, ils présentent encore un certain nombre d'inconvénients. Notamment, le lancement de la combustion (mise en route du moteur) nécessite des mécanismes de commande particuliers (réservoir sous pression et électrovanne, vannes haute pression) qui augmentent sensiblement la masse globale du dispositif (laquelle est un élément primordial dans les applications spatiales) et dont la gestion est complexe. En outre, la présence d'éléments anti-retour, pour les ergols ou le gaz de combustion, est indispensable à la mise en oeuvre du moteur-fusée et la rupture, ou le non fonctionnement, de l'un de ces éléments risque de provoquer un non fonctionnement général du moteur ainsi que la perte de la mission correspondante. De plus, le dimensionnement de ces éléments anti-retour est délicat, et il faut en général ". prévoir plusieurs, comme indiqué dans la demande de

brevet FR 2 446 385 précitée.

Définition et objet de l'invention La présente invention a pour objet un moteur-fusée à impulsions qui pallie les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant une architecture nouvelle plus compacte, moins coûteuse, et garantissant en outre une plus grande sécurité aux systèmes propulsifs intégrant ce moteur, tout en étant parfaitement compatible d'utilisation avec les systèmes propulsifs classiques malgré l'existence d'une très forte

pression de combustion qu'implique cette architecture nouvelle.

Ce but est atteint par un moteur-fusée à propergol liquide comprenant un corps de chambre relié à une tuyère de poussée convergente/divergente et à au moins un conduit d'alimentation en propergol légèrement présurisé, ce corps comportant un alésage de corps dans lequel peut se déplacer longitudinalement, entre une première position de repos et une seconde position de fonctionnement, un piston formant injecteur comportant un fond de piston et une tige de piston et divisant l'alésage de corps de chambre en une chambre de combustion en avant du piston et en au moins une chambre d'injection entourant la tige de piston, ce moteur-fusée étant caractérisé en ce que le corps de chambre comporte en outre une section de passage, obturée dans ladite position de repos pour interdire toute alimentation en propergol de la ou des chambres d'injection, et qui est libérée lors du déplacement du piston de ladite position de repos à ladite position de fonctionnement afin d'autoriser au travers de cette section de passage le remplissage de la ou des chambres d'injection directement à partir des conduits d'alimentation, l'injection du ou des propergols dans la chambre de combustion étant obtenue par des canaux d'injection ménagés entre la chambre de combustion et la ou les chambres d'injection, le déplacement du piston étant fonction en particulier des pressions dans les conduits d'alimentation, dans les chambres

d'injection et dans la chambre de combustion.

Par cette structure spécifique, les inconvénients de l'art antérieur sont supprimés car il devient possible de générer des impulsions de poussée automatiquement les unes après les autres sans recourir à des commandes externes

pour le démarrage de chaque cycle, ni recourir à l'utilisation de vannes haute pression.

En outre, l'architecture est simplifiée car l'obturation de la section de passage du propergol lors du retour de l'injecteur, en isolant les chambres d'injection des conduits d'alimentation, évite tout recours aux classiques clapets anti-retour ou autres

composants analogues.

Dans un mode de réalisation particulier, le corps de la chambre de combustion prolongé par une tuyère de poussée est solidaire du fond de piston pour former ensemble une pièce mobile pouvant se déplacer longitudinalement dans le corps du moteur, de la position de repos dans laquelle la section de passage est fermée à la position de fonctionnement dans laquelle cette section est libérée pour l'alimentation

de ce moteur en propergol.

De préférence, la section de passage est réalisée par un évidement pratiqué en entrée de la ou des chambres d'injection dans l'alésage de corps le long duquel coulisse

la tige de piston.

Selon le mode de réalisation envisagé, les canaux d'injection du propergol dans la chambre de combustion peuvent aussi être constitués par un jeu existant entre

l'alésage du corps de chambre et la surface périphérique du fond de piston.

Dans une variante de réalisation permettant une optimisation du fonctionnement du moteur, le fond de piston comporte sur sa face frontale tournée vers la chambre de combustion une partie faisant saillie vers l'avant pouvant venir obturer en totalité ou en partie un col de la tuyère de poussée lors de son déplacement de la

position de repos vers la position de fonctionnement.

Le moteur-fusée selon l'invention comporte en outre une butée aval, formée de préférence par un épaulement de la tuyère de poussée, et destinée à limiter le

déplacement du piston à ladite position de fonctionnement.

Dans le cas d'une alimentation à partir de deux propergols, la tige de piston s présente une forme annulaire et délimite d'une part une chambre d'injection centrale et d'autre part une chambre d'injection annulaire, cette tige de piston comportant une paroi faisant saillie vers l'arrière et coulissant dans une seconde cavité annulaire coaxiale à une première cavité annulaire dans laquelle coulisse la tige de piston, de telle sorte que cette paroi définisse deux cavités concentriques pour l'alimentation des deux propergols depuis leur conduit d'alimentation respectif. Cette paroi peut être remplacée par au moins un soufflet élastique fixé de préférence par soudage à une

extrémité amont du corps de chambre.

Avantageusement, dans cette version à deux propergols, la tige de piston coulisse d'une part extérieurement dans un alésage du corps de chambre et d'autre part intérieurement sur une pièce formant plongeur et fixée à l'extrémité amont de ce corps par des moyens de fixation élastique, de telle sorte que la liaison piston/corps rendue ainsi légèrement flexible limite les risques de coincement du piston lors de son

déplacement, tout en assurant une bonne étanchéité.

Dans le cas d'une alimentation à partir d'un unique propergol, les moyens d'allumage de la combustion comprennent avantageusement un lit catalytique disposé sur la face frontale du fond de piston tournée vers la chambre de combustion. En outre, des moyens de rappel peuvent être prévus pour maintenir le piston dans la première

position de repos, notamment en l'absence d'alimentation du ou des propergols.

Le moteur-fusée selon l'invention peut comporter, pour provoquer l'arrêt de son fonctionnement, des moyens de blocage du piston dans la première position de repos, ces moyens de blocage pouvant être constitués soit par un ensemble électromécanique comportant un électroaimant dont l'excitation entraîne le déplacement d'un doigt de blocage dans un orifice pratiqué dans la tige de piston ou dans tout autre pièce qui lui est solidaire soit encore par un ensemble électrohydraulique formé par un vérin alimenté depuis au moins un conduit d'alimentation au travers d'une électrovanne et sur lequel peut coulisser une cavité pratiquée dans la tige de piston, de telle sorte que cette tige de piston puisse être immobilisée dans une position déterminée sous l'effet des forces de pression mises en jeu. Lorsque une partie au moins du piston, de préférence la tige de piston, est réalisée en un matériau ferromagnétique et au moins l'extrémité amont du corps de chambre est réalisé en un matériau non ferromagnétique, ces moyens de blocage peuvent avantageusement être constitués par un ensemble électromagnétique dont l'excitation

par des moyens de commande entraîne l'arrêt du déplacement du piston.

Dans un mode de réalisation particulier, le moteur-fusée peut présenter une géométrie de coulissement du piston non circulaire avec une section de col de tuyère

sensiblement rectangulaire.

Brève description des figures

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 est une vue schématique longitudinale d'un moteur-fusée conforme à la présente invention alimenté par un seul ergol, - les figures 2a et 2b montrent des diagrammes de fonctionnement d'un moteur-fusée à impulsions selon l'invention, - les figures 3 et 3a représentent une vue schématique longitudinale de moteurs-fusées selon l'invention alimenté par deux ergols, - la figure 4 est une variante de réalisation du moteur-fusée de la figure 3, - la figure 5 est un schéma de principe d'une variante de réalisation du moteur-fusée à monergol de la figure 1, - la figure 6 est un schéma de principe d'une autre variante de réalisation du moteur- fusée à deux ergols de la figure 3, - les figures 7a et 7b montrent de facçon très schématique des variantes de réalisation de certains aspects du moteur-fusée de la figure 6, et - la figure 8 est un schéma de principe d'encore une autre variante de

réalisation du moteur-fusée à deux ergols de la figure 3.

Description détaillée de modes de réalisation préférentiels

On se réfère à la figure 1 qui représente schématiquement en coupe longitudinale un moteur-fusée à impulsions conforme à l'invention, alimenté à partir d'un unique propergol. Le moteur-fusée comporte un corps 10 de révolution autour d'un axe longitudinal auquel est raccordé en aval une tuyère de poussée convergente/divergente 12 et en amont un conduit d'alimentation 14 pour l'admission de ce propergol. Un piston 16 en forme de T comportant un fond de piston 18 et une tige de piston 20 peut se déplacer longitudinalement de façon pratiquement étanche (voir par exemple le joint à anneau glissant 30) dans le corps 10, entre une première position de repos en amont de ce corps et une seconde position de fonctionnement en aval, et diviser ce corps entre une chambre de combustion 22, disposée en avant du fond de piston, pour former les gaz de combustion, et une chambre annulaire s d'injection 24 entourant la tige de piston, pour emmagasiner le propergol avant l'injection dans la chambre de combustion. Le guidage du piston 16 dans le corps 10 est assuré d'une part par le fond de piston 18 qui peut coulisser dans un premier alésage 26 pratiqué au niveau du corps 10 parallèlement à son axe longitudinal et d'autre part par la tige de piston 20 qui peut elle même coulisser dans un second alésage 28 coaxial au précédent et pratiqué à une extrémité amont du corps 10 dans

l'axe du conduit d'alimentation 14.

Le propergol liquide issu d'une source séparée 30 est amené, après avoir traversé une éventuelle vanne d'isolation 32 (utilisée pour confiner de manière étanche le propergol pendant la durée de stockage), jusqu'à une vanne d'injection 34 à partir de laquelle il peut être introduit dans la chambre annulaire d'injection 24 le long du second alésage 28 par le conduit d'alimentation 14. Il est ensuite injecté dans la chambre de combustion 22 au travers de canaux d'injection 36 percés dans le fond de piston 18, puis le propergol est décomposé en gaz à haute température en passant au travers d'un lit catalytique 38 placé directement sur la face frontale du fond de piston

tournée vers la chambre de combustion 22.

La chambre de combustion 22 comporte une butée aval 40, pouvant avantageusement être constituée par un épaulement de la tuyère convergente/divergente 12, et destinée à limiter le déplacement du piston formant injecteur 16 vers l'aval (définissant ainsi la seconde position de fonctionnement), le fond de la chambre d'injection 24 formant pour sa part une butée amont 42 pour cet injecteur (et correspondant ainsi à la première position de repos). Des moyens de rappel (44) peuvent en outre être prévus pour maintenir l'injecteur 16 dans la première position de repos dans laquelle se trouve le moteur avant l'alimentation en propergol (ou pendant la phase de stockage). Il est à noter que dans la plupart des cas, les forces de frottement de l'injecteur mobile sur le corps de chambre peuvent suffire pour

assurer le maintien de l'injecteur dans la première position de repos.

Le second alésage 28 comporte au niveau de sa jonction avec la chambre d'injection 24 un évidement 46 qui permet de définir une section de passage pour l'injection du propergol dans cette chambre lorsque l'injecteur est dans sa position de fonctionnement en appui contre la butée aval 40. Bien entendu, la tige de piston 20 devra être dimensionnée pour assurer cette section de passage dans la position de fonctionnement et, inversement, assurer une obturation complète de cet évidement 46 dans la position de repos, le piston injecteur 16 étant alors en butée amont 42 sur le

fond de la chambre d'injection 24.

Un bobinage 48 et une pièce polaire 50 formant un tore ouvert peuvent être disposés sur une paroi externe amont du corps 10 du moteur-fusée pour permettre, par une excitation adéquate, à partir de moyens de commande 52 non représentés, le blocage de l'injecteur dans la position de repos en appui contre la butée amont 42, notamment lorsque la pression dans le conduit d'alimentation 14 aurait tendance à

repousser cet injecteur vers sa position de fonctionnement.

Le fonctionnement d'un moteur-fusée miniaturisé peut être décrit comme suit de manière simplifiée en regard des figures 2a et 2b. Sur la figure 2b, la position de repos du piston (position amont) correspondant à une course d=-4mm et la position de fonctionnement (position aval) correspondant à une course d=Omm. Avant utilisation,

les moyens de rappel 44 garantissent l'appui de l'injecteur 16 contre la butée amont 42.

Lors de la première utilisation, le propergol pressurisé issu du réservoir 30 se déverse dans le conduit d'alimentation 14, après ouverture de la vanne d'injection 34, appliquant une pression à l'extrémité libre de la tige de piston 20. Cette pression du propergol engendre une force qui tend à s'opposer à l'action des moyens de rappel 44, aux forces de frottement des joints 30 notamment, et aux actions, sur le fond de piston 18 et sur le lit catalytique 38, de la pression régnant dans la chambre de combustion 22, cette force entraînant alors un déplacement de l'injecteur vers la butée aval 40

(courbe de la figure 2b).

Durant ce premier déplacement, la section de passage de l'évidement 46 vient à être dégagée et un débit de propergol s'établit alors entre le conduit d'alimentation 14 via l'alésage 28 et la chambre d'injection 24 (la courbe en pointillés 54 de la figure 2a représente l'intégrale de ce débit de "remplissage", c'est à dire la masse de propergol contenue dans la chambre d'injection en fonction du temps écoulé). Une fois la chambre remplie, la pression qui y règne provoque, après un coup de bélier, l'injection du propergol dans la chambre de combustion 22 par les canaux 36. Le propergol traverse alors le lit catalytique 38 o il est décomposé en gaz à haute température. On peut toutefois noter que, compte tenu du temps nécessaire à cette décomposition, il se produit en fait une certaine accumulation du propergol prêt à être décomposé dans la chambre de combustion 22. La décomposition engendre une élévation brutale de la pression dans la chambre de combustion à une valeur supérieure à la pression de pressurisation du propergol et suffisante pour créer des forces antagonistes à la force d'avancement du piston 16, comme le montre la courbe en trait plein 56 de la figure 2a o l'on peut observer ce "pic d'allumage" 58 par ailleurs typique de certains moteurs classiques. Le piston 16 subit dès lors un second déplacement, en sens inverse du précédent, de la butée aval 40 vers la butée amont 42 (le fond de la chambre d'injection 24), ce qui a pour effet d'une part d'entraîner volontairement l'injection du propergol dans la chambre de combustion 22 au travers des canaux 36 et du lit catalytique 38 et d'autre part d'en refouler une partie (très faible et en tout état de cause négligeable devant le volume total de la chambre d'injection 24) vers la conduite d'alimentation 14 au travers de l'alésage 28 par la section de passage de l'évidement 46

encore ouverte mais qui tend à diminuer très rapidement avec le recul du piston 16.

Dès que la section de passage se trouve totalement obturée, le propergol présent dans la chambre d'injection est pressurisé encore plus fortement par un effet de piston différentiel et il est alors forcé à s'injecter dans la chambre de combustion 22 en passant par les canaux et le lit catalytique entraînant une augmentation rapide de la pression chambre (par exemple jusqu'à une pression chambre de 650 bars pour une pression nominale d'alimentation de 20 bars). Cette pression accentue le déplacement arrière du piston 16 jusqu'à se stabiliser, lors du contact contre le fond de la chambre d'injection 24, à une valeur déterminée par les caractéristiques géométrique et fonctionnelle du moteur-fusée. Dans cette position, le piston a retrouvé son emplacement de repos initial, contre la butée amont 42, mais avec toutefois des

conditions de pression dans la chambre de combustion 22 notablement différentes.

C'est en effet seulement après un temps déterminé que les gaz de combustion vidangés par la tuyère 12 permettent à la pression dans la chambre de combustion 22 de diminuer alors fortement jusqu'à revenir aux conditions de pression initiales, à partir desquelles des nouveaux cycles peuvent s'enclencher sans aucun arrêt, automatiquement les uns à la suite des autres, et cela tant que la pression d'alimentation peut s'exercer sur la tige du piston 16 (c'est à dire jusqu'à épuisement du

propergol contenu dans le réservoir 30).

Bien entendu, l'arrêt du fonctionnement du moteur peut également être commandé à tout moment en bloquant le déplacement du piston 16 soit en diminuant la pression d'alimentation (en pratique en fermant la vanne d'injection 34) soit en excitant le bobinage 50 préalablement dimensionné pour pouvoir bloquer ce piston, et cela même si la pression dans le conduit d'alimentation est à sa valeur nominale. Dans ce dernier cas de blocage, il convient naturellement de réaliser le piston 16 au moins en partie dans un matériau ferromagnétique, l'extrémité amont du corps 10 étant

supposé non ferromagnétique.

Les figures 3 et 3a montrent en coupe longitudinale des vues schématiques d'un moteur-fusée selon l'invention dans le cadre d'une alimentation par deux propergols, préférentiellement hypergoliques. S'il est intéressant et souhaitable que les propergols soient hypergoliques car il en résulte une inflammation spontanée lors de leur injection dans la chambre de combustion, l'utilisation de propergols non hypergoliques, sous réserve de prévoir des moyens d'allumage adéquats au niveau de

cette chambre de combustion, est bien entendu tout aussi envisageable.

Sur la figure 3, le moteur-fusée comporte, comme dans le mode de réalisation précédent à un seul propergol, un corps de chambre 60 auquel est raccordé en aval une tuyère de poussée 62 et en amont des conduits d'alimentation 64a, 64b pour l'admission des propergols via une pièce intermédiaire 65. Un piston 66, comportant un fond de piston 68 pouvant coulisser dans un premier alésage de forme cylindrique 76 et une tige annulaire de piston 70 pouvant elle même coulisser dans une première cavité annulaire 78 coaxiale au premier alésage 76, peut se déplacer longitudinalement de facçon pratiquement étanche (voir par exemple le joint à anneau glissant 30) dans le corps 60, entre une première position de repos et une seconde position de fonctionnement, et diviser ce corps entre une chambre de combustion 72 en avant de ce piston et d'une part une chambre d'injection centrale 74a et d'autre part une chambre d'injection annulaire 74b. La tige annulaire de piston 70 est prolongée par une paroi annulaire cylindrique 80 faisant saillie vers l'arrière et pouvant elle même coulisser dans une seconde cavité annulaire 82 coaxiale à la première cavité annulaire 78 et pratiquée au niveau d'une extrémité amont du corps de chambre 60 dans le fond de cette première cavité 78. La seconde cavité annulaire 82 est mise à l'air libre par une ouverture 84 pratiquée dans le corps de chambre 60, par exemple perpendiculairement à l'axe longitudinal du moteur-fusée. Des joints annulaires 86 réalisent une étanchéité au niveau de cette seconde cavité annulaire 82, assurant ainsi une obturation étanche de l'extrémité amont du corps de chambre 60 tout en définissant deux cavités concentriques indépendante 88, 90 de part et d'autre de la paroi 80 pour l'injection des propergols. Comme dans le mode de réalisation précédent, la chambre de combustion 72 comporte une butée aval 96, constituée par exemple par un épaulement de la tuyère convergente/divergente 62, et destinée à limiter le déplacement du piston formant injecteur 66 vers l'aval (définissant ainsi la seconde position de fonctionnement). La limitation du déplacement du piston 66 vers l'arrière (correspondant à la première position de repos) est assurée de préférence par une butée amont 98 constituée par le fond de la chambre centrale d'injection 74a ou 74b, mais le fond de la première cavité s annulaire 78 ou celui de la seconde cavité annulaire 82 peuvent aussi jouer ce rôle de

butée amont.

La première cavité annulaire 78 comporte au niveau de sa jonction avec les chambres d'injection 74a, 74b un évidement 100 qui permet de définir une section de passage pour l'injection des propergols dans ces chambres lorsque l'injecteur est dans sa position de fonctionnement en appui contre la butée aval 96. Il est clair que la tige de piston 70 qui coulisse dans cette cavité 78 devra être dimensionnée pour assurer cette section de passage dans la position de fonctionnement et, inversement, assurer une obturation complète de l'évidement 100 dans la position de repos, le piston injecteur 66 étant alors en butée amont 98 sur le fond de la chambre centrale

d'injection 74a.

Cette configuration permet de réaliser un moteur fusée à impulsion optimisé au niveau du chemin de fuite entre les cavités annulaires indépendantes 88, 90 et la cavité 82 qui se trouve "mise à l'air libre" par l'ouverture 84 car le niveau de pression des cavités 88, 90 est sensiblement identique à celui des conduits d'alimentation, donc à faible pression. Cette particularité sera mise à profit dans le cas d'une variante à faible

encombrement représentée plus avant figure 4.

Les propergols hypergoliques issus de sources séparées, non représentées, sont introduits dans les cavités concentriques 88, 90 depuis les conduits d'alimentation 14a, 14b par des passages 102, 104 pratiqués dans l'extrémité amont du corps 60 et dans la pièce 65 et aboutissant dans la première cavité annulaire 78, et ils sont injectés dans la chambre de combustion 72 au travers de canaux d'injection 92, 94 percés dans l'injecteur mobile 66 et disposés avantageusement sous forme d'une couronne de doublets. Le fonctionnement du moteur-fusée à impulsions à deux propergols est semblable à celui de la figure 1, en notant toutefois que du fait de la nature hypergoliques des propergols, les moyens d'allumage de la combustion (lit catalytique par exemple) en cas d'utilisation d'un seul propergol ne sont plus nécessaires. Bien entendu, ces moyens redeviennent indispensables en cas d'utilisation de propergols non hypergoliques. Il peut être noté également que dans un souci de ne pas surcharger la représentation, les moyens d'arrêt du moteur (vanne, dispositif magnétique, ou autre dispositif analogue) par blocage du piston dans sa position de repos n'ont pas été illustrés. La figure 3a représente un moteur fusée à impulsions optimisé au niveau des chemins de fuite entre les chambres d'injection centrale et annulaires 74a et 74b soumises à d'intenses pressions et les conduits d'alimentation 64a et 64b légèrement pressurisés, car en phase de fonctionnement (de la position de fonctionnement vers la position de repos) l'écoulement au travers de sections de passage 100a, 100b s'effectue en sens contraire du déplacement du piston mobile 66, 70. Il en résulte un freinage de la fuite et donc un affaiblissement du niveau de cette fuite. Cela peut être exploité en

élargissant les tolérances de fabrication. Une variante de réalisation à faible encombrement du moteur-fusée de la

figure 3 est représentée à la figure 4. Dans cette variante, la paroi annulaire cylindrique de séparation des propergols qui est soumise à des efforts de pression modestes est remplacée par au moins un soufflet élastique 110 fixé, de préférence par soudage, afin de garantir une étanchéité maximale, d'une part à la tige annulaire de piston 70 et d'autre part à l'extrémité amont de la pièce intermédiaire 65. En outre, afin d'éviter des risques de coincement lors du déplacement de l'injecteur 66, la tige de piston 70 qui se déplace extérieurement dans un alésage 112 du corps de chambre glisse intérieurement sur une pièce flottante 114 jouant un rôle de plongeur. Cette pièce, dont le montage est toutefois effectué à tolérances serrées, est solidarisée de facçon souple à l'extrémité amont du corps de chambre par des moyens de fixation élastique du type goupille élastique 116 par exemple, de façon à rendre la liaison injecteur/corps étanche et peu

sensible aux coincements.

Les figures 5 à 8 sont des schémas de principe montrant de façon très schématique des variantes de réalisation du moteur-fusée à impulsions selon

l'invention, à un ou deux propergols.

Dans les versions des figures 5 et 6, il peut être observé deux exemples de réalisation des moyens de blocage du piston injecteur 16 dans sa position initiale de repos avec d'une part un ensemble électrohydraulique 120 et d'autre part un ensemble électromécanique 130. Sur la figure 5, la tige de piston 20 comporte une cavité 122 qui peut coulisser sur un piston intérieur 124 dont la tige solidaire de la conduite d'alimentation 14 est percée d'un alésage central 126. Une extrémité de cet alésage débouche dans la cavité 122 en avant du piston intérieur 124 et l'autre extrémité débouche dans la conduite d'alimentation 14 o elle peut être obturée par une électrovanne 128. On notera que, dans l'exemple illustré, des moyens d'allumage 125 sont prévus dans la chambre de combustion 22. Le fonctionnement des moyens de blocage précités s'apparente à celui des vérins hydrauliques, l'admission du propergol par l'électrovanne 128 et l'alésage 126 dans la cavité 122 permettant, sous l'effet des forces de pression s'exercçant sur les différents organes du dispositif, après fermeture de l'électrovanne, d'immobiliser la tige de piston 20 dans une position déterminée (notamment la position de repos). Il peut être noté que ces moyens de blocage présentent l'avantage de permettre très facilement l'obtention d'impulsions de formes différentes en agissant simplement sur l'électrovanne 128 de telle sorte que le recul de l'injecteur 16 soit contrôlé. Sur la figure 6, la paroi annulaire 80 de séparation des propergols comporte vers l'arrière une excroissance percée d'un orifice 132 dans lequel peut venir se loger un doigt 134 actionné par un électroaimant 136 et maintenu en position par un ressort de rappel 138. Le blocage du piston injecteur 66 est réalisé simplement par l'excitation de l'électroaimant 136 qui repousse le doigt 134 dans l'orifice 132. De préférence, ce doigt de blocage coulisse perpendiculairement à la direction de déplacement de la tige de piston 70 (et donc de la paroi 80) car, en ce cas,

les efforts sont moindres.

Les figures 7a et 7b montrent des détails de réalisation de l'injecteur 66. Sur la figure 7a, l'injection des propergols dans la chambre de combustion 72 est assurée non plus par deux canaux percés dans l'injecteur mais à la fois par un orifice central 140 de cet injecteur et par un espace 142 entre la périphérie de l'injecteur 66 et l'alésage 76 du corps de chambre 60, cet espace résultant simplement d'un jeu de tolérance déterminé existant entre le corps de chambre et l'injecteur. Sur la figure 7b, l'injecteur 66 comporte sur sa face frontale tournée vers la chambre de combustion 72 une partie faisant saillie vers l'avant 144 destinée à obturer plus ou moins complètement le col de la tuyère de poussée. Cette partie 144 qui permet avant tout d'optimiser le

fonctionnement du moteur-fusée peut également jouer un rôle de butée aval.

Enfin, la figure 8 montre une variante de réalisation d'un moteur-fusée à impulsions alimenté par deux propergols. Dans cette réalisation, l'injecteur 66 est muni d'un fond de piston 68 qui constitue également une paroi d'injection pour la chambre de combustion 72 dont le corps de chambre 160 est raccordée une tuyère de poussée 162. Cet ensemble mobile injecteur/corps de chambre/tuyère peut se déplacer longitudinalement dans le corps du moteur-fusée 60, une butée aval 196, constituée par un flasque du corps 60 qui dépasse vers l'intérieur de l'ensemble mobile, limitant ce déplacement longitudinal. Bien entendu, comme dans chacune des réalisations précédentes, la tige de piston est dimensionnée de telle sorte qu'elle puisse définir une section de passage pour les propergols dans la position de fonctionnement de ce moteur lorsque l'injecteur se trouve en appui sur la butée aval 196. Cette section de passage, comme l'illustre cette figure, peut résulter du simple déplacement relatif de la tige de piston et de l'alésage de cette tige, sans qu'il soit nécessaire de pratiquer un évidement dans cet alésage, à la manière des variantes de réalisation des figures 1, 3 et 4. L'homme de l'art peut envisager à partir des modes de réalisation décrits

précédemment bien d'autres variantes et adaptations sans sortir du cadre de l'invention.

Ainsi, par exemple, il n'est pas indispensable que le corps de chambre présente une section circulaire et une géométrie de coulissement du piston non circulaire avec une

section de col de tuyère sensiblement rectangulaire est tout à fait envisageable.

De par son extrême compacité, la présente invention est particulièrement adaptée aux systèmes propulsifs miniaturisés. Dans les satellites, leur emploi est notamment indiqué pour les systèmes auxiliaires ou de secours. Le choix de tels systèmes peut aussi être envisagé pour les manoeuvres aérodynamiques des missiles en remplacement des classiques gouvernes. Plus généralement, dans le domaine aéronautique, ces moteurs- fusées à impulsions peuvent constituer des machines d'essai pour la génération de vibrations pour l'étude des comportements mécaniques de très grandes structures. Notons également une application possible aux systèmes d'anti-dérapage de véhicules terrestres à moteur, la poussée variable avec un temps de réponse bref délivrée par un tel moteur-fusée pouvant permettre une compensation de

la perte d'adhérence provoquée par la force centrifuge.

Enfin, il peut être noté que si les moteurs-fusées conformes à l'invention assurent une poussée intermittente, il est possible dans un ensemble propulsif de combiner plusieurs moteurs pour obtenir une poussée continue à l'image d'un moteur à explosion.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Moteur-fusée à propergol liquide comprenant un corps de chambre (10, 60) relié à une tuyère de poussée convergente/divergente (12, 62) et à au moins un conduit d'alimentation (14; 64a, 64b) en propergol légèrement pressurisé, ce corps comportant un alésage de corps (26, 28; 76, 78; 112) dans lequel peut se déplacer longitudinalement, entre une première position de repos et une seconde position de fonctionnement, un piston (16, 66) formant injecteur comportant un fond de piston (18, 68) et une tige de piston (20, 70) et divisant l'alésage de corps de chambre en une chambre de combustion (22, 72) en avant du piston et en au moins une chambre d'injection (24; 74a, 74b) entourant la tige de piston, caractérisé en ce que le corps de chambre comporte en outre une section de passage, obturée dans ladite position de repos pour interdire toute alimentation en propergol de la ou des chambres d'injection, et qui est libérée lors du déplacement du piston (16, 66) de ladite position de repos à ladite position de fonctionnement afin d'autoriser au travers de cette section de passage le remplissage de la ou des chambres d'injection (24; 74a, 74b) directement à partir des conduits d'alimentation (14; 64a, 64b), l'injection du ou des propergols dans la chambre de combustion (22, 72) étant obtenue par des canaux d'injection (36; 92, 94; , 142) ménagés entre la chambre de combustion et la ou les chambres d'injection; le déplacement du piston étant fonction en particulier des pressions dans les conduits

d'alimentation, dans les chambres d'injection et dans la chambre de combustion.

2. Moteur-fusée à propergol liquide comprenant un corps (60) relié à au moins un conduit d'alimentation (64a, 64b) en propergol légèrement pressurisé, ce corps comportant un alésage de corps (76, 78; 112) dans lequel peut se déplacer longitudinalement, entre une première position de repos et une seconde position de fonctionnement, un piston (66) comportant un fond de piston (68) formant injecteur et une tige de piston (70) qui est entourée par au moins une chambre d'injection (74a, 74b), caractérisé en ce qu'il comporte une section de passage, obturée dans ladite position de repos pour interdire toute alimentation en propergol de la ou des chambres d'injection, et qui est libérée lors du déplacement du piston (66) de ladite position de repos à ladite position de fonctionnement afin d'autoriser au travers de cette section de passage le remplissage de la ou des chambres d'injection (74a, 74b) directement à partir des conduits d'alimentation (64a, 64b), et en ce que le fond de piston (68) qui est muni de canaux d'injection (92, 94) est fixé solidairement à un corps de chambre (160) d'une chambre de combustion (72) dont il constitue une paroi d'injection, ce corps de chambre de combustion (160) étant prolongé par une tuyère de poussée convergente/divergente (162); le déplacement de l'ensemble piston/corps de chambre/tuyère de poussée étant fonction en particulier des pressions dans les conduits d'alimentation et dans les chambres d'injection et fonction de la poussée exercée par la pression de combustion éjectant les gaz de combustion de la chambre de combustion

et accélérant les gaz dans la tuyère.

3. Moteur-fusée selon la revendication i ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite section de passage est réalisée par un évidement (46, 100) pratiqué en entrée de la ou des chambres d'injection (24; 74a, 74b) dans l'alésage de corps (28, 78)

le long duquel coulissc la tige de piston (20, 70).

4. Moteur-fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits canaux d'injection du propergol dans la chambre de combustion (22, 72) sont constitués par un jeu (142) existant entre l'alésage (26, 76) du corps de chambre (10, 60) et la surface

périphérique du fond de piston (18, 68).

5. Moteur-fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fond de piston (18, 68) comporte sur sa face frontale tournée vers la chambre de combustion (22, 72) une partie faisant saillie vers l'avant (144) pouvant venir obturer en totalité ou en partie un col de la tuyère de poussée (12, 62) lors de son déplacement de la position

de repos vers la position de fonctionnement.

6. Moteur-fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une butée aval (40, 96), formée de préférence par un épaulement de la tuyère de poussée (12, 62), et destinée à limiter le déplacement du piston (16, 66) à ladite

position de fonctionnement.

7. Moteur-fusée selon la revendication 1 ou la revendication 2 alimenté à partir de deux propergols, caractérisé en ce que la tige de piston (70) présente une forme annulaire et délimite d'une part une chambre d'injection centrale (74a) et d'autre part une chambre d'injection annulaire (74b), cette tige de piston comportant une paroi (80) faisant saillie vers l'arrière et coulissant dans une seconde cavité annulaire (82) coaxiale à une première cavité annulaire (78) dans laquelle coulisse la tige de piston (70), de telle sorte que cette paroi (80) définisse deux cavités concentriques (88, 90) pour l'alimentation des deux propergols depuis leur conduit d'alimentation respectif

(64a, 64b).

8. Moteur-fusée selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite paroi est remplacée par au moins un soufflet élastique (110) fixé de préférence par soudage à

une extrémité amont du corps de chambre (60).

9. Moteur-fusée selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que la tige de piston (70) coulisse d'une part extérieurement dans un alésage (112) du corps de chambre (60) et d'autre part intérieurement sur une pièce (114) formant plongeur et fixée à l'extrémité amont de ce corps par des moyens de fixation élastique (116), de telle sorte que la liaison piston/corps permettre une bonne étanchéité et

limite les risques de coincement du piston (66) lors de son déplacement.

10. Moteur-fusée selon la revendication 1 ou la revendication 2 alimenté à partir d'un unique propergol, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (38, 125)

d'allumage de la combustion.

11. Moteur-fusée selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens d'allumage comprennent un lit catalytique (38) disposé sur la face frontale du

fond de piston tournée vers la chambre de combustion (22).

12. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé

en ce qu'il comporte en outre des moyens de rappel (44) pour maintenir le piston (16, 66) dans la première position de repos, notamment en l'absence d'alimentation du ou

des propergols.

13. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé

en ce que, pour provoquer l'arrêt de son fonctionnement, il comporte en outre des moyens (48, 50, 52; 120; 130) de blocage du piston (16, 66) dans la première position

de repos.

14. Moteur-fusée selon la revendication 13 dans lequel une partie au moins du piston, de préférence la tige de piston (20, 70), est réalisée en un matériau ferromagnétique et au moins l'extrémité amont du corps de chambre (10, 60) est réalisé en un matériau non ferromagnétique, caractérisé en ce que lesdits moyens de blocage sont constitués par un ensemble électromagnétique (48, 50) dont l'excitation

par des moyens de commande (52) entraîne l'arrêt du déplacement du piston (16, 66).

15. Moteur-fusée selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de blocage sont constitués par un ensemble électromécanique (130) comportant un électroaimant (138) dont l'excitation entraîne le déplacement d'un doigt de blocage (134) dans un orifice (132) pratiqué dans la tige de piston (20, 70) ou dans

tout autre pièce (80) qui lui est solidaire.

16. Moteur-fusée selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de blocage sont constitués par un ensemble électrohydraulique (120) formé par un vérin (124) alimenté depuis au moins un conduit d'alimentation (14) au travers d'une électrovanne (128) et sur lequel peut coulisser une cavité (122) pratiquée dans la tige de piston (20), de telle sorte que cette tige de piston puisse être immobilisée dans

une position déterminée sous l'effet des forces de pression mises enjeu.

17. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé

en ce qu'il présente une géométrie de coulissement du piston non circulaire avec une section de col de tuyère sensiblement rectangulaire.