FR2844557A1 - Systeme et procede de controle des oscillations de pression d'origine hydrodynamique pour propulseur a propergol solide - Google Patents
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Abstract
L'invention propose un système de contrôle passif des oscillations de pression d'origine hydrodynamique dans un propulseur à propergol solide (61) comprenant un corps (62) renfermant un chargement de propergol solide (63), caractérisé en qu'il comprend au moins un insert (100) disposé dans le corps du propulseur transversalement par rapport à la direction (E) d'écoulement des gaz de combustion du propergol solide. L'insert comprend une ouverture (101) de forme non axisymétrique de manière à générer un effet tridimensionnel sur l'écoulement pour empêcher la formation de modes tourbillonnaires axisymétriques dans le propulseur. Ainsi, le système de contrôle de l'invention va permettre de briser la symétrie du flux d'écoulement et ainsi empêcher la formation de tourbillons axisymétrique sources de l'instabilité que la présente invention cherche à maîtriser. Le présent système est applicable sur des propulseurs existants.
Description
Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des propulseurs à
propergol solide et, plus particulièrement, le contrôle des oscillations de pression d'origine
hydrodynamique rencontrées dans ce type de propulseur.
Art Antérieur Lors de la conception d'un propulseur à propergol solide, il faut en
général dimensionner le chargement de propergol de façon à ce qu'il produise la loi de débit ou de poussée désirée qui est définie par des études préalables du système complet du propulseur comme dans le cas 15 d'un missile ou d'un lanceur.
Le débit et la poussée étant dépendants de l'évolution géométrique
de la surface de combustion au cours du temps, les lois à réaliser ne peuvent le plus souvent être obtenues qu'avec des formes de chargement complexes, la forme élémentaire d'un canal central d'éjection des gaz de 20 combustion étant inadaptée.
Les formes particulières des chargements de propergol sont obtenues dans certains cas par ajout de motifs bidimensionnels comme des cannelures circonférentielles réparties le long du canal d'éjection des gaz. Dans d'autres cas, elles sont tridimensionnelles comme des motifs de 25 forme étoilée. Des conditions particulières liées aux très gros propulseurs du type de ceux utilisés comme boosters de lanceurs spatiaux, conduisent de plus à réaliser le chargement en plusieurs blocs (segments). Dans ce dernier cas, il est fréquent que les faces avant et arrière des blocs soient totalement ou partiellement inhibées par des protections thermiques 30 appropriées qui ne seront pas consommées aussi rapidement que le propergol et constitueront des obstacles à l'écoulement dans le canal d'éjection. La complexité géométrique de la forme initiale des blocs et l'éventuelle présence de protections thermiques de face se traduisent par 5 des irrégularités géométriques diverses, telles que des angles vifs ou des obstacles dépassant dans le canal d'éjection des gaz de combustion. Ces irrégularités entraînent des détachements tourbillonnaires du flux d'écoulement qui sont sources d'instabilités. Des détachements tourbillonnaires sont aussi observés directement à la surface de 10 combustion du propergol dans certains propulseurs ayant un rapport longueur/diamètre élevé. Ils contribuent de la même manière aux
instabilités longitudinales observées dans le propulseur.
Ces instabilités se traduisent par des oscillations de pression qui peuvent avoir différentes origines et se caractériser par l'excitation de 15 modes acoustiques de différentes natures (modes longitudinaux, tangentiels, radiaux ou de cavité). Les instabilités hydrodynamiques conduisent en général aux modes longitudinaux. Les autres modes sont
excités par d'autres phénomènes.
Les phénomènes d'oscillations de pression dans le moteur 20 conduisent à des oscillations de poussée. Celles-ci entraînent des charges
dynamiques sur la charge utile du lanceur qui peuvent lui être nuisibles.
Dans certains cas, il est possible de limiter le niveau des oscillations de
pression en intervenant sur la géométrie interne des moteurs.
Une première solution connue pour des propulseurs consiste à créer 25 une striction dans l'écoulement des gaz de combustion en réduisant la surface de passage des gaz au niveau d'un anneau disposé dans le propulseur. Cette striction a pour but de limiter ou bloquer la remontée des ondes acoustiques dans l'écoulement. Cependant, la présence de la striction dans l'écoulement entraîne un gradient de pression important 30 dans le propulseur, ce qui nécessite de renforcer la structure au niveau du fond avant du propulseur. Une telle modification conduit à une augmentation de la masse du propulseur qui, pour des moteurs de grandes dimensions, devient pénalisant. De plus, on a montré que ce type de contrôle d'un mode acoustique "basse fréquence" (fondamental) 5 pouvait s'accompagner de l'excitation de modes acoustiques supérieurs (deuxième et troisième modes acoustiques) induits par les sous-cavités
créées par le diaphragme.
Une autre solution connue consiste à optimiser la géométrie interne du moteur (forme du chargement et du canal, distance du bloc à la 10 tuyère, éléments de structure) grâce à des essais successifs en tenant
compte des contraintes générales du moteur.
Un premier exemple d'une telle solution est décrit dans la demande de brevet français FR 2 764 645 qui concerne les propulseurs incluant un chargement à propergol solide segmenté en deux blocs au moins pour 15 lesquels un profil de chargement à grande surface de combustion est requis sur une partie de l'extension longitudinale du moteur. La solution proposée dans ce document est de reculer le profil de chargement à grande surface, habituellement placé à l'avant du moteur, vers une partie intermédiaire du chargement. Cependant, cette solution présente 20 l'inconvénient de ne pas reposer sur un principe physique et nécessite de ce fait des essais pour sa mise au point et pour en valider l'efficacité, ce qui entraîne des cots et des temps de développement importants à chaque conception de moteur. Cette solution ne peut donc pas être appliquée à un moteur existant pour lequel on cherche à réduire le niveau 25 des oscillations de pression. De plus, elle se limite à un domaine restreint
de moteurs, à savoir les moteurs à chargement de propergol segmenté.
D'autre part, la technique employée risque de générer des oscillations de pression à des fréquences plus élevées que celles des premiers modes acoustiques longitudinaux qui sont nuisibles au bon fonctionnement du moteur. Enfin, ce type de solution dégrade l'indice constructif par la
nécessité d'augmenter la masse des protections thermiques internes.
Un second exemple décrit dans la demande de brevet russe RU 2 147 342 concerne les moteurs dans lesquels le chargement présente 5 une face extrême située à distance du fond arrière du moteur. Une manchette élastique entoure la périphérie du chargement au voisinage de la face extrême aval. Selon la technique préconisée dans ce document, la face extrême aval est écartée de la tuyère d'une distance allant de 4 à 16 fois l'épaisseur de propergol à brler, la manchette ayant un diamètre de 10 0.7 à 0.9 fois le diamètre maximal du chargement. Toutefois, de même que précédemment, cette solution est limitée à un type de moteurs spécifique, c'est à dire les moteurs dont le chargement ne remplit pas la vote arrière et présente une face extrême côté tuyère, une manchette étant disposée en périphérie de cette face. Dans certains cas, 15 l'éloignement optimum et le diamètre de la manchette sont à régler par
des essais. Dans tous les cas, l'éloignement requis entre le bloc de propergol et la tuyère entraîne un allongement de la structure qui doit être compatible avec les contraintes générales du moteur et, par conséquent, entraîne une dégradation des performances du fait d'une surcharge de 20 structure importante.
En résumé, les solutions antérieures sont limitées à des domaines d'application restreints et ne peuvent pas être mises en oeuvre sur des propulseurs existants. Elles ne s'intéressent qu'au contrôle des modes longitudinaux. De plus, elles peuvent entraîner l'apparition d'instabilités à 25 des fréquences élevées tout en dégradant inévitablement les indices
constructifs par adjonction de masses sur l'ensemble du moteur.
Objet et description succincte de l'invention
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un système de contrôle passif pour réduire les oscillations de 5 pression d'origine hydrodynamique dans un propulseur à propergol solide sans entraîner de modifications majeures sur le propulseur et sans en
altérer les performances.
Ces buts sont atteints grâce à un système de contrôle passif des oscillations de pression d'origine hydrodynamique dans un propulseur à 10 propergol solide comprenant un corps renfermant un chargement de propergol solide, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un insert disposé dans le corps du propulseur transversalement par rapport à un canal d'écoulement des gaz de combustion ménagé dans le chargement de propergol solide, ledit insert comprenant une ouverture de forme non 15 axisymétrique de manière à générer un effet tridimensionnel sur l'écoulement pour empêcher la formation de modes tourbillonnaires
axisymétriques dans le propulseur.
Par conséquent, avec le système de contrôle de l'invention, un insert présentant une ouverture de forme non axisymétrique est placé sur 20 le trajet du flux d'écoulement pour créer sur celui-ci un effet tridimensionnel qui va briser la symétrie du flux et ainsi empêcher la formation de tourbillons axisymétriques sources de l'instabilité que la
présente invention cherche à maîtriser.
L'effet tridimensionnel généré par l'insert peut être mis en oeuvre 25 pendant toute la durée du tir ou à partir d'un instant donné du tir. Dans ce dernier cas, l'ouverture non axisymétrique de l'insert est provisoirement masquée en début de tir pour apparaître ensuite dans l'écoulement à un
instant donné.
Selon une première réalisation, l'ouverture non axisymétrique de 30 l'insert peut être masquée au début du tir et jusqu'à un instant donné par une portion amont de chargement de propergol. Dans le cas d'un chargement de propergol monobloc, I'insert est alors disposé dans le bloc de propergol qui présente un diamètre initial de canal de flux qui s'inscrit dans l'ouverture non axisymétrique dudit insert. Ainsi, tant que la partie 5 amont du bloc n'est pas consommée, l'effet tridimensionnel de l'insert est inopérant. Dans le cas d'un propulseur renfermant plusieurs blocs de propergol
solide, l'insert à ouverture non axisymétrique est disposé en aval d'un bloc de propergol qui présente un diamètre initial de canai de flux qui s'inscrit 10 dans l'ouverture non axisymétrique dudit insert.
Selon un autre type de réalisation, l'apparition de l'ouverture non axisymétrique peut être programmée à un instant donné du tir au moyen
d'un insert à géométrie évolutive au cours du tir.
A cet effet, selon une première technique dite "à ablation 15 contrôlée", l'insert comprend une première portion constituée d'un premier
matériau et une seconde portion constituée d'un second matériau et délimitant l'ouverture non axisymétrique de l'insert, le second matériau ayant une vitesse d'ablation supérieure à celle du premier matériau.
Suivant une autre technique dite "à rupture mécanique contrôlée", l'insert 20 comprend une première portion et une seconde portion délimitant l'ouverture non axisymétrique de l'insert, la seconde portion présentant
une résistance mécanique plus faible que la première.
La présente invention propose une solution technique aux problèmes des oscillations de pression d'origine hydrodynamique qui peut 25 être adaptée dans tous moteurs à propergol solide, et ceci sans
modification importante de ses performances.
Dans le cas d'un propulseur ayant un chargement de propergol
monobloc, l'insert est noyé dans ce dernier.
Dans le cas d'un propulseur ayant un chargement de propergol 30 segmenté en deux blocs ou plus, l'insert peut être disposé entre deux blocs dans l'espace inter-segments. Lorsque le propulseur à chargement segmenté comprend un bloc dont la face supérieure est inhibée, l'insert peut être avantageusement placé sur la face supérieure dudit bloc afin de réaliser à la fois la fonction de protection thermique (inhibition du bloc) et la fonction de réduction des oscillations de pression. Selon une caractéristique de l'invention, l'ouverture de l'insert
présente une forme en étoile.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ouverture présente
une forme en créneaux.
L'invention a également pour objet un procédé de contrôle des oscillations de pression d'origine hydrodynamique dans un propulseur à propergol solide caractérisé en ce qu'on génère un effet tridimensionnel sur l'écoulement pour empêcher la formation de modes tourbillonnaires axisymétriques au moyen d'un insert disposé dans le propulseur 15 transversalement par rapport à la direction d'écoulement des gaz de combustion, ledit insert comprenant une ouverture de forme non axisymétrique. Selon des modes de réalisation particulier, l'ouverture non
axisymétrique de l'insert peut avoir une forme en étoile ou en créneaux.
L'effet tridimensionnel de l'insert sur l'écoulement peut être produit dès le début du tir ou à partir d'un instant donné du tir en mettant en oeuvre les moyens particuliers décrits ci-dessus en relation avec le
système de l'invention.
De même, diverses arrangements particuliers de l'insert dans le 25 propulseur en fonction de la configuration du chargement de propergol
sont possibles comme décrit ci-dessus pour le système selon l'invention.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de
la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins
annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de propulseur à propergol solide, - la figure 2 est une représentation des tourbillons axisymétriques 10 générés dans un propulseur à propergol solide, - la figure 3 est un schéma général d'un système en boucle fermée pouvant devenir instable, - la figure 4 est un schéma détaillé de la figure 3 montrant les mécanismes pouvant intervenir dans le système instable considéré dans la 15 présente invention, - la figure 5 est une vue de face d'un premier mode de réalisation d'un insert selon l'invention, - la figure 6 est une vue de face d'un deuxième mode de réalisation d'un insert selon l'invention, - les figures 7A et 7B sont des vues en perspectives montrant l'évolution de la géométrie au cours d'un tir d'un insert bi-composition conformément à un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 8 est une vue en coupe d'un propulseur à propergol solide équipé de l'insert de la figure 5 conformément à un mode de 25 réalisation de l'invention, - la figure 9A est une vue en demi-coupe axiale d'une partie d'un propulseur montrant un exemple d'arrangement, selon l'invention, d'un insert dans un propulseur à chargement de propergol monobloc, - la figure 9B est une vue en demicoupe axiale d'une partie d'un propulseur montrant un premier exemple d'arrangement, selon l'invention, d'un insert dans un propulseur à chargement de propergol segmenté, et - la figure 9C est une vue en demicoupe axiale d'une partie d'un 5 propulseur montrant un second exemple d'arrangement d'un insert, selon
l'invention, dans un propulseur à chargement de propergol segmenté.
Description détaillée de l'invention
La figure t représente un propulseur à propergol solide 1 qui comprend un corps 2 et deux fonds: un fond avant 4 et un fond arrière 9 en communication avec une tuyère 5 prolongée par un divergent 6 pour l'éjection des gaz de combustion. Le corps 2 du propulseur renferme un chargement de propergol solide 3 qui a été coulé, en un ou plusieurs 15 blocs, à l'intérieur du corps 2. La combustion du propergol solide est
initiée par un allumeur 7 disposé à l'extrémité avant du chargement de propergol solide. Un canal 8 s'étend longitudinalement dans le propulseur pour permettre la circulation du flux d'écoulement. La combustion du bloc de propergol s'établit dans tout le corps 2, de l'avant à l'arrière du 20 propulseur, y compris dans le canal 8.
La nature de l'écoulement dans la chambre de combustion est en général complexe. Au départ, l'écoulement est radial sur la surface du bloc de propergol en combustion pour devenir ensuite longitudinal dans le
canal de flux 8 avant d'interagir avec la tuyère de sortie 5.
Comme illustré à la figure 2, lors de la combustion, un flux d'écoulement 10 se crée d'amont en aval comme indiqué par la flèche E. Au cours de cette combustion, des éléments structurels du moteur ou des particularités du propergol agissent sur le flux d'écoulement et provoquent un phénomène de détachements tourbillonnaires. Des tourbillons 30 axisymétriques l1 sont alors engendrés dans le propulseur lorsque le flux s'écoule dans le canal. Ces tourbillons sont à l'origine d'oscillations de pression dans le moteur par le biais de mécanismes qui seront explicités
plus loin en relation avec la figure 4.
Ceci définit le type d'instabilité qui est considéré dans la présente 5 invention, à savoir les modes acoustiques longitudinaux excités par une instabilité hydrodynamique longitudinale de l'écoulement. Même si ce champ d'application peut sembler a priori restreint, notamment vis-à-vis des modes tangentiels, radiaux ou de cavité, il couvre cependant la majorité des problèmes d'instabilités rencontrés dans les gros propulseurs 10 à propergol solide tels que les boosters actuels d'Ariane 5, de la navette
spatiale américaine ou du lanceur Titan.
La présente invention résulte de l'analyse et de la compréhension
de la nature et du processus de l'instabilité.
La figure 3 représente le schéma de base d'un système pouvant 15 être instable. Un tel système peut être schématisé par une boucle fermée constituée d'un ou plusieurs mécanismes excitateurs 21 et d'un ou plusieurs mécanismes de contre-réaction 22. Si les mécanismes 21 et 22 interagissent de façon constructive, c'est-à-dire s'ils présentent des relations de phases adaptées et des amplitudes suffisantes, l'instabilité 20 s'auto-entretient (résonnance) et conduit à des niveaux oscillatoires qui peuvent être importants. La figure 4 correspond à une modélisation détaillée du système instable de la figure 3 décrite en termes de mécanismes physiques susceptibles d'intervenir pour le type d'instabilité considéré dans la présente invention, c'est-à-dire une instabilité 25 hydrodynamique longitudinale de l'écoulement. Les blocs 30 et 31
représentent les mécanismes de contre-réaction présents dans le cas d'un mode longitudinal. Ces mécanismes permettent le rebouclage dans le propulseur en faisant remonter les perturbations de l'aval vers l'amont.
Comme illustré dans les blocs 30 et 31 respectivement, la contre-réaction il peut être initiée par des ondes acoustiques (bloc 30) ou par des vibrations
transmises par la structure (bloc 31).
En ce qui concerne les mécanismes excitateurs, représentés par les blocs 41 à 49, qui sont à considérer dans le sens de l'écoulement E 5 d'amont en aval dans le moteur, on trouve tout d'abord les blocs 41 et 42
qui correspondent aux sources d'émission à l'origine de l'excitation. Ces sources sont formées par des détachements de tourbillons issus soit de la paroi du propergol (bloc 41), soit d'un obstacle inerte dans l'écoulement ou d'un angle de propergol (bloc 42). Ces différents types d'émissions 10 tourbillonnaires peuvent co-exister.
Les tourbillons générés vont ré-injecter de l'énergie dans les mécanismes de contre-réaction par l'intermédiaire d'interactions qui peuvent être de natures diverses. Ces interactions peuvent être des interactions entre des tourbillons et la combustion (bloc 43) qui conduisent 15 à un dégagement de chaleur instationnaire (bloc 48) source d'énergie acoustique (bloc 46), des interactions entre les tourbillons et la paroi du propulseur (bloc 44) qui sont aussi une source d'énergie acoustique (bloc 46), ou bien des interactions entre les tourbillons et la tuyère (bloc 45) qui sont à la fois sources d'énergie acoustique (bloc 46) et de poussée 20 instationnaire (bloc 49). Enfin, l'acoustique générée par l'ensemble des phénomènes peut aussi contribuer à ré-injecter de l'énergie dans la dynamique de la structure. Le champ acoustique génère également une
poussée instationnaire.
Une instabilité peut exister dans le propulseur sans qu'elle implique 25 l'ensemble des mécanismes physiques décrits ci-dessus. Il suffit qu'une boucle soit fermée par un des chemins proposés, avec des relations de phase et d'amplitude adéquates entre les différents mécanismes, pour
qu'une instabilité apparaisse.
Par conséquent, au vu de la modélisation du système d'instabilité 30 de la figure 4, on déduit que le contrôle de l'instabilité peut s'opérer de différentes façons. Plus précisément, trois principes d'actions sont possibles. Le premier consiste à "casser" la relation de phase constructive entre les mécanismes, comme par exemple en modifiant les modes propres mécaniques du propulseur si ce mécanisme intervient. Un second 5 principe peut être basé sur la limitation de l'amplitude d'un des mécanismes de la boucle en utilisant par exemple des dispositifs amortisseurs ou absorbants. Enfin, le troisième principe consiste à supprimer le ou les mécanismes excitateurs, en agissant sur la source de l'instabilité. Les principes de contrôle envisageables étant déterminés, le principe retenu selon l'invention permet de contrôler l'instabilité considérée tout en minimisant les modifications structurelles sur le propulseur et les risques d'apparition d'une autre instabilité. De plus, pour éviter toute altération des performances du moteur et pour des raisons de 15 fiabilité, le système de contrôle mis en oeuvre selon l'invention est formé à
partir d'éléments passifs.
Ainsi, si le contrôle de l'instabilité s'accompagne d'une modification du propulseur, l'impact doit être aussi limité que possible vis-à-vis de la fabrication du propulseur, d'une part, et des performances de celui-ci, 20 d'autre part. De plus, les moyens de contrôle mis en oeuvre ne doivent pas non plus conduire à l'apparition d'une autre instabilité qui serait plus préjudiciable pour le moteur que celle que l'on veut supprimer. On introduit ici l'idée de robustesse du principe de contrôle sélectionné dans la présente invention. Par exemple, un système de contrôle passif des 25 oscillations de pression sur le premier mode acoustique longitudinal des moteurs doit absolument éviter d'exciter les deuxième et troisième modes acoustiques du moteur en raison des problèmes de couplage avec les
éléments structuraux du moteur.
Aussi, en partant de l'analyse des figures 2, 3 et 4 et en tenant 30 compte des exigences décrites ci-dessus, le principe de contrôle selon l'invention a été sélectionné. Il consiste à "casser" la boucle d'instabilité en empêchant la création des modes tourbillonnaires axisymétriques, à savoir les détachements tourbillonnaires issus de la paroi du moteur, d'obstacles inertes dans l'écoulement ou d'un angle de propergol (blocs 41 et 42 de la 5 figure 4). On agit ici au niveau d'un élément incontournable dans la boucle d'instabilité. En effet, ces modes tourbillonnaires sont un point de passage
obligé quel que soit le chemin envisagé dans la boucle.
La solution de la présente invention consiste donc à insérer dans l'écoulement un dispositif de forme adaptée qui va créer un effet 10 tridimensionnel sur l'écoulement afin d'empêcher le développement du mode tourbillonnaire axisymétrique. Bien que le dispositif qui génère l'effet tridimensionnel peut être disposé n'importe o dans le moteur, il est de préférence placé près des zones du moteur o sont générés les tourbillons
qui sont à la source des instabilités.
Cet effet tridimensionnel peut être obtenu par interposition d'un insert dans l'écoulement comme illustré en figure 8 qui montre un propulseur 61 comprenant un corps 62 renfermant un chargement de propergol solide 63 dans lequel est disposé un insert 100 à ouverture non axisymétrique fixe 101. L'ouverture non axisymétrique 101 de l'insert 100 20 génère un effet tridimensionnel sur l'écoulement E qui va briser la cohérence du mode tourbillonnaire axisymétrique impliqué dans l'instabilité. L'insert selon l'invention peut présenter différentes formes d'ouverture. La figure 5 montre un premier mode de réalisation d'un insert 25 100 selon l'invention. L'insert 100 présente une ouverture 101 ménagée
en forme d'étoile 102. La figure 6 illustre un second exemple de réalisation d'un insert 200 dont l'ouverture 201 présente une forme en créneaux 202.
Ainsi, les parties saillantes présentes dans les ouvertures 101 et 201 vont
perturber la symétrie de l'écoulement.
Ces deux exemples d'inserts ne sont pas exhaustifs des formes d'ouvertures qui peuvent être ménagées dans l'insert selon l'invention. De manière plus générale, tout insert comprenant une ouverture de forme non axisymétrique est susceptible de créer un effet tridimensionnel sur 5 l'écoulement pour briser la symétrie de celui-ci et prévenir toute formation de tourbillons axisymétriques. Le choix de la géométrie non axisymétrique de l'ouverture dépendra du degré d'efficacité de l'effet tridimensionnel que
l'on souhaite obtenir sur l'écoulement ainsi que de la technologie retenue.
L'effet tridimensionnel généré par l'insert peut être mis en ceuvre 10 pendant toute la durée du tir ou à partir d'un instant donné du tir.
Dans le premier cas, l'ouverture non axisymétrique de l'insert est présente dans le canal d'écoulement dès le début du tir. L'insert peut alors
être constitué d'un matériau composite rigidimère.
Dans le second cas, l'effet tridimensionnel n'est pas généré dès le 15 début du tir. On observe en effet, dans de nombreux cas, que les oscillations de pression n'apparaissent qu'à partir d'un instant donné au cours du fonctionnement du moteur. Par conséquent, il peut être mis en oeuvre des inserts dont l'effet tridimensionnel ne serait opérationnel qu'à partir d'un instant déterminé après le début du tir, lorsque l'instabilité 20 observée est susceptible d'apparaître. L'effet persiste ensuite jusqu'à la fin du tir ou au moins sur une période correspondant à la plage d'apparition des instabilités. La présente invention propose plusieurs solutions techniques pour masquer provisoirement l'ouverture non axisymétrique de l'insert en début de tir afin d'inhiber provisoirement l'effet tridimensionnel. 25 Une première solution consiste à utiliser une portion (chargement de propergol monobloc) ou un bloc (chargement de propergol segmenté en plusieurs blocs) de propergol en amont de l'insert dans le propulseur, la portion ou le bloc en amont définissant un canal de flux d'écoulement dont le diamètre initial s'inscrit totalement dans l'ouverture de l'insert à 30 effet tridimensionnel. Ainsi, au début de la combustion, l'effet
tridimensionnel de l'insert disposé en aval est inopérant. En effet, le diamètre initial du canal de flux du bloc de propergol masque la géométrie non axisymétrique de l'ouverture de l'insert. Après un certain temps de combustion, le bloc régresse radialement en faisant apparaître 5 progressivement la géométrie non axisymétrique de l'ouverture de l'insert.
L'effet tridimensionnel se déclenche alors et commence à influencer l'écoulement. Selon une autre solution, l'ouverture non axisymétrique de l'insert peut être provisoirement masquée en début de tir grâce à un insert à 10 géométrie évolutive. Plus précisément, selon l'invention, l'insert présente en début de tir une forme axisymétrique, puis, à un instant déterminé, révèle une ouverture non axisymétrique par évolution de sa géométrie en cours de tir. A cet effet, un premier exemple de réalisation selon la présente invention consiste à fabriquer un insert bi-composition à ablation 15 ou érosion maîtrisée. Les figures 7A et 7B illustrent le fonctionnement d'un tel insert. La figure 7A montre un insert 300 dans sa configuration géométrique initiale adaptée pour le début du tir. L'insert 300 est formé d'un disque 301 qui comprend deux portions 302 et 303 constituées de matériaux différents (bi-composition). Dans cette configuration, l'insert 20 300 présente une ouverture 304 circulaire (Le. axisymétrique) pour permettre le passage du flux d'écoulement sans effet tridimensionnel. La portion 303 (ici en traits discontinus) du disque est formée en un matériau dit à "ablation" (i.e. à destruction progressive par décomposition, fusion, érosion, sublimation ou vaporisation). Ainsi, le matériau constitutif de la 25 portion 303 va être consommé, par érosion chimique avec les gaz de combustion par exemple, plus rapidement que le matériau constituant la portion 302 au cours du tir pour donner à l'insert une nouvelle géométrie telle qu'illustrée à la figure 7B. Sur cette figure, l'insert 300 ne comprend plus que la portion 302, la portion 303 ayant été totalement consommée. 30 A ce moment, le disque 301 présente alors une ouverture 305 dont la forme, ici une étoile à cinq branches, va produire l'effet tridimensionnel sur l'écoulement afin d'empêcher la formation du mode tourbillonnaire axisymétrique. Le matériau constitutif de la portion 303 est sélectionné en fonction de sa vitesse d'ablation pour que l'apparition de l'ouverture 305 5 concide avec le moment o l'effet tridimensionnel doit être mis en oeuvre,
c'est-à-dire au moment de l'apparition de l'instabilité liée aux modes tourbillonnaires axisymétriques. De même que pour les inserts à ouverture fixe décrits plus haut, les formes envisageables pour la portion 303 donnant l'ouverture 305 peuvent être variées à la condition qu'elles soient 10 non axisymétriques.
Encore selon le principe de géométrie évolutive de l'insert en cours de tir, l'apparition de l'ouverture axisymétrique peut être obtenue en cours de tir au moyen d'un insert à rupture mécanique contrôlée. Pour cela, la portion de l'insert, comme la portion 303 de la figure 7A, qui doit être 15 enlevée en cours de tir pour faire apparaître l'ouverture non axisymétrique, présentera une épaisseur réduite par rapport au reste de l'insert. De la même façon, le détachement de la portion 303 peut être facilité par un affaiblissement de structure, tel qu'un poinçonnage, réalisé
le long de la frontière de la portion avec le reste de l'insert.
Le matériau à vitesse d'ablation élevée utilisé pour former des portions consommables dans l'insert, comme la portion 303 de la figure
7A, peut être par exemple un matériau du type composite élastomère.
Pour les inserts ou les portions de celui-ci qui doivent résister plus
longtemps, un matériau du type composite rigidimère thermostructural ou 25 élastomère renforcé peut être utilisé.
La présente invention propose une solution technique qui peut être adaptée dans tous moteurs à propergol solide qui présentent des instabilités du domaine de l'invention, et ceci sans modification importante
de leurs performances.
Les figures 9A, 9B et 9C illustrent des exemples d'intégration du
dispositif de l'invention.
Sur la figure 9A, un propulseur 70 comprend un chargement de propergol constitué d'un seul bloc 71. Dans ce propulseur ayant un 5 chargement de propergol monobloc, un insert 72 est intégré dans le bloc 71. Dans ce cas, la géométrie de l'insert peut être fixe, c'est à dire présenter une ouverture non axisymétrique dès le départ, l'ouverture étant présente dans l'écoulement dès le début du tir ou apparaissant à partir d'un instant donné par la régression radiale du bloc de propergol. 10 Alternativement, l'effet tridimensionnel de l'insert peut être opérationnel seulement à partie d'un instant déterminé du tir par utilisation d'un insert à géométrie évolutive grâce à une ablation ou rupture mécanique
contrôlée comme décrite ci-dessus.
La figure 9B illustre le cas d'un propulseur 80 ayant un chargement 15 de propergol segmenté en au moins deux blocs 81 et 82. Dans ce type de propulseur, un insert 83 peut être disposé entre les deux blocs 81 et 82 dans l'espace inter-segments. La géométrie de l'insert 83 peut être fixe et éventuellement provisoirement masquée avant la régression radiale du bloc de propergol 81. Alternativement, l'effet tridimensionnel de l'insert 20 peut être opérationnel seulement à partir d'un instant donné par utilisation d'un insert à géométrie évolutive grâce à une ablation ou rupture
mécanique contrôlée comme décrite ci-dessus.
La figure 9C se rapporte à un propulseur 90 à chargement de propergol segmenté en plusieurs blocs 91 et 92 dont au moins un bloc (ici 25 bloc 92) est inhibé pour être protégé de la combustion. Le bloc inhibé 92 comprend alors une protection thermique frontale disposée sur la face avant de celui-ci. Conformément à une application avantageuse de l'invention, un insert 93 peut être placé sur la face supérieure dudit bloc à la place de la protection thermique afin de réaliser à la fois la fonction de 30 protection thermique (inhibition du bloc) et la fonction de réduction des oscillations de pression. Dans ce type d'application, on utilisera de préférence un insert à géométrie évolutive car, a priori, la forme du bloc inhibé est différente d'une forme non axisymétrique recherchée pour le
contrôle des oscillations de pression.
Ainsi, l'invention propose un système de contrôle passif relativement simple qui permet de garantir de façon fiable l'absence d'instabilités hydrodynamiques longitudinales dans l'écoulement. En effet, le système proposé présente une bonne robustesse puisqu'il agit directement sur la source de l'instabilité, à savoir les émissions 10 tourbillonnaires axisymétriques qui se créent dans les gros propulseurs à propergol solide. De plus, son application dans les moteurs existants est relativement aisée en raison des multiples techniques d'intégration de l'insert dans le chargement et des diverses possibilités de mise en oeuvre
de l'effet tridimensionnel proposées.
Claims (26)
1. Système de contrôle passif des oscillations de pression d'origine 5 hydrodynamique dans un propulseur (1) à propergol solide comprenant un corps (2) renfermant un chargement de propergol solide (3), caractérisé en qu'il comprend au moins un insert (100) disposé dans ledit corps du propulseur transversalement par rapport à un canal d'écoulement (8) des gaz de combustion ménagé dans le chargement de propergol solide, ledit 10 insert comprenant une ouverture (101) de forme non axisymétrique de manière à générer un effet tridimensionnel sur l'écoulement pour empêcher la formation de modes tourbillonnaires axisymétriques dans le propulseur.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ouverture non axisymétrique (101) de l'insert (100) est présente dans le canal d'écoulement (8) pendant toute la durée de combustion du
chargement de propergol solide (3).
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'insert
(100) est formé en un matériau composite rigidimère.
4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ouverture non axisymétrique de l'insert apparaît dans le canal 25 d'écoulement (8) à partir d'un instant prédéterminé de la combustion du
chargement de propergol solide (3).
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'insert comprend une ouverture dont la géométrie évolue entre une forme axisymétrique en début de combustion et une forme non axisymétrique à
partir d'un instant prédéterminé de la combustion.
6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'insert 5 (300) à géométrie évolutive comprend une première portion (302) constituée d'un premier matériau et une seconde portion (303) constituée d'un second matériau et délimitant l'ouverture non axisymétrique (305) de l'insert, ledit second matériau ayant une vitesse d'ablation supérieure à
celle du premier matériau.
7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'insert à
géométrie évolutive comprend une première portion et une seconde portion délimitant l'ouverture non axisymétrique de l'insert, ladite seconde portion présentant une résistance mécanique plus faible que ladite 15 première portion.
8. Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit insert est formé en un matériau composite élastomère ou en matériau
composite comprenant de l'élastomère et du rigidimère.
9. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une partie du chargement de propergol placée en amont de l'insert (100) à ouverture non axisymétrique présente un diamètre initial de canal de flux qui s'inscrit
dans l'ouverture non axisymétrique dudit insert.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce le corps du propulseur contient un seul bloc de propergol solide (71), l'insert (72) à ouverture non axisymétrique étant disposé à
l'intérieur dudit bloc.
11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce que le corps du propulseur contient un chargement de propergol segmenté en plusieurs blocs (81, 82), l'insert (83) à ouverture non axisymétrique étant disposé dans l'espace inter-segment ménagé entre deux blocs successifs.
12. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 4 à 9,
caractérisé en ce que le corps du propulseur contient un chargement de propergol segmenté en plusieurs blocs (91, 92) avec au moins un bloc 10 inhibé, l'insert (93) à ouverture non axisymétrique étant disposé sur la
face supérieure du bloc inhibé (92).
13. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,
caractérisé en ce que ladite ouverture (101) de l'insert présente une forme 15 d'étoile (102).
14. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,
caractérisé en ce que ladite ouverture (201) présente une forme en
créneaux (202).
15. Procédé de contrôle des oscillations de pression d'origine hydrodynamique dans un propulseur (1) à propergol solide caractérisé en ce qu'on génère un effet tridimensionnel sur l'écoulement pour empêcher la formation de modes tourbillonnaires axisymétriques au moyen d'un 25 insert (100) disposé dans le propulseur transversalement par rapport à un canal d'écoulement des gaz de combustion (8) ménagé dans le propulseur, ledit insert comprenant une ouverture de forme non
axisymétrique (101).
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce l'effet tridimensionnel sur l'écoulement est généré pendant toute la durée de
combustion du chargement de propergol solide (3).
17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce l'effet tridimensionnel sur l'écoulement est généré à partir d'un instant
prédéterminé de la combustion du chargement de propergol solide (3).
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'effet 10 tridimensionnel sur l'écoulement est généré à partir d'un instant prédéterminé au moyen d'un insert qui comprend une ouverture dont la géométrie évolue entre une forme axisymétrique en début de combustion et une forme non axisymétrique à un instant prédéterminé de la combustion.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'insert à géométrie évolutive comprend une première portion (302) constituée d'un premier matériau et une seconde portion (303) constituée d'un second matériau et délimitant l'ouverture non axisymétrique (305) de 20 l'insert, ledit second matériau ayant une vitesse d'ablation supérieure à
celle du premier matériau.
20. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'insert à géométrie évolutive comprend une première portion et une seconde 25 portion délimitant l'ouverture non axisymétrique de l'insert, ladite seconde portion présentant une résistance mécanique plus faible que ladite
première portion.
21. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce l'effet 30 tridimensionnel sur l'écoulement est généré à partir d'un instant prédéterminé de la combustion au moyen d'une partie du chargement de propergol placée en amont de l'insert (100) à ouverture non axisymétrique et qui présente un diamètre initial de canal de flux qui s'inscrit dans
l'ouverture non axisymétrique dudit insert.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 21,
caractérisé en ce le corps du propulseur contient un seul bloc de propergol solide (71), l'insert (72) à ouverture non axisymétrique étant disposé à
l'intérieur du bloc.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 21,
caractérisé en ce que le corps du propulseur contient un chargement de propergol segmenté en plusieurs blocs (81, 82), l'insert (83) à ouverture non axisymétrique étant disposé dans l'espace inter-segment ménagé 15 entre deux blocs successifs.
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 et 17 à
21, caractérisé en ce que le corps du propulseur contient un chargement de propergol segmenté en plusieurs blocs (91, 92) avec au moins un bloc 20 inhibé, l'insert (93) à ouverture non axisymétrique étant disposé sur la
face supérieure du bloc inhibé (92).
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 24,
caractérisé en ce que ladite ouverture (101) de l'insert présente une forme 25 d'étoile (102).
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 24,
caractérisé en ce que ladite ouverture (201) de l'insert présente une forme
en créneaux (202).
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