FR2882402A1 - Non stationarylateral force reducing method for jet nozzle, involves positioning circular body inside divergent section, so that shock wave is incident on section at axial incidence position, during starting phase of engine - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF ET PROCEDE POUR REDUIRE LES FORCES LATERALESDEVICE AND METHOD FOR REDUCING SIDE FORCES
NON STATIONNAIRES AGISSANT SUR UNE TUYERE D'UN MOTEUR DE FUSEE. NON STATIONARY ACTING ON A TUYERE OF A FUSEE ENGINE.
L'invention porte sur un dispositif et un procédé pour réduire 5 les forces latérales non stationnaires agissant sur une tuyère d'un moteur de fusée, particulièrement pendant la phase de démarrage ou allumage dudit moteur. The invention relates to a device and a method for reducing non-stationary lateral forces acting on a nozzle of a rocket motor, particularly during the starting or ignition phase of said engine.
La mise en oeuvre de l'invention permet en particulier de supprimer, ou de moins de limiter sensiblement, les forces latérales non-stationnaires qui se produisent dans la tuyère d'un moteur de fusée lors de l'allumage de ce dernier à cause de l'effet connu comme séparation de jet, ou décollement de la couche limite, ou séparation par recirculation interne dans le jet. In particular, the implementation of the invention makes it possible to eliminate, or less substantially limit, the non-stationary lateral forces that occur in the nozzle of a rocket engine when it is ignited because of the effect known as jet separation, or delamination of the boundary layer, or separation by internal recirculation in the jet.
Il est connu que la poussée d'un moteur de fusée dépend de son débit massique, de la pression d'arrêt ps dans la chambre de combustion, du rapport de détente de la tuyère, c'est à dire du rapport ps / pe entre la pression d'arrêt ps et la pression statique d'éjection des gaz à la sortie de la tuyère pe, et dépend de la pression ambiante pa. Cette poussée est maximale, pour des conditions de fonctionnement données de la chambre, lorsque les deux valeurs de pression pe et pa sont égales (la tuyère est alors dite adaptée). Il est également connu que les moteurs de fusée sont normalement conçus pour atteindre la condition d'adaptation pe=pa à une altitude supérieure à celle de lancement, par exemple de l'ordre de 10.000 m et que, par conséquent, à faible altitude on a pe< pa (condition de fonctionnement de la tuyère en surdétente). Si la pression statique d'éjection des gaz à la sortie de la tuyère pe, est nettement inférieure à la pression ambiante pa (par exemple inférieure à 0,2 pa) une séparation de jet se produit à l'intérieur du divergent de la tuyère. Deux types de séparation sont connus: la séparation par onde de choc libre et la séparation par recirculation interne dans le jet. It is known that the thrust of a rocket engine depends on its mass flow rate, the stop pressure ps in the combustion chamber, the expansion ratio of the nozzle, that is to say the ps / pe ratio between the stop pressure ps and the static gas ejection pressure at the outlet of the nozzle pe, and depends on the ambient pressure pa. This thrust is maximum, for given operating conditions of the chamber, when the two pressure values pe and pa are equal (the nozzle is then said to be adapted). It is also known that rocket engines are normally designed to achieve the adaptation condition pe = pa at an altitude greater than that of launch, for example of the order of 10,000 m and that, therefore, at low altitude a pe <pa (operating condition of the nozzle in overdrive). If the static gas ejection pressure at the exit of the nozzle pe is significantly lower than the ambient pressure pa (for example less than 0.2 Pa) a jet separation occurs inside the divergent nozzle . Two types of separation are known: free shock wave separation and internal recirculation separation in the jet.
Pour certaines géométries de tuyère et/ou dans certaines conditions de rapport de détente la couche limite de l'écoulement supersonique de gaz se sépare de la paroi du divergent de la tuyère, dans un mode de séparation appelé mode de séparation par onde de choc libre, et le jet est comprimé par une onde de choc oblique et une force latérale s'applique localement en tout point de la paroi dudit divergent en aval du point de séparation. Cette force latérale est créée par la différence de pression entre la paroi extérieure du divergent sur laquelle s'applique la pression atmosphérique et la paroi interne du divergent sur laquelle s'applique la pression statique locale du jet. Si la séparation de jet se produisait de manière parfaitement symétrique et stable sur toute la circonférence de la tuyère et à une position axiale déterminée, la pression statique locale du jet serait uniforme sur la circonférence de la tuyère et la résultante de ces forces latérales serait nulle. En réalité, la ligne de séparation de jet présente une forme irrégulière et fortement instationnaire. Il s'ensuit qu'à chaque instant la séparation de jet induit une force résultante non-nulle, qui peut présenter un moment considérable par rapport au col de la tuyère, à l'endroit ou le moment d'inertie structurel du moteur est le plus faible. On comprend facilement que la situation la plus critique se produit lorsque la séparation de jet a lieu majoritairement sur un seul côté de la tuyère et à proximité de sa section de sortie. Pour d'autres géométries de tuyère, ou avec d'autres conditions de rapport de détente pour la même tuyère, un mode de séparation différent peut se produire, qui est appelé mode de séparation par recirculation interne dans le jet, et qui génère aussi des forces latérales instationnaires néfastes. Dans ce mode de séparation, comme dans le précédent, la couche limite de l'écoulement supersonique de gaz se sépare de la paroi du divergent de la tuyère, mais en raison du niveau des pressions en aval l'écoulement se recolle immédiatement sur la paroi du divergent, formant ainsi un bulbe de séparation toroïdal,, Ce bulbe de séparation toroïdal est piloté en position par un choc qui est créé au centre de l'écoulement par une large recirculation de gaz qui bouge de façon aléatoire, entrainant de façon aléatoire la position du choc central et la position du bulbe de séparation toroïdal. En aval du bulbe de séparation toroïdal, le jet supersonique reste attaché à la paroi, mais il est comprimé par une onde de choc oblique dont l'intensité varie avec le nombre de Mach de l'écoulement incident, et donc avec la position du bulbe de séparation toroïdal. Il en résulte que les pressions statiques à la paroi en aval du bulbe de séparation toroïdal varient de façon aléatoire. Comme dans le cas de la séparation par onde de choc libre, une force latérale s'applique localement en tout point de la paroi dudit divergent en aval du point de séparation. Cette force latérale est créée par la différence de pression entre la paroi extérieure du divergent sur laquelle s'applique la pression atmosphérique et la paroi interne du divergent sur laquelle s'applique la pression statique locale du jet. Si le bulbe de séparation toroïdal se produisait de manière parfaitement syrnétrique, coaxial avec la tuyère, stable en fonction du temps sur toute la circonférence de la tuyère et à une position axiale déterminée, la recompression due au choc qu'il génère serait uniforme et la pression statique locale du jet en aval serait uniforme sur la circonférence de la tuyère et la résultante de ces forces latérales serait nulle. En réalité, pour les raisons exposées plus haut, la ligne de séparation du bulbe de séparation toroïdal présente une forme irrégulière et fortement instationnaire. Il s'ensuit qu'à chaque instant la séparation par recirculation interne de jet induit une force résultante non-nulle, qui peut présenter un moment considérable par rapport au col de la tuyère, à l'endroit ou le moment d'inertie structurel du moteur est le plus faible. On comprend facilement que la situation la plus critique se produit lorsque la séparation par recirculation interne de jet a lieu majoritairement dans une moitié selon une coupe verticale de la tuyère et à proximité de sa section de sortie. For certain nozzle geometries and / or under certain expansion ratio conditions the boundary layer of the supersonic gas flow separates from the divergent wall of the nozzle, in a separation mode called free shock wave separation mode. , and the jet is compressed by an oblique shock wave and a lateral force is applied locally at any point of the wall of said divergent downstream of the separation point. This lateral force is created by the pressure difference between the outer wall of the divergent on which the atmospheric pressure is applied and the inner wall of the divergent on which the local static pressure of the jet is applied. If the jet separation is perfectly symmetrical and stable over the entire circumference of the nozzle and at a determined axial position, the local static pressure of the jet would be uniform over the circumference of the nozzle and the resultant of these lateral forces would be zero. . In reality, the jet separation line has an irregular and highly unsteady shape. It follows that at each instant the jet separation induces a resultant non-zero force, which may present a considerable moment with respect to the throat of the nozzle, at the place where the moment of structural inertia of the engine is the weaker. It is easily understood that the most critical situation occurs when the jet separation takes place mainly on one side of the nozzle and near its outlet section. For other nozzle geometries, or with other expansion ratio conditions for the same nozzle, a different separation mode may occur, which is referred to as the internal recirculation separation mode in the jet, and which also generates unsteady side forces. In this mode of separation, as in the previous one, the boundary layer of the supersonic flow of gas separates from the wall of the divergent nozzle, but because of the level of the pressures downstream the flow is immediately recollected on the wall. The toroidal separation bulb is controlled in position by a shock which is created in the center of the flow by a large recirculation of gas which moves randomly, resulting randomly in the formation of a toroidal separation bulb. position of the central shock and the position of the toroidal separation bulb. Downstream of the toroidal separation bulb, the supersonic jet remains attached to the wall, but is compressed by an oblique shock wave whose intensity varies with the Mach number of the incident flow, and therefore with the position of the bulb. toroidal separation. As a result, the static pressures at the wall downstream of the toroidal separation bulb vary randomly. As in the case of the free shock wave separation, a lateral force applies locally at any point of the wall of said divergent downstream of the separation point. This lateral force is created by the pressure difference between the outer wall of the divergent on which the atmospheric pressure is applied and the inner wall of the divergent on which the local static pressure of the jet is applied. If the toroidal separation bulb were produced perfectly symmetrically, coaxial with the nozzle, stable with time over the entire circumference of the nozzle and at a given axial position, the recompression due to the shock it generates would be uniform and the The local static pressure of the downstream jet would be uniform over the circumference of the nozzle and the resultant of these lateral forces would be zero. In fact, for the reasons explained above, the separation line of the toroidal separation bulb has an irregular and highly unsteady shape. It follows that at each instant the internal jet recirculation separation induces a non-zero resultant force, which may present a considerable moment with respect to the neck of the nozzle, at the place where the moment of structural inertia of the nozzle engine is the weakest. It is easily understood that the most critical situation occurs when internal jet recirculation separation takes place mostly in one half in a vertical section of the nozzle and near its outlet section.
La nécessité de maintenir les forces non-stationnaires induites par la séparation de jet à un niveau acceptable oblige à limiter la valeur du rapport de détente ps /pe en dessous de sa valeur optimale et à surdimensionner la structure de la tuyère, ce qui réduit les performances globales du moteur et son rapport poussée-poids. Malgré ces précautions, les forces non-stationnaires provoqués par la séparation de jet déterminent des vibrations importantes qui peuvent endommager la tuyère et même conduire à sa rupture si au cours du temps la répartition de pression aléatoire dans le divergent prend une valeur trop défavorable. The need to maintain the non-stationary forces induced by the jet separation to an acceptable level makes it necessary to limit the value of the ps / pe expansion ratio below its optimum value and to oversize the structure of the nozzle, which reduces the overall engine performance and thrust-to-weight ratio. Despite these precautions, the non-stationary forces caused by the jet separation determine significant vibrations that can damage the nozzle and even lead to its rupture if over time the random pressure distribution in the divergent takes a too unfavorable value.
Une analyse approfondie des phénomènes de séparation du jet dans les tuyères des moteurs de fusée et des forces latérales non-stationnaires qui en résultent est effectuée dans l'article de G. Hagemann, M. Terhardt, M. Frey, P. Reijasse, M. Onofri, F. Nasuti et J. âstlund, Flow Separation and Side-Loads in Rocket Nozzles , présenté au 4e Symposium International sur la Propulsion Spatiale Liquide (4th International Symposium on Liquid Space Propulsion), Lampoldshausen, Allemagne, 13 - 15 Mars 2000. An in-depth analysis of the jet separation phenomena in the rocket engine nozzles and the resulting non-stationary lateral forces is carried out in the article by G. Hagemann, M. Terhardt, M. Frey, P. Reijasse, M. Onofri, F. Nasuti and J. Stlund, Flow Separation and Side-Loads in Rocket Nozzles, presented at the 4th International Symposium on Liquid Space Propulsion (4th International Symposium on Liquid Space Propulsion), Lampoldshausen, Germany, 13 - 15 March 2000 .
Des nombreux dispositifs ont été proposés pour contrôler la séparation du jet à l'intérieur d'une tuyère de moteur de fusée afin de limiter lesdites forces latérales non-stationnaires. En particulier; Le document US 6.572.030 divulgue l'utilisation d'une structure annulaire largable, s'étendant dans une direction radiale, destinée à être placée autour de la section de sortie de la tuyère. Cette structure induit la formation d'une zone de basse pression à proximité de ladite section de sortie, ce qui réduit la séparation de jet à l'intérieur de la tuyère. Numerous devices have been proposed to control the separation of the jet inside a rocket engine nozzle in order to limit said non-stationary lateral forces. In particular; US 6,572,030 discloses the use of a releasable annular structure, extending in a radial direction, to be placed around the outlet section of the nozzle. This structure induces the formation of a low pressure zone near said outlet section, which reduces jet separation within the nozzle.
Le document US 5.894.723 divulgue l'utilisation d'inserts éjectables placés à l'intérieur de la tuyère. L'éjection desdits inserts permet d'augmenter au cours de l'ascension le rapport entre l'aire de la section de sortie de la tuyère et celle de son col, de manière à permettre le fonctionnement du moteur dans des conditions proches de l'adaptation pendant toute la phase d'ascension de la fusée. US 5,894,723 discloses the use of ejectable inserts placed inside the nozzle. The ejection of said inserts makes it possible to increase during the ascent the ratio between the area of the outlet section of the nozzle and that of its neck, so as to allow the operation of the engine in conditions close to the adaptation throughout the climbing phase of the rocket.
Le document US 5.490.629 divulgue l'utilisation d'un diffuseur éjectable, connecté à la section de sortie de la tuyère et présentant un rétrécissement pour re-comprimer les gaz et empêcher ainsi la séparation du jet lors de la première partie de la trajectoire de la fusée. US 5,490,629 discloses the use of an ejectable diffuser, connected to the outlet section of the nozzle and having a constriction to re-compress the gases and thus prevent separation of the jet during the first part of the trajectory rocket.
Le document US 5.481.870 divulgue l'utilisation d'un obstacle annulaire largable, connecté à la section de sortie de la tuyère et l'obstruant partiellement de manière à induire une séparation de jet stable. US 5,481,870 discloses the use of a releasable annular obstacle, connected to the outlet section of the nozzle and partially obstructing it so as to induce a stable jet separation.
Le document US 5.450.720 divulgue l'utilisation d'encoches longitudinales dans la partie d'extrémité aval de la tuyère pour induire une 30 séparation de jet stable. US 5,450,720 discloses the use of longitudinal notches in the downstream end portion of the nozzle to induce stable jet separation.
Tous ces documents divulguent des solutions au problème d'éliminer ou de limiter les forces latérales non-stationnaires qui se produisent dans la tuyère d'un moteur de fusée lors de la première partie de sa phase d'ascension, du décollage jusqu'à l'altitude à laquelle la condition d'adaptation est atteinte. Cependant, aucun des dispositifs qui y sont décrits ne permet de limiter l'apparition de forces latérales nonstationnaires alors que la pression d'arrêt dans la chambre de combustion du moteur n'a pas encore atteint sa valeur nominale, c'est à dire avant même le décollage de la fusée, lors de la phase de démarrage du moteur. Pendant cette phase, dont la durée est de l'ordre de la seconde ou légèrement inférieure, la pression d'arrêt ps des gaz dans la chambre de combustion augmente rapidement du niveau atmosphérique à une valeur maximale et, par conséquent, la position moyenne de la ligne de séparation de jet se déplace vers la section de sortie de la tuyère, rendant inopérants les moyens de contrôle connus de l'art antérieur dont la définition géométrique est fixe par rapport à la tuyère. En outre, ces documents proposent l'utilisation de dispositifs qui sont solidaires de la tuyère pendant au moins une partie de la phase d'ascension de la fusée, et qui en augmentent par conséquent la masse, ce qui est contraire à l'un des objectifs du contrôle de la séparation de jet, qui est d'alléger la tuyère grâce à la réduction des efforts auxquels elle est soumise. All of these documents disclose solutions to the problem of eliminating or limiting the non-stationary lateral forces that occur in the nozzle of a rocket engine during the first part of its ascent phase, from takeoff to landing. altitude at which the adaptation condition is reached. However, none of the devices described therein makes it possible to limit the appearance of nonstationary lateral forces while the stop pressure in the combustion chamber of the engine has not yet reached its nominal value, that is to say before even the launch of the rocket, during the starting phase of the engine. During this phase, whose duration is of the order of one second or slightly lower, the stopping pressure ps of the gases in the combustion chamber increases rapidly from the atmospheric level to a maximum value and, consequently, the average position of the jet separation line moves towards the outlet section of the nozzle, rendering inoperative the control means known from the prior art whose geometric definition is fixed relative to the nozzle. In addition, these documents propose the use of devices which are integral with the nozzle during at least part of the rocket's ascent phase, and which therefore increase the mass, which is contrary to one of the Jet separation control objectives, which is to lighten the nozzle through the reduction of the efforts to which it is subjected.
Le seul document connu de l'art antérieur qui présente une solution au problème de limiter les forces latérales non-stationnaires pendant la phase de démarrage du moteur sans alourdir la tuyère est le document FR 2 791 398, qui divulgue un système de stabilisation de la séparation de jet comportant un dispositif externe au moteur, solidaire d'une installation au sol, constitué par un ensemble de tubes d'injection dirigeant des jets de fluide à contre-courant à l'intérieur de la tuyère vers des points d'impact sur la paroi de celle-ci. Une région de séparation de jet se produit à partir de chaque point d'impact et s'étend vers la section de sortie de la tuyère selon une configuration conique. Un tel système réduit globalement les forces latérales non-stationnaires dans la tuyère et présente l'avantage d'être porté par une installation au sol et non par la fusée elle-même, mais il n'est pas entièrement satisfaisant car il ne permet pas de stabiliser efficacement la séparation de jet pendant toute la phase de démarrage du moteur puisque les jets dirigés à contre- courant impactent la tuyère en des positions fixes et non dépendantes de la pression dans la chambre de combustion. En outre, comme le montre la figure 1 du document FR 2 791 398, les lignes de séparation de jet qui partent de chaque point d'impact coupent le bord de la section de sortie de la tuyère. The only known document of the prior art which presents a solution to the problem of limiting the non-stationary lateral forces during the starting phase of the engine without making the nozzle heavier is the document FR 2 791 398, which discloses a system for stabilizing the engine. jet separation comprising a device external to the engine, integral with a ground installation, constituted by a set of injection tubes directing countercurrent fluid jets inside the nozzle towards points of impact on the wall of it. A jet separation region occurs from each point of impact and extends to the outlet section of the nozzle in a conical configuration. Such a system generally reduces the non-stationary lateral forces in the nozzle and has the advantage of being carried by a ground installation and not by the rocket itself, but it is not entirely satisfactory because it does not allow to effectively stabilize the jet separation during the entire engine start-up phase since the countercurrently directed jets impact the nozzle at fixed and non-pressure dependent positions in the combustion chamber. In addition, as shown in FIG. 1 of document FR 2 791 398, the jet separation lines starting from each point of impact intersect the edge of the exit section of the nozzle.
Or, ces lignes ont une position stable en correspondance du point d'impact du jet de fluide à contre-courant qui les déclenche, mais peuvent fluctuer en aval de ce point, ce qui induit des forces non- stationnaires résiduelles. Cela est d'autant plus gênant que ces forces résiduelles s'appliquent en correspondance du bord de la section de sortie de la tuyère, c'est à dire à l'endroit où elles sont plus nuisibles, car leur moment par rapport au col de la tuyère est maximal. However, these lines have a stable position in correspondence of the point of impact of the jet of fluid against the current which triggers, but can fluctuate downstream of this point, which induces residual non-stationary forces. This is all the more troublesome as these residual forces apply correspondingly to the edge of the outlet section of the nozzle, that is to say where they are more harmful, because their moment relative to the neck of the nozzle. the nozzle is maximum.
Un objet de l'invention est d'obtenir un contrôle amélioré de la séparation de jet pendant la phase de démarrage d'un moteur de fusée, et de ce fait de réduire les forces non-stationnaires qui agissent sur le divergent de la tuyère. An object of the invention is to obtain improved control of the jet separation during the starting phase of a rocket engine, and thereby to reduce the non-stationary forces acting on the diverging nozzle.
Un autre objet de l'invention est d'obtenir un tel contrôle sans augmenter la masse de la tuyère ou de la fusee. Another object of the invention is to obtain such a control without increasing the mass of the nozzle or the rocket.
Un autre objet de l'invention est d'obtenir un tel contrôle à l'aide d'un dispositif plus simple et économique que les dispositifs connus de 20 l'art antérieur. Another object of the invention is to obtain such a control by means of a simpler and more economical device than the devices known from the prior art.
Encore un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé de contrôle de la séparation de jet pendant la phase de démarrage d'un moteur de fusée pouvant être utilisé conjointement avec un dispositif connu de l'art antérieur pour contrôler la séparation de jet pendant la phase d'ascension de la fusée, de manière à obtenir un tel contrôle pendant une grande partie de la période de fonctionnement du moteur dans l'atmosphère. Yet another object of the invention is to propose a device and a method for controlling the jet separation during the starting phase of a rocket engine that can be used together with a device known from the prior art to control the jet separation during the ascent phase of the rocket, so as to obtain such control for a large part of the operating period of the engine in the atmosphere.
Encore un autre objet de l'invention est de permettre, grâce à un contrôle amélioré de la séparation de jet, d'améliorer les performances globales d'un moteur de fusée en permettant d'alléger sa structure et d'augmenter son rapport de détente. Yet another object of the invention is to make it possible, by means of improved control of the jet separation, to improve the overall performance of a rocket engine by making it possible to lighten its structure and to increase its detent ratio. .
Au moins l'un de ces objets est atteint par un procédé pour réduire les forces latérales non stationnaires agissant sur une tuyère d'un moteur d'une fusée pendant une phase de démarrage dudit moteur, ledit moteur comprenant une chambre de combustion où des gaz de combustion sont générés, un divergent dans lequel se produit un écoulement supersonique desdits gaz de combustion et un col reliant ladite chambre de combustion audit divergent, caractérisé en ce qu'il comporte le positionnement d'un corps de forme arrondie à l'intérieur du divergent le long de son axe en correspondance d'une position axiale du corps de forme arrondie telle que, pendant au moins une partie de ladite phase de démarrage, une onde de choc, induite par la perturbation de l'écoulement des gaz de combustion provoquée par ledit corps de forme arrondie, soit incidente sur la paroi dudit divergent à une position axiale d'incidence où elle produit une séparation de jet ou une séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal. At least one of these objects is achieved by a method for reducing non-stationary lateral forces acting on a nozzle of a rocket motor during a starting phase of said engine, said engine comprising a combustion chamber where gases combustion are generated, a divergent in which a supersonic flow of said combustion gases occurs and a neck connecting said combustion chamber to said divergent, characterized in that it comprises the positioning of a rounded body in the interior of the diverging along its axis in correspondence of an axial position of the rounded body such that, during at least a portion of said starting phase, a shock wave, induced by the disturbance of the flue gas flow caused by said rounded body, is incident on the wall of said divergent at an axial position of incidence where it produces a jet separation or a separation in the form of a toroidal separation bulb.
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention: - Le procédé peut comporter également: préalablement au démarrage du moteur, l'insertion dudit corps de forme arrondie à l'intérieur du divergent le long de son axe, jusqu'à une première position axiale; et pendant la phase de démarrage, le déplacement dudit corps de forme arrondie le long de l'axe de la tuyère en fonction d'une valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion de telle manière que, pendant que la valeur de ladite pression d'arrêt des gaz de combustion varie au cours de ladite phase de démarrage, ladite onde de choc continue à être incidente sur la paroi du divergent à une position axiale où elle produit une séparation de jet ou une séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal. According to particular embodiments of the invention: the method may also comprise: prior to starting the engine, inserting said rounded body inside the divergent along its axis, to a first position axial; and during the start-up phase, moving said rounded body along the axis of the nozzle according to a value of the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber so that during that the value of said stop pressure of the combustion gases varies during said starting phase, said shock wave continues to be incident on the wall of the divergent at an axial position where it produces a jet separation or a separation in form of toroidal separation bulb.
- Le déplacement dudit corps de forme arrondie le long de l'axe de la tuyère en fonction d'une valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion peut être effectué de telle manière que ladite onde de choc soit incidente sur la paroi dudit divergent à une position axiale correspondant à la limite aval de la région dudit divergent où ne se produit pas une séparation spontanée de jet ou une séparation spontanée en forme de bulbe de séparation toroïdal sous l'action de la pression ambiante. The displacement of said rounded body along the axis of the nozzle as a function of a value of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber can be carried out in such a way that said shock wave is incident on the wall of said divergent at an axial position corresponding to the downstream limit of the region of said divergent where spontaneous jet separation or spontaneous separation in the form of a toroidal separation bulb does not occur under the action of ambient pressure.
- Le déplacement dudit corps de forme arrondie en fonction de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion peut suivre une consigne qui est déterminée à l'aide des étapes suivantes: choix d'une série de valeurs discrètes de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion, comprises entre la pression atmosphérique et une valeur maximale atteinte pendant la phase de démarrage; choix d'une série de valeurs discrètes de la position dudit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent, comprises entre la position du col et celle de la section de sortie dudit divergent; pour chaque couple desdites valeurs discrètes, détermination par le calcul ou par l'essai de la valeur de pression statique et du nombre de Mach le long de la paroi du divergent et détermination du point d'impact du choc sur la paroi de la tuyère; pour chaque couple desdites valeurs discrètes, détermination de la position axiale du point de séparation de jet ou du point de séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal à l'aide desdites valeurs de pression statique et du nombre de Mach de l'écoulement des gaz de combustion le long de la paroi du divergent; pour chacune desdites valeurs discrètes de la pression des gaz de combustion dans la chambre de combustion, détermination de la position dudit corps de forme arrondie la plus en aval, telle que la séparation de jet ou la séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal est provoquée par ladite onde de choc induite par la présence dudit corps de forme arrondie; ladite valeur la plus en aval étant retenue comme valeur de consigne de la position dudit corps de forme arrondie en correspondance de ladite valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion clans la chambre de combustion. - The displacement of said rounded body as a function of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber can follow a setpoint which is determined using the following steps: selection of a series of discrete values of the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber, between atmospheric pressure and a maximum value reached during the starting phase; selecting a series of discrete values of the position of said body of rounded shape along the axis of the divergent, between the position of the neck and that of the outlet section of said divergent; for each pair of said discrete values, determination by calculation or by testing of the static pressure value and the Mach number along the wall of the divergent and determination of the point of impact impact on the wall of the nozzle; for each pair of said discrete values, determining the axial position of the jet separation point or the toroidal separation bulb-shaped separation point using said static pressure values and the Mach number of the gas flow of combustion along the wall of the diverging; for each of said discrete values of the combustion gas pressure in the combustion chamber, determining the position of said most downstream round-shaped body such that the jet separation or the toroidal separation bulb-shaped separation is caused by said shock wave induced by the presence of said rounded body; said most downstream value being selected as the setpoint value of the position of said rounded body in correspondence of said value of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber.
- Le procédé peut comporter également une opération d'interpolation desdites valeurs de consigne de la position dudit corps de forme arrondie en correspondance desdites valeurs de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion de manière à déterminer une consigne de position sous une forme analytique. - The method may also comprise an interpolation operation of said setpoint values of the position of said rounded body in correspondence of said values of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber so as to determine a position command in an analytical form.
- Ladite position axiale du point de séparation spontanée de jet ou la séparation spontanée en forme de bulbe de séparation toroïdal sous l'action de la pression ambiante peut être déterminée à l'aide d'un critère empirique ou semi-empirique adapté. Said axial position of the spontaneous jet separation point or the spontaneous separation in the form of a toroidal separation bulb under the action of ambient pressure can be determined using a suitable empirical or semi-empirical criterion.
- Ledit corps de forme arrondie peut être déplacé de ladite position axiale vers la section de sortie du divergent pendant la phase de démarrage du moteur à fur et à mesure que la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion augmente. - Said rounded body can be moved from said axial position to the outlet section of the divergent during the starting phase of the engine as the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber increases.
- Ladite valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion peut être déterminée directement par une mesure de pression dans la chambre de combustion ou indirectement à partir d'une mesure de la pression d'arrêt desdits gaz de combustion en correspondance d'un sommet dudit corps de forme arrondie. Said value of the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber can be determined directly by a pressure measurement in the combustion chamber or indirectly by measuring the stopping pressure of said combustion gases. in correspondence of a vertex of said body of rounded shape.
Au moins l'un des objets précités est également atteint à l'aide d'un dispositif pour réduire les forces latérales non stationnaires agissant sur une tuyère d'un moteur d'une fusée pendant une phase de démarrage dudit moteur, ledit moteur comprenant une chambre de combustion où des gaz de combustion sont générés, un divergent dans lequel se produit un écoulement supersonique desdits gaz de combustion et un col reliant ladite chambre de combustion audit divergent, caractérisé en ce qu'il comporte: un corps de forme arrondie destiné à être positionné à 25 l'intérieur du divergent le long de son axe; et - un moyen pour positionner ledit corps de forme arrondie à l'intérieur du divergent en correspondance d'une position axiale du corps de forme arrondie telle que, pendant au moins une partie de ladite phase de démarrage, une onde de choc, induite par la perturbation de l'écoulement des gaz de combustion provoquée par ledit corps de forme arrondie, soit incidente sur la paroi dudit divergent à une position axiale d'incidence où elle produit io une séparation de jet ou une séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal. At least one of the aforementioned objects is also achieved by means of a device for reducing non-stationary lateral forces acting on a nozzle of a rocket motor during a starting phase of said engine, said engine comprising a combustion chamber where combustion gases are generated, a divergent in which a supersonic flow of said combustion gases occurs and a neck connecting said combustion chamber to said divergent, characterized in that it comprises: a rounded body for be positioned within the divergent along its axis; and means for positioning said rounded body within the divergent corresponding to an axial position of the rounded body such that, during at least a portion of said starting phase, a shock wave induced by the disturbance of the flue gas flow caused by said rounded body is incident on the wall of said divergent at an axial position of incidence where it produces a jet separation or a toroidal separation bulb-shaped separation .
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention: - Le dispositif peut comporter également un moyen pour déplacer ledit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent en fonction d'une valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion de telle manière que, pendant que la valeur de ladite pression d'arrêt des gaz de combustion varie au cours de ladite phase de démarrage, ladite onde de choc continue à être incidente sur la paroi du divergent à une position axiale où elle produit une séparation de jet ou une séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal. According to particular embodiments of the invention: the device may also comprise means for moving said rounded body along the axis of the divergent according to a value of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber such that, while the value of said stopping pressure of the combustion gases varies during said start-up phase, said shock wave continues to be incident on the wall of the divergent at an axial position where it produces a jet separation or toroidal separation bulb separation.
- Ledit moyen pour déplacer ledit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent peut comporter un actionneur pour déplacer ledit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent. - Said means for moving said rounded body along the axis of the divergent may include an actuator for moving said rounded body along the axis of the diverging.
- Le dispositif peut comporter également un contrôleur pour recevoir d'un premier capteur une information de valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion et commander ledit actionneur pour déplacer ledit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent en fonction de ladite information de valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion. The device may also comprise a controller for receiving from a first sensor information of value of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber and to command said actuator to move said rounded body along the combustion chamber. axis of the divergent according to said value information of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber.
- Ledit contrôleur peut être un contrôleur pour commander le déplacement dudit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent de la tuyère suivant une consigne de position déterminée à l'aide des étapes suivantes: choix d'une série de valeurs discrètes de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion, comprises entre la pression atmosphérique et une valeur maximale atteinte pendant la phase de démarrage; choix d'une série de valeurs discrètes de la position dudit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent, comprises entre la position du col et celle de la section de sortie dudit divergent; pour chaque couple desdites valeurs discrètes, détermination par le calcul ou par l'essai de la valeur de pression statique et du nombre de Mach le long de la paroi du divergent, et détermination du point d'impact du choc sur la paroi de la tuyère; pour chaque couple desdites valeurs discrètes, détermination de la position axiale du point de séparation de jet ou de séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal à l'aide desdites valeurs de pression statique et du nombre de Mach le long de la paroi du divergent; pour chacune desdites valeurs discrètes de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion, détermination de la position dudit corps de forme arrondie la plus en aval, telle que la séparation de jet ou la séparation en forme de bulbe de séparation toroïdal est provoquée par ladite onde de choc induite par la présence dudit corps de forme arrondie; ladite valeur la plus en aval étant retenue comme valeur de consigne de la position dudit corps de forme arrondie en correspondance de ladite valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion. - Said controller may be a controller for controlling the displacement of said rounded body along the axis of the divergent nozzle according to a position setpoint determined by the following steps: choosing a series of discrete values of the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber, between atmospheric pressure and a maximum value reached during the starting phase; selecting a series of discrete values of the position of said body of rounded shape along the axis of the divergent, between the position of the neck and that of the outlet section of said divergent; for each pair of said discrete values, determination by calculation or by testing of the static pressure value and the Mach number along the wall of the divergent, and determination of the point of impact impact on the wall of the nozzle ; for each pair of said discrete values, determining the axial position of the jet separation or separation point in the form of a toroidal separation bulb using said static pressure values and the Mach number along the divergent wall; for each of said discrete values of the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber, determining the position of said further downstream shaped body, such as the jet separation or the separation of the separation bulb toroidal is caused by said shock wave induced by the presence of said rounded body; said most downstream value being selected as the setpoint value of the position of said rounded body in correspondence of said value of the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber.
- Ladite consigne de position peut avoir une forme analytique, déterminée à l'aide d'une opération supplémentaire d'interpolation desdites valeurs de consigne de la position dudit corps de forme arrondie en correspondance desdites valeurs de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion. Said position instruction may have an analytical form, determined by means of an additional operation of interpolation of said setpoint values of the position of said rounded body in correspondence with said values of the combustion gas stop pressure. in the combustion chamber.
- Ladite position axiale du point de séparation spontanée de jet ou du point de séparation spontanée en forme de bulbe de séparation toroïdal sous l'action de la pression ambiante peut être déterminée à l'aide d'un critère empirique ou semi-empirique adapté. Said axial position of the spontaneous jet separation point or the spontaneous separation point in the form of a toroidal separation bulb under the action of the ambient pressure can be determined using a suitable empirical or semi-empirical criterion.
- Ledit contrôleur peut être un contrôleur pour commander le déplacement dudit corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent de la tuyère de ladite position axiale vers la section de sortie du divergent pendant la phase de démarrage du moteur à fur et à mesure que la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion augmente. Said controller may be a controller for controlling the displacement of said rounded body along the axis of the divergent nozzle from said axial position to the exit section of the divergent during the starting phase of the engine as it goes that the stopping pressure of the combustion gases in the combustion chamber increases.
- Le corps de forme arrondie peut présenter une surface concave ayant un sommet destiné à être orientée vers le col de la tuyère et un capteur de pression disposé en correspondance dudit sommet. - The rounded body may have a concave surface having a vertex to be oriented towards the throat of the nozzle and a pressure sensor disposed in correspondence of said apex.
- Ledit moyen pour déplacer le corps de forme arrondie le long de l'axe du divergent en fonction d'une valeur de la pression d'arrêt des gaz de combustion dans la chambre de combustion peut comporter un moyen d'application d'une force élastique s'opposant à l'expulsion dudit corps de forme arrondie dudit divergent par lesdits gaz de combustion. Said means for moving the round-shaped body along the axis of the divergent as a function of a value of the stop pressure of the combustion gases in the combustion chamber may comprise a means for applying a force elastic member opposing the expulsion of said rounded body of said divergent by said combustion gases.
- Ledit corps de forme arrondie peut présenter une symétrie axiale et a une surface arrondie destinée à être orientée vers le col 5 de la tuyère. - Said body of rounded shape may have axial symmetry and has a rounded surface intended to be oriented towards the neck 5 of the nozzle.
- Ledit corps de forme arrondie peut présenter une section transversale comprise entre 0,5 et 2 fois, et de préférence entre 0,8 et 1,5 fois, la section du col de la tuyère. - Said rounded body may have a cross section of between 0.5 and 2 times, and preferably between 0.8 and 1.5 times, the neck section of the nozzle.
Le dispositif peut comporter également un fusible mécanique permettant l'expulsion du corps de forme arrondie du divergent lorsqu'une force axiale exercée sur ledit corps dépasse un seuil prédéterminé. The device may also include a mechanical fuse for expelling the rounded body of the divergent when an axial force exerted on said body exceeds a predetermined threshold.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple, et qui montrent: - la figure 1, un dispositif de contrôle de séparation de jet selon l'invention disposé en configuration opérationnelle dans la tuyère d'un moteur de fusée qui présente un mode spontané de séparation par onde de choc libre; - la figure 2, un organigramme illustrant un procédé de 20 détermination d'une loi de contrôle du dispositif de la figure 1, permettant la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention; - la figure 3, le même dispositif de contrôle de séparation de jet selon l'invention disposé en configuration opérationnelle dans la tuyère d'un moteur de fusée qui présente un mode spontané de séparation par recirculation interne dans le jet; - la figure 4, le même dispositif de contrôle de séparation de jet selon l'invention auquel est ajoute un dispositif de protection contre les surcharges mécaniques; et - la figure 5, une version simplifiée du dispositif de contrôle de 30 séparation de jet selon l'invention qui fonctionne dans un domaine restreint de rapport de détente. Other features, details and advantages of the invention will become apparent on reading the description given with reference to the appended drawings, given by way of example, and which show: FIG. 1, a device for controlling separation of jet according to the invention disposed in operational configuration in the nozzle of a rocket engine which has a spontaneous mode of separation by free shock wave; FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for determining a control law of the device of FIG. 1, allowing the implementation of a method according to the invention; FIG. 3, the same jet separation control device according to the invention disposed in operational configuration in the nozzle of a rocket engine which has a spontaneous internal re-circulation separation mode in the jet; - Figure 4, the same jet separation control device according to the invention which is added a protective device against mechanical overload; and FIG. 5, a simplified version of the jet separation control device according to the invention which operates in a restricted range of expansion ratio.
Un moteur de fusée comporte une chambre de combustion 1 dans laquelle sont générés des gaz à haute température et haute pression (pression d'arrêt ps), et une tuyère comprenant: un convergent relié à ladite chambre de combustion 1, un col 2 dans lequel l'écoulement desdits gaz atteint des conditions transsoniques et un divergent 3 dans lequel ledit écoulement subit une expansion et une accélération à vitesse supersonique. La section de sortie 4 du divergent débouche à l'extérieur du moteur, dans un environnement où règne une pression externe pa, qui vaut environ 1 atmosphère à l'altitude du lancement et décroît pendant l'ascension de la fusée jusqu'à une valeur négligeable lorsque cette dernière quitte l'atmosphère terrestre. A rocket engine comprises a combustion chamber 1 in which gases are generated at high temperature and high pressure (stop pressure ps), and a nozzle comprising: a convergent connected to said combustion chamber 1, a neck 2 in which the flow of said gases reaches transonic and divergent conditions 3 wherein said flow expands and accelerates at supersonic velocity. The outlet section 4 of the divergent opens out of the engine, in an environment where there is an external pressure pa, which is about 1 atmosphere at the launch altitude and decreases during the ascent of the rocket to a value negligible when it leaves the Earth's atmosphere.
Dans la suite de la description:In the following description:
- x indique la distance entre un point quelconque du divergent 3 et le col 2, mesurée le long de l'axe de la tuyère; - A(x) est l'aire aérodynamique effective de la section de la tuyère à une distance x du col; l'aire aérodynamique est donnée par l'aire géométrique moins l'aire correspondante à l'épaisseur de déplacement de la couche limite; At=A(x=0) est l'aire aérodynamique effective de la section 20 du col 2; - Ae est l'aire aérodynamique effective de la section de sortie 4 du divergent 3; p(x) est la pression statique des gaz à la pression x; pe est la pression statique des gaz en correspondance de la section de sortie 4 du divergent3; on considère qu'à l'altitude de lancement la tuyère est en régime de surdétente, c'est à dire que la valeur de la pression ambiante (atmosphérique) pa est sensiblement supérieure à la valeur théorique que pe prendrait si le moteur opérait dans le vide; - M(x) est le nombre de Mach, égal au rapport entre la vitesse de l'écoulement et la célérité du son dans les gaz générés dans la chambre de combustion; et - y est l'exposant d'expansion isentropique desdits gaz. x indicates the distance between any point of the divergent 3 and the neck 2, measured along the axis of the nozzle; - A (x) is the effective aerodynamic area of the nozzle section at a distance x from the neck; the aerodynamic area is given by the geometric area minus the area corresponding to the displacement thickness of the boundary layer; At = A (x = 0) is the effective aerodynamic area of section 20 of collar 2; Ae is the effective aerodynamic area of the outlet section 4 of the divergent 3; p (x) is the static pressure of gases at pressure x; pe is the static pressure of the gases in correspondence of the outlet section 4 of the divergent3; it is considered that at the launch altitude the nozzle is in overdrive mode, that is to say that the value of the ambient (atmospheric) pressure pa is substantially greater than the theoretical value that pe would take if the engine was operating in the empty; - M (x) is the Mach number, equal to the ratio between the speed of the flow and the speed of sound in the gases generated in the combustion chamber; and y is the exponent of isentropic expansion of said gases.
Dans la zone d'écoulement supersonique isentropique, en amont de tout choc généré par un décollement ou par le corps de forme arrondie, les valeurs de A(x) et M(x) sont liées par la relation suivante: r+, y+l A(x) ( 2 v2(y') 1 (1+7 -1M2(xi 2(r-I) [1] Ai j+1y M(x). 2 Si, en première approximation, on considère que A(x) est connu et indépendant des conditions de l'écoulement, la relation [1] permet de calculer le nombre de Mach dans chaque point de la tuyère. La valeur de la pression p(x) dans la tuyère dépend du nombre de Mach et de la pression d'arrêt dans la chambre de combustion, ps: r p(x)=il+Y-1M2v,-r ps \ 2 i Les équations [1] et [2] expriment les caractéristiques de l'écoulement à l'intérieur de la tuyère dans toute la zone d'écoulement supersonique isentropique, non seulement pour un fonctionnement dans le vide, lorsque pa=0, mais également lorsque la tuyère fonctionnant en altitude est adaptée (pa=pe), ou même en régime de légère surdétente (pa>pe). Dans ce dernier cas, les gaz sont comprimés à la sortie de la tuyère par des ondes de choc provoquées par un décollement de la couche limite et les équations [1] et [2] ne suffisent pas pour déterminer la vitesse et la pression des gaz en aval de ces ondes de choc. C'est dans ces conditions de surdétente qui se produit l'effet de séparation du jet, comme décrit par l'article précité de G. Hagemann et al. Différents critères théoriques, empiriques ou semiempiriques ont été proposés pour déterminer la position x_sep à laquelle la séparation se produit. L'un des plus simples et plus utilisés est le critère de Schmucker: p(x sep) _ [1,88M(xsep)-11-0'64 [3] Pa où M(x) est donné par l'équation [1] et p(x) par l'équation [2] ; en effet, le point de séparation est situe à la limite aval de la zone isentropique, ce qui autorise à utiliser les relations (1) et (2) pour déterminer 10 [2] les paramètres p et M dans le critère (3). Pour x>x_sep la pression des gaz augmente et n'obéit plus à l'équation [2]. In the supersonic flow zone isentropic, upstream of any shock generated by a detachment or by the body of rounded shape, the values of A (x) and M (x) are linked by the following relation: r +, y + l A (x) (2 v2 (y ') 1 (1 + 7 -1M2 (xi 2 (rI) [1] Ai j + 1y M (x) 2 If, as a first approximation, we consider that A (x) is known and independent of the conditions of the flow, the relation [1] allows to calculate the Mach number in each point of the nozzle.The value of the pressure p (x) in the nozzle depends on the Mach number and the stop pressure in the combustion chamber, ps: rp (x) = il + Y-1M2v, -r ps \ 2 i Equations [1] and [2] express the characteristics of the flow inside the nozzle in the entire isentropic supersonic flow zone, not only for operation in a vacuum, when pa = 0, but also when the nozzle operating at altitude is adapted (pa = pe), or even in the regime of slight overdrive ( pa> pe) In the latter case, the gases are compressed at the exit of the nozzle by shock waves caused by delamination of the boundary layer and equations [1] and [2] are not sufficient to determine the speed and pressure of the gas downstream of these shock waves. It is under these conditions of overdrive that the separation effect of the jet occurs, as described by the aforementioned article by G. Hagemann et al. Various theoretical, empirical or semiempirical criteria have been proposed for determining the position x_sep at which the separation occurs. One of the simplest and most used is the Schmucker criterion: p (x sep) _ [1,88M (xsep) -11-0'64 [3] Pa where M (x) is given by the equation [ 1] and p (x) by equation [2]; in fact, the point of separation is situated at the downstream limit of the isentropic zone, which makes it possible to use the relations (1) and (2) to determine [2] the parameters p and M in criterion (3). For x> x_sep the gas pressure increases and no longer obeys equation [2].
Il faut garder à l'esprit que le critère exprimé par l'équation [3] ne donne qu'une estimation d'une position moyenne du point de séparation du jet qui, en réalité, fluctue dans le temps: dans la pratique on peut parler plutôt d'une région de séparation de jet centrée autour de la position x=x_sep. La NASA considère, par exemple, que pour les géométries de tuyères qu'elle a étudiées cette région s'étend généralement entre x_sep-20% et x_sep+20% : une telle estimation devrait fournir une fourchette suffisamment précise dans la plupart des cas, mais en fait une étude plus précise pourra avantageusement être effectuée pour chaque géométrie particulière de tuyère. It must be kept in mind that the criterion expressed by equation [3] gives only an estimate of an average position of the separation point of the jet which, in fact, fluctuates over time: in practice one can instead, speak of a jet separation region centered around the position x = x_sep. NASA considers, for example, that for the nozzle geometries it has studied this region generally ranges between x_sep-20% and x_sep + 20%: such an estimate should provide a sufficiently accurate range in most cases, but in fact a more precise study may advantageously be carried out for each particular nozzle geometry.
Bien entendu, il est également possible de simuler numériquement l'écoulement, au lieu de se baser sur des modèles analytiques. En outre, des modèles plus sophistiqués peuvent être utilisés, prenant en compte la viscosité des gaz, le caractère non-isentropique de l'écoulement, les propriétés de la couche limite, etc. En outre, il faut considérer que le mécanisme exact de génération des forces latérales non-stationnaires n'est pas encore entièrement compris (voir l'article précité de G. Hagemann et al.). Of course, it is also possible to numerically simulate the flow, instead of relying on analytical models. In addition, more sophisticated models can be used, taking into account the viscosity of the gases, the non-isentropic nature of the flow, the properties of the boundary layer, and so on. Moreover, it must be considered that the exact mechanism of generation of non-stationary lateral forces is not yet fully understood (see the aforementioned article by G. Hagemann et al.).
Jusqu'ici on a considéré le cas où ps est fixe et pa varie. En fait, lors du démarrage du moteur pa est fixe et ps augmente progressivement d'une valeur égale à pa jusqu'à une valeur de régime dans un intervalle de l'ordre d'une seconde. So far we have considered the case where ps is fixed and pa varies. In fact, when starting the motor pa is fixed and ps increases gradually from a value equal to pa up to a value of regime in an interval of the order of one second.
Initialement, ps = pa et aucun écoulement se produit. Ensuite, à l'augmenter de la pression ps dans la chambre de combustion 1, un écoulement se produit, d'abord en régime subsonique. A une certaine valeur de ps, une onde de choc apparaît au col 2 de la tuyère et M(x=0)=1; lorsque ps augmente encore, l'onde de choc se déplace dans le divergent 3 vers la section de sortie 4 et une séparation de jet se produit approximativement en correspondance de la position x_sep qui satisfait le critère [3] (ou tout autre critère adapté). A l'augmenter de ps, la région de séparation se déplace encore vers l'aval. Cela a deux conséquences: la surface sur laquelle s'appliquent les forces latérales non-stationnaires augmente, ce qui entraîne l'augmentation de l'intensité desdites forces, et le moment de la résultante de ces forces par rapport au col augmente aussi à cause du déplacement de son point d'application. C'est donc vers la fin de la phase de démarrage que les efforts auxquels est soumise la structure de la tuyère sont les plus importants. Initially, ps = pa and no flow occurs. Then, to increase the ps pressure in the combustion chamber 1, a flow occurs, first under subsonic regime. At a certain value of ps, a shock wave appears at the neck 2 of the nozzle and M (x = 0) = 1; when ps increases further, the shockwave moves in the divergent 3 to the outlet section 4 and a jet separation occurs approximately in correspondence of the position x_sep which satisfies the criterion [3] (or any other suitable criterion) . To increase it by ps, the separation region moves further downstream. This has two consequences: the area over which the non-stationary lateral forces are applied increases, resulting in the increase of the intensity of said forces, and the moment of the resultant of these forces with respect to the neck also increases because moving its point of application. It is therefore towards the end of the start-up phase that the forces to which the structure of the nozzle is subjected are the most important.
Normalement, c'est dans ces conditions que la pression d'arrêt maximale est atteinte; par la suite, après le décollage, ps reste constante et ps diminue au fur et à mesure que la fusée monte. Le régime d'adaptation est ainsi atteint, et ensuite celui de sousdétente (pe>pa) . Normally, it is under these conditions that the maximum stopping pressure is reached; thereafter, after take-off, ps remains constant and ps decreases as the rocket rises. The adaptation regime is thus reached, and then that of subdelegation (pe> pa).
La topologie de l'écoulement dans la tuyère en régime de surdétente peut présenter deux types de séparation au cours de la mise en route du moteur, la séparation par onde de choc libre et la séparation par recirculation interne dans le jet, aussi appelée séparation de jet par onde de choc restreinte (voir l'article précité de G. Hagemann et al.) .Toutefois, il convient de remarquer que lors de l'amorçage d'une tuyère en régime de surdétente, par exemple lors de la mise en route d'un moteur fusée, le rapport de détente augmente avec la pression dans la chambre de combustion ps,, et la configuration de choc qui apparaît en premier est la configuration la plus simple, avec une séparation par onde de choc libre et un décollement à la paroi tel que décrit ci-dessus. Il est donc possible de déterminer grâce à la méthode décrite ci-dessus, de moins de manière approchée, dans quelle région d'une tuyère déterminée se produit initialement la séparation de jet. The topology of nozzle flow in the overdrive regime can exhibit two types of separation during engine start-up, free-shock-wave separation and internal recirculation separation in the jet, also known as separation of the jet. jet with a limited shock wave (see the aforementioned article by G. Hagemann et al.). However, it should be noted that during the priming of a nozzle in the overdrive regime, for example during start-up of a rocket motor, the expansion ratio increases with the pressure in the combustion chamber ps ,, and the shock pattern that appears first is the simplest configuration, with free shock wave separation and detachment at the wall as described above. It is therefore possible to determine by the method described above, less in an approximate manner, in which region of a particular nozzle initially occurs the jet separation.
L'idée à la base de la présente invention, illustrée par la figure 1, consiste à induire la formation d'une onde de choc détachée 8 stable et prédictible à l'intérieur de la tuyère, cette onde de choc étant incidente sur la paroi de la tuyère à une position 9, l'interaction entre l'onde de choc 8 et la couche limite de l'écoulement à proximité de la paroi de la tuyère provoquant le décollement de ladite couche limite, c'est à dire la séparation du jet; sur la figure 1, la référence 10 indique la limite de la région de séparation et la référence 11 l'onde de choc réfléchie par le point d'incidence 9. Contrairement au cas de la séparation de jet naturelle , induite par la pression ambiante Pa, la séparation de jet provoquée par l'onde de choc 8 est stable, localisée et indépendante de toute perturbation provenant de l'aval, ce qui permet de supprimer, ou au moins de réduire sensiblement, les forces latérales non- stationnaires. La physique de l'interaction entre une onde de choc et une couche limite est décrite dans l'article de J. Délery et R. Bur The Physics of Shock Wave/Boundary Layer Interaction Control: Last Lessons Learned , ECCOMAS 2000, Barcelone (Espagne), 11-14 septembre 2000. The idea underlying the present invention, illustrated by Figure 1, is to induce the formation of a detached and stable predictable shock wave 8 inside the nozzle, the shock wave being incident on the wall of the nozzle at a position 9, the interaction between the shock wave 8 and the boundary layer of the flow in the vicinity of the wall of the nozzle causing the detachment of said boundary layer, that is to say the separation of the jet; in FIG. 1, the reference 10 indicates the limit of the separation region and the reference 11 the shock wave reflected by the point of incidence 9. Unlike the case of natural jet separation, induced by the ambient pressure Pa , the jet separation caused by the shock wave 8 is stable, localized and independent of any disturbance from the downstream, which allows to eliminate, or at least substantially reduce, non-stationary lateral forces. The physics of the interaction between a shock wave and a boundary layer is described in the article by J. Delery and R. Bur The Physics of Shock Wave / Boundary Layer Interaction Control: Last Lessons Learned, ECCOMAS 2000, Barcelona (Spain). ), 11-14 September 2000.
L'inventeur s'est rendu compte du fait que l'une des raisons pour lesquelles le dispositif du document FR 2 791 398 ne permet pas de stabiliser efficacement la séparation de jet pendant toute la phase de démarrage du moteur est le fait que la position des points d'impact des jets à contre-courant qui déclenchent la séparation du jet, reste constante. Ainsi, pendant la première phase du démarrage du moteur, une séparation de jet spontanée peut se produire en amont desdits points d'impact, alors que dans la dernière phase du démarrage ces mêmes points peuvent se trouver trop en amont. En effet il a été constaté qu'il existe une position optimale du point d'incidence 9 de l'onde de choc 8 en fonction de la valeur de la pression d'arrêt ps. En effet, ledit point 9 doit être situé suffisamment en amont pour déterminer seul la séparation du jet, avant que l'effet de la pression ambiante pa commence à se faire sentir, mais en même temps suffisamment proche du point où apparaîtrait une séparation spontanée sous l'effet de la pression atmosphérique pour rencontrer une couche limite affaiblie , et donc facile à décoller. En conclusion, ladite position optimale du point d'incidence 9 est la position la plus en aval, telle que la séparation de jet est néanmoins induite par l'onde de choc 8 plutôt que d'être spontanée. Pour cette raison, l'invention permet de déplacer le point d'incidence 9 de l'onde de choc 8 pendant la phase de démarrage du moteur, de manière à que ledit point d'incidence 9 soit constamment proche de sa position optimale. The inventor has realized that one of the reasons why the device of document FR 2 791 398 does not make it possible to effectively stabilize the jet separation during the entire starting phase of the engine is the fact that the position points of impact of the counter-current jets which trigger the separation of the jet, remains constant. Thus, during the first phase of starting the engine, a spontaneous jet separation can occur upstream of said impact points, while in the last phase of starting these same points may be too far upstream. Indeed it has been found that there is an optimal position of the point of incidence 9 of the shock wave 8 as a function of the value of the stop pressure ps. Indeed, said point 9 must be located sufficiently upstream to determine only the separation of the jet, before the effect of the ambient pressure pa begins to be felt, but at the same time sufficiently close to the point where a spontaneous separation under the effect of atmospheric pressure to meet a weakened boundary layer, and therefore easy to take off. In conclusion, said optimal position of the point of incidence 9 is the furthest downstream position, such that the jet separation is nevertheless induced by the shock wave 8 rather than being spontaneous. For this reason, the invention makes it possible to move the point of incidence 9 of the shock wave 8 during the starting phase of the engine, so that said point of incidence 9 is constantly close to its optimum position.
La figure 1 montre qu'un dispositif selon l'invention comporte un corps de forme arrondie 5, monté sur une tige 14 qui peut être déplacée dans une direction axiale par un actionneur 6 piloté par un contrôleur 15. Ce dernier reçoit en entrée une valeur de pression ps des gaz de combustion à l'intérieur de la chambre, obtenue par un premier capteur 12, et une information de position dudit corps de forme arrondie 5, obtenue par un deuxième capteur 13 et pilote l'actionneur 6 de telle manière que la position axiale dudit corps 5 soit constamment proche d'une valeur de consigne qui dépend de ladite valeur de pression ps. En conditions opérationnelles, le corps 5 est disposé à l'intérieur du divergent 3 de la tuyère, de manière à pouvoir se déplacer le long de son axe. FIG. 1 shows that a device according to the invention comprises a body of rounded shape 5, mounted on a rod 14 which can be moved in an axial direction by an actuator 6 controlled by a controller 15. The latter receives as input a value pressure ps of combustion gases inside the chamber, obtained by a first sensor 12, and a position information of said rounded body 5, obtained by a second sensor 13 and drives the actuator 6 in such a way that the axial position of said body 5 is constantly close to a set value which depends on said pressure value ps. In operational conditions, the body 5 is disposed inside the diverging portion 3 of the nozzle, so as to be able to move along its axis.
On observe que le dispositif, constitué essentiellement par le corps 5, la tige 14, l'actionneur 6, le deuxième capteur 13 et le contrôleur 15 (le premier capteur 12 étant généralement prévu dans les chambres de combustion des moteurs de fusée) est solidaire de la base de lancement 7: par conséquent, il n'alourdit pas la fusée et peut être réutilisé au moins partiellement, après remplacement des éléments trop abîmés. It is observed that the device, consisting essentially of the body 5, the rod 14, the actuator 6, the second sensor 13 and the controller 15 (the first sensor 12 is generally provided in the combustion chambers of the rocket engines) is solidary launch pad 7: therefore, it does not weigh down the rocket and can be reused at least partially, after replacing the damaged elements.
Dans le cas illustré par la figure 1, le corps 5 a une forme hémisphérique, mais il ne s'agit pas d'un choix obligé et d'autres formes sont concevables. Ce corps 5 présente une surface arrondie orientée vers le col 2 de la tuyère de manière à générer une onde de choc détachée 8 de forme émoussée. La forme arrondie du corps 5 a pour avantage par rapport à une forme pointue de réduire le niveau de flux reçu par le corps 5; toutefois, si un niveau de flux élevé est jugé acceptable, une forme pointue pourrait aussi être utilisée. Ce qui est important, c'est l'interaction du choc avec la couche limite à la paroi de la tuyère, et non la forme du choc à proximité du corps 5. On comprendra donc que la forme exacte du corps qui génère ce choc est d'une importance secondaire. Il est toutefois préférable que, comme dans le cas de l'hémisphère de la figure 1, une ligne de rupture nette sépare la surface arrondie avant d'une surface arrière, qui peut par exemple être plane, pour éviter la création d' un phénomène instationnaire qui serait propre au corps de forme arrondie. En ce qui concerne les dimensions du corps 5, il a été trouvé qu'elles doivent de préférence être du même ordre de grandeur que la section du col 2; typiquement, le diamètre dudit corps est compris entre 0,5 et 2 fois et de préférence entre 0,8 et 1,5 fois celui du col. En tout cas, il est important que le corps 5 ne soit pas assez grand pour constituer un col secondaire, en particulier dans sa position la plus amont. In the case illustrated in Figure 1, the body 5 has a hemispherical shape, but it is not a choice and other forms are conceivable. This body 5 has a rounded surface oriented towards the neck 2 of the nozzle so as to generate a detached shock wave 8 of blunt form. The rounded shape of the body 5 has the advantage over a pointed form of reducing the level of flow received by the body 5; however, if a high flow level is considered acceptable, a sharp shape could also be used. What is important is the interaction of the impact with the boundary layer at the wall of the nozzle, and not the shape of the impact near the body 5. It will therefore be understood that the exact shape of the body that generates this shock is of secondary importance. However, it is preferable that, as in the case of the hemisphere of FIG. 1, a sharp line of separation separates the rounded front surface from a rear surface, which may for example be flat, to avoid the creation of a phenomenon. unsteady which would be clean to the body of rounded form. As regards the dimensions of the body 5, it has been found that they should preferably be of the same order of magnitude as the section of the neck 2; typically, the diameter of said body is between 0.5 and 2 times and preferably between 0.8 and 1.5 times that of the neck. In any case, it is important that the body 5 is not large enough to form a secondary neck, especially in its most upstream position.
Généralement il est préférable que le corps 5 présente une symétrie axiale; cependant, si la tuyère présente une forme non circulaire, par exemple, une forme octogonale, il est souhaitable que le corps 5 présente une forme, qui pour cet exemple sera grossièrement octogonale, générant un choc dont l'intersection avec la tuyère permet de déclencher la séparation de la couche limite sur toute la circonférence de la tuyère avant l'occurrence localement de la séparation naturelle, dont la position dans ce cas peut dépendre de l'emplacement le long de cette circonférence. La forme et les dimensions optimales du corps 5 peuvent être déterminées pour chaque cas spécifique à l'aide de simulations numériques et/ou d'essais en soufflerie. Un paramètre d'optimisation important est l'angle d'incidence de l'onde de choc 8 sur la paroi du divergent: en effet, plus cet angle est important, plus faibles seront les efforts mécaniques locaux et la surchauffe auxquels ladite paroi est soumise; en même temps, une incidence trop oblique peut ne pas permettre une séparation efficace du jet. Une des raisons pour lesquelles il est important de contrôler la position du corps 5, et donc du point d'incidence 9, pendant la phase de démarrage du moteur est, justement, que si ledit point d'incidence 9 se situe peu en amont du point où se produirait la séparation de jet spontanée , la couche limite est fortement affaiblie et la séparation du jet peut être induite même par une onde de choc 8 fortement oblique. Generally it is preferable that the body 5 has an axial symmetry; however, if the nozzle has a non-circular shape, for example, an octagonal shape, it is desirable that the body 5 has a shape, which for this example will be roughly octagonal, generating a shock whose intersection with the nozzle can trigger separation of the boundary layer over the entire circumference of the nozzle prior to the local occurrence of the natural separation, the position of which in this case may depend on the location along this circumference. The optimal shape and dimensions of the body 5 can be determined for each specific case by means of numerical simulations and / or wind tunnel tests. An important optimization parameter is the angle of incidence of the shock wave 8 on the divergent wall: in fact, the greater this angle, the lower the local mechanical forces and the overheating to which said wall is subjected. ; at the same time, too oblique incidence may not allow effective separation of the jet. One of the reasons why it is important to control the position of the body 5, and therefore of the point of incidence 9, during the starting phase of the engine is, precisely, that if said point of incidence 9 is located little upstream of the point where the spontaneous jet separation would occur, the boundary layer is strongly weakened and the separation of the jet can be induced even by a shock wave 8 strongly oblique.
Le corps de forme arrondie 5 doit pouvoir supporter le jet de gaz de combustion pendant 1 seconde environ, ou moins. Un grand choix de matériaux est disponible pour sa réalisation: des métaux, des céramiques réfractaires, mais également des matériaux composites, et même le bois de coeur de chêne, si celui-ci est un consommable renouvelé à chaque tir. The rounded body 5 must be able to withstand the jet of combustion gas for about 1 second, or less. A large choice of materials is available for its realization: metals, refractory ceramics, but also composite materials, and even the heartwood of oak, if it is a consumable renewed with each shot.
La conception de la tige 14 et de l'actionneur 6 n'appelle pas de remarques particulières, si ce n'est pour le fait que ladite tige doit pouvoir supporter sans flambage un effort axial important, exercé par l'écoulement des gaz de combustion sur le corps 5. The design of the rod 14 and the actuator 6 does not call for special remarks, except for the fact that said rod must be able to withstand without buckling a large axial force, exerted by the flow of combustion gases. on the body 5.
Si l'effort axial s'exerçant sur le corps 5, et donc sur la tige 14, est trop important, cette dernière peut fléchir ou casser, et le corps 5 percuter et endommager la paroi de la tuyère; la chute brutale de pression qui accompagne la rupture de la tige peut également affecter l'intégrité de la tuyère. Une telle situation peut se produire, par exemple, si à cause d'une défaillance le corps 5 reste bloqué à une position axiale déterminée au lieu de se rétracter progressivement. Pour éviter ce genre de risque, il est avantageux de prévoir un fusible mécanique , c'est à dire une pièce qui cède ou casse sous l'effort permettant l'expulsion du corps 5 avant qu'une accumulation dangereuse de pression ne se produise en cas de mauvais fonctionnement de l'actionneur ou du contrôleur. La figure 5 montre un exemple d'un tel fusible mécanique, indiqué par la référence 18. Dans ce mode de réalisation, l'actionneur 6 est relié à un support 20 en forme de cylindre creux par l'intermédiaire de tiges 18; en cas de surcharge mécanique exercée dans une direction axiale par les gaz de combustion, ces dernières cassent et l'ensemble constitué par le corps 5, la tige 14 et l'actionneur 6 est éjecté dans ledit cylindre creux. If the axial force exerted on the body 5, and thus on the rod 14, is too great, the latter may bend or break, and the body 5 strike and damage the wall of the nozzle; the sudden drop in pressure that accompanies breakage of the rod can also affect the integrity of the nozzle. Such a situation may arise, for example, if due to a failure the body 5 remains stuck at a given axial position instead of progressively retracting. To avoid this kind of risk, it is advantageous to provide a mechanical fuse, that is to say a part that yields or breaks under the force allowing the expulsion of the body 5 before a dangerous accumulation of pressure occurs in malfunction of the actuator or controller. FIG. 5 shows an example of such a mechanical fuse, indicated by the reference 18. In this embodiment, the actuator 6 is connected to a support 20 in the form of a hollow cylinder via rods 18; in the event of a mechanical overload exerted in an axial direction by the combustion gases, the latter break and the assembly constituted by the body 5, the rod 14 and the actuator 6 is ejected into said hollow cylinder.
Un élément particulièrement important du dispositif de l'invention est constitué par le contrôleur 15 qui commande le déplacement du corps 5 pendant la phase de démarrage du moteur, dans un sens allant généralement du col 2 vers la section de sortie 4 de la tuyère, en fonction de la pression d'arrêt ps des gaz dans la chambre de combustion 1. En fait, le contrôleur en soi peut être d'un type conventionnel (par exemple un PID numérique) ; ce qui est réellement important est la détermination de la consigne x(ps) de position du corps 5. En effet, comme il a été montré plus haut, il est avantageux qu'à chaque instant le corps 5 se trouve à proximité d'une position optimale définie comme la position la plus en aval, telle que la séparation de jet soit néanmoins induite par l'incidence de l'onde de choc 8 sur la paroi du divergent 3, et ne soit pas provoquée par la réalisation de la condition exprimée par l'équation [3] (ou une condition équivalente). Bien entendu, la détermination de ladite position optimale comporte la prise en compte d'une marge de sécurité suffisante, ce qui est obtenu, par exemple, en diminuant de 20% la valeur de x_sep obtenue par application de l'équation [3]. A particularly important element of the device of the invention is constituted by the controller 15 which controls the displacement of the body 5 during the starting phase of the engine, in a direction generally going from the neck 2 to the outlet section 4 of the nozzle, in depending on the stopping pressure ps of the gases in the combustion chamber 1. In fact, the controller itself can be of a conventional type (for example a digital PID); what is really important is the determination of the setpoint x (ps) of the position of the body 5. Indeed, as it has been shown above, it is advantageous that at every moment the body 5 is close to a optimum position defined as the most downstream position, such that the jet separation is nevertheless induced by the impact of the shock wave 8 on the wall of the divergent 3, and is not caused by the realization of the condition expressed by equation [3] (or equivalent condition). Of course, the determination of said optimum position includes taking into account a sufficient safety margin, which is obtained, for example, by decreasing by 20% the value of x_sep obtained by applying equation [3].
La topologie d'écoulement qui a été décrite en référence à la figure 1 est connue sous le nom de séparation par onde de choc libre. Dans certaines conditions, en fonction de la géométrie de la tuyère et des pressions en jeu, la séparation de flux induite par l'onde de choc 8 ne peut pas se développer le long de la paroi du divergent, car le gradient de pression provoque le re-attachement immédiat de la couche limite en créant un bulbe de séparation toroïdal sur ladite paroi. Dans ces conditions, une large zone de recirculation se crée dans la partie centrale du jet en aval du corps de forme arrondie: la topologie de l'écoulement devient alors très similaire de celle décrite dans l'article précité de G. Hagemann et al. sous le nom de séparation de jet par onde de choc restreinte ( restricted shock separation ) encore appelée séparation par recirculation interne dans le jet. Ce régime d'écoulement est représenté de manière schématique par la figure 3, dans laquelle les mêmes chiffres de référence correspondent aux mêmes éléments que dans la figure 3, la référence 16 dénote le bulbe de séparation toroïdal et la référence 17 la zone de recirculation dans la partie centrale du jet. The flow topology that has been described with reference to FIG. 1 is known as free shock wave separation. Under certain conditions, depending on the geometry of the nozzle and the pressures involved, the flow separation induced by the shock wave 8 can not develop along the wall of the divergent, because the pressure gradient causes the immediate re-attachment of the boundary layer by creating a toroidal separation bulb on said wall. Under these conditions, a large recirculation zone is created in the central part of the jet downstream of the rounded body: the topology of the flow then becomes very similar to that described in the aforementioned article by G. Hagemann et al. under the name of restricted shock separation, also called separation by internal recirculation in the jet. This flow regime is shown diagrammatically in FIG. 3, in which the same reference numerals correspond to the same elements as in FIG. 3, the reference 16 denotes the toroidal separation bulb and the reference 17 the recirculation zone in FIG. the central part of the jet.
Comme dans le cas de la séparation par onde de choc libre représentée sur la figure 1, l'onde de choc détachée 8 produit un bulbe de séparation stable, dans une position en amont de celle à laquelle une séparation se produirait spontanément. L'invention conserve donc toute son utilité dans ces conditions. As in the case of the free shock wave separation shown in FIG. 1, the detached shock wave 8 produces a stable separation bulb in a position upstream of that at which separation would occur spontaneously. The invention therefore retains all its usefulness under these conditions.
Pour des géométries particulières de la tuyère, et notamment dans le cas du moteur Vulcain, la séparation du flux peut être soit de type par onde de choc libre, soit de type par recirculation interne dans le jet, en fonction du rapport entre la pression d'arrêt dans la chambre de combustion et la pression ambiante. Comme pendant la phase de démarrage la pression d'arrêt augmente de la valeur de la pression atmosphérique à la valeur nominale de fonctionnement, le type de séparation varie dans le temps. Dans le cas du moteur Vulcain, par exemple, on observe un passage d'un régime de séparation par onde de choc libre à une séparation par recirculation interne dans le jet, suivi par un retour à la séparation par onde de choc libre. Ces changements de régime induisent des forces latérales non stationnaires beaucoup plus intenses que dans le cas d'une séparation uniquement par onde de choc libre ou uniquement par recirculation interne dans le jet, et sont donc indésirables. Or, la présence du corps de forme arrondie 5 a tendance à favoriser la séparation par recirculation interne dans le jet par rapport à la séparation par onde de choc libre, car sa traînée crée par elle-même une zone centrale de recirculation. Par conséquent, les transitions d'un régime à l'autre sont supprimées, le démarrage du moteur se faisant entièrement en 1 o conditions de séparation par recirculation interne dans le jet. Le procédé de l'invention a donc un effet particulièrement bénéfique pour ce type de tuyères. For particular geometries of the nozzle, and in particular in the case of the Vulcain engine, the separation of the flow can be either of free shock wave type, or of type by internal recirculation in the jet, depending on the ratio between the pressure of the stopping in the combustion chamber and the ambient pressure. As during the start phase the stop pressure increases from the value of the atmospheric pressure to the nominal operating value, the type of separation varies over time. In the case of the Vulcain engine, for example, there is a transition from a free shock wave separation regime to a separation by internal recirculation in the jet, followed by a return to free shock wave separation. These changes of regime induce much more non-stationary lateral forces than in the case of separation only by free shock wave or only by internal recirculation in the jet, and are therefore undesirable. However, the presence of the rounded body 5 tends to favor separation by internal recirculation in the jet relative to the free shock wave separation, because its drag creates by itself a central recirculation zone. As a result, the transitions from one mode to the other are suppressed, the starting of the engine being entirely in 1 o separation conditions by internal recirculation in the jet. The method of the invention therefore has a particularly beneficial effect for this type of nozzle.
L'organigramme de la figure 2 illustre un procédé rationnel de détermination de la consigne x(ps) de position du corps 5. The flowchart of FIG. 2 illustrates a rational method of determining the setpoint x (ps) of the position of the body 5.
Premièrement, étape El, un modèle mathématique du moteur de fusée permet de déterminer en fonction de la pression d'arrêt ps la température Ts dans la chambre de combustion et l'exposant d'expansion isentropique y des gaz de combustion (en effet, il faut généralement prendre en compte le fait que la composition desdits gaz, et donc la valeur du paramètre y, varie pendant la phase de démarrage). Ce modèle résulte de la constatation des paramètres de fonctionnement moyens à la mise en route du moteur lors de ses essais de qualification au banc. De tels essais sont toujours effectues avant l'utilisation d'un moteur sur un lanceur, et ne sont donc pas spécifiques à la présente invention. First, step E1, a mathematical model of the rocket engine makes it possible to determine, as a function of the stop pressure ps, the temperature Ts in the combustion chamber and the exponent of isentropic expansion y of the combustion gases (in fact, it It must generally be taken into account that the composition of said gases, and therefore the value of the parameter y, varies during the start-up phase). This model results from the observation of the average operating parameters at the start of the engine during its bench qualification tests. Such tests are always performed before using a motor on a launcher, and are therefore not specific to the present invention.
Deuxièmement, l'étape E2 comporte la détermination de la valeur maximale atteinte par la pression d'arrêt des gaz dans la chambre de combustion 1, psmax la pression minimale étant égale à la pression ambiante à l'altitude de lancement pa, et le choix d'une série de N valeurs discrètes pal, ps" compris entre psmax et pa, le nombre N, par exemple 10, étant un compromis entre la finesse désirée de la modélisation et le volume de calcul accepté. Secondly, the step E2 comprises the determination of the maximum value reached by the stopping pressure of the gases in the combustion chamber 1, psmax the minimum pressure being equal to the ambient pressure at the launch altitude pa, and the choice of a series of N discrete values pal, ps "lying between psmax and pa, the number N, for example 10, being a compromise between the desired fineness of the modeling and the accepted calculation volume.
Troisièmement, l'étape E3 comporte le choix d'une série de M valeurs discrètes x', ..., xM de la position du corps de forme arrondie 5, compris entre la position du col 2 de la tuyère et celle de sa section de sortie 4, le nombre M, par exemple 10, étant un compromis entre la finesse désirée de la modélisation et le volume de calcul accepté. Thirdly, the step E3 comprises the choice of a series of M discrete values x ', ..., xM of the position of the rounded body 5, between the position of the neck 2 of the nozzle and that of its section output 4, the number M, for example 10, being a compromise between the desired fineness of the modeling and the accepted calculation volume.
Ensuite, l'étape E4 comporte, pour chaque couple de valeurs (psi, x') la détermination, notamment à l'aide de simulations numériques et/ ou par essais au banc, de la pression p(x) et du nombre de Mach M(x) de l'écoulement en tout point de la tuyère, ainsi que du point d'incidence 9 de l'onde de choc 8 sur les parois du divergent 3, indiqué par xchoc1. Les simulations sont effectuées en prenant en compte les valeurs de la 1 o température Ts et de l'exposant y des gaz de combustion déterminées à l'étape El. Then, step E4 comprises, for each pair of values (psi, x ') the determination, in particular by means of numerical simulations and / or by bench tests, of the pressure p (x) and the Mach number. M (x) of the flow at any point of the nozzle, as well as the point of incidence 9 of the shock wave 8 on the walls of the divergent 3, indicated by xchoc1. The simulations are performed taking into account the values of the temperature Ts 1 and the exponent y of the combustion gases determined in step E1.
L'effet d'une pression ambiante pa non-nulle est prise en compte à l'étape E5. Lors de cette étape, il est vérifié si la pression ambiante Pa provoque un décollement spontané de la couche limite (cas de la figure 1) ou une séparation par recirculation interne dans le jet (cas de la figure 3) avant que l'interaction de la couche limite avec le choc ne provoque ce décollement ou séparation par recirculation interne (dans la suite le terme séparation sera utilisé en référence aux deux régimes d'écoulement). Cette vérification est effectuée soit par l'essai au banc, soit par exemple à l'aide du critère de l'équation [3] ou tout autre critère empirique jugé mieux adapté, le critère étant appliqué à la zone isentropique de l'écoulement (si le critère ne peut être satisfait dans la zone isentropique, la séparation sera générée par le choc, pourvu que la position de celui-ci soit suffisamment reculée pour interagir avec une couche limite affaiblie; or seules les positions les plus reculées du choc sont intéressantes dans la suite de l'application de ce processus). On en déduit donc la position de la séparation caractérisée par x_sep. Les indices i et j rappellent qu'il s'agit de la valeur de x_sep déterminée pour une pression d'arrêt psi et une position x' du corps 5. En fait, comme il a été suggéré plus haut, il est préférable de ne pas utiliser pour x_sep'' la valeur directement obtenue par un critère tel que celui de l'équation [3], mais de la corriger par l'utilisation d'un coefficient de sécurité (par exemple, une réduction de 20%). The effect of a non-zero ambient pressure pa is taken into account in step E5. During this step, it is checked whether the ambient pressure Pa causes spontaneous delamination of the boundary layer (case of FIG. 1) or separation by internal recirculation in the jet (case of FIG. 3) before the interaction of the boundary layer with the shock causes this separation or separation by internal recirculation (in the following the term separation will be used with reference to the two flow regimes). This verification is carried out either by the bench test or, for example, using the criterion of equation [3] or any other empirical criterion considered to be better adapted, the criterion being applied to the isentropic zone of the flow ( if the criterion can not be satisfied in the isentropic zone, the separation will be generated by the shock, provided that the position of the latter is sufficiently far back to interact with a weakened boundary layer, but only the most distant positions of the shock are interesting. in the following application of this process). We therefore deduce the position of the separation characterized by x_sep. The indices i and j recall that this is the value of x_sep determined for a stop pressure psi and a position x 'of the body 5. In fact, as suggested above, it is preferable not to not use for x_sep '' the value directly obtained by a criterion such as that of equation [3], but correct it by the use of a safety factor (for example, a reduction of 20%).
A l'étape E6, x_sep't est comparée à xhhoc' (position du point d'incidence 9 de l'onde de choc 8 sur les parois du divergent 3). La valeur optimale de la position du corps 5 à la pression d'arrêt ps', xppt(ps'), est définie comme la position la plus en aval dudit corps 5 telle que x_sep'' n'est pas inférieure à xchoc''. Lorsque cette condition est vérifiée, le point d'incidence de l'onde de choc 8 sur la paroi de la tuyère fixe la séparation de jet. cela signifie que la position optimale du corps 5 pour une valeur donnée de la pression d'arrêt ps est la position la plus en aval telle que la séparation du jet est provoquée par l'onde de choc 8 induite par ledit corps 5, et non par l'effet de la pression ambiante pa. Autrement dit, la position optimale du corps 5 pour une valeur donnée de la pression d'arrêt ps est la position telle que ladite onde de choc 8 soit incidente sur la paroi dudit divergent à une position axiale 9 correspondante à la limite aval de la région du divergent où ne se produit pas une séparation spontanée de jet sous l'action de la pression ambiante. II est clair que, comme un nombre fini (M) de valeurs de la position du corps 5 a été considéré, la position optimale n'est définie que de façon approchée. In step E6, x_sep't is compared to xhhoc '(position of the point of incidence 9 of the shock wave 8 on the walls of the divergent 3). The optimum value of the position of the body 5 at the stop pressure ps ', xppt (ps'), is defined as the most downstream position of said body 5 such that x_sep '' is not less than xchoc '' . When this condition is verified, the point of incidence of the shock wave 8 on the wall of the nozzle sets the jet separation. this means that the optimum position of the body 5 for a given value of the stopping pressure ps is the most downstream position such that the separation of the jet is caused by the shock wave 8 induced by said body 5, and not by the effect of the ambient pressure pa. In other words, the optimal position of the body 5 for a given value of the stop pressure ps is the position such that the shock wave 8 is incident on the wall of said divergent at an axial position 9 corresponding to the downstream limit of the region. the divergent where does not occur a spontaneous separation of jet under the action of the ambient pressure. It is clear that, as a finite number (M) of values of the position of the body 5 has been considered, the optimal position is only defined in an approximate manner.
De cette façon, une relation xopt(ps) a été déterminée pour N valeurs de la pression ps; cette relation donne la consigne de position du corps 5: x(ps)= xopt(ps). Cependant, comme cette détermination se fait au prix de calculs relativement complexes, la valeur de N est nécessairement limitée: il suffit de considérer que, si N=M=10, NxM=100 simulations numériques ou essais doivent être effectuées à l'étape E4, du moins en principe. Il est donc avantageux de prévoir une ultérieure étape E7 d'interpolation, permettant par exemple d'obtenir la consigne x(ps) sous une forme analytique. In this way, a relation xopt (ps) has been determined for N values of pressure ps; this relation gives the position of the position of the body 5: x (ps) = xopt (ps). However, since this determination is made at the expense of relatively complex calculations, the value of N is necessarily limited: it is sufficient to consider that, if N = M = 10, N × M = 100 numerical simulations or tests must be carried out at step E4 , at least in principle. It is therefore advantageous to provide a further interpolation step E7, allowing for example to obtain the setpoint x (ps) in an analytical form.
Lorsque des moyens de calculs suffisamment puissants sont disponibles, les étapes E4 et E5 du procédé de la figure 2 peuvent être regroupées en faisant intervenir une solution numérique des équations de Navier-Stokes intégrant dès le départ l'effet de la pression atmosphérique et permettant de prévoir la position de la zone de séparation de flux ainsi que son type (par onde de choc libre ou restreinte) sans besoin d'avoir recours à des critères empiriques. When sufficiently powerful calculation means are available, the steps E4 and E5 of the method of FIG. 2 can be grouped together by involving a numerical solution of the Navier-Stokes equations integrating from the start the effect of the atmospheric pressure and making it possible to predict the position of the flow separation zone and its type (free or restricted shock wave) without the need for empirical criteria.
Un procédé selon un mode de réalisation de l'invention pour provoquer une séparation de jet stable à l'intérieur d'une tuyère d'un moteur de fusée comporte donc les étapes suivantes: - préalablement au début de la phase d'allumage du moteur, l'insertion du corps de forme arrondie 5 à l'intérieur du divergent 3 de la tuyère le long de son axe, jusqu'à une première position axiale; cette première position axiale est calculée de manière à correspondre à la position optimale dudit corps (dans le sens défini ci-dessus) lorsque la pression d'arrêt ps atteint une valeur suffisamment élevée pour qu'une séparation de jet puisse se produire dont les effets mécaniques sur la tuyère sont redoutés (comme on l'a expliqué plus haut, les efforts mécaniques générés au niveau du col de la tuyère au tout début de la mise en route ne sont pas structurellement dimensionnants tant que la zone de séparation restent près du col); - pendant la phase d'allumage, le déplacement dudit corps de forme arrondie 5 le long de l'axe de la tuyère, dans un sens allant généralement du col 2 à la section de sortie 4, de manière à maintenir constamment ledit corps dans une position approximativement optimale. A method according to one embodiment of the invention to cause a stable jet separation inside a nozzle of a rocket engine therefore comprises the following steps: - prior to the start of the ignition phase of the engine inserting the rounded body 5 inside the diverging nozzle 3 along its axis to a first axial position; this first axial position is calculated to correspond to the optimal position of said body (in the direction defined above) when the stop pressure ps reaches a sufficiently high value that a jet separation can occur whose effects the mechanical forces generated at the neck of the nozzle at the very beginning of start-up are not structurally dimensioning as long as the separation zone remains close to the neck, as has been explained above. ); during the ignition phase, the displacement of said rounded body along the axis of the nozzle, in a direction generally from the neck 2 to the outlet section 4, so as to constantly maintain said body in a approximately optimal position.
Si la tuyère du moteur est dimensionnée de telle sorte que, lorsque la pression d'arrêt ps de régime établi est atteinte, la re-compression des gaz s'effectue entièrement à l'extérieur du divergent, le problème de la séparation de jet ne se pose que pendant la phase de démarrage. A la fin de cette phase, le corps 5 aura atteint une position tellement en aval qu'il n'aura plus aucune influence sur l'écoulement dans la tuyère, et pourra donc être complètement rétracté. Si, par contre, les conditions de fonctionnement à régime sont telles qu'une séparation de jet peut se produire même après la fin de la phase de démarrage, il pourra être nécessaire de cornbiner l'invention avec l'un des dispositifs connus de l'art antérieur pour supprimer les forces latérales non-stationnaires également pendant la première partie de la phase d'ascension de la fusée. If the engine nozzle is dimensioned so that when the stopping pressure ps of steady state is reached, the re-compression of the gases is entirely effected outside the divergent, the problem of the jet separation does not occur. arises only during the start-up phase. At the end of this phase, the body 5 will have reached a position so downstream that it will no longer have any influence on the flow in the nozzle, and can therefore be completely retracted. If, on the other hand, the operating conditions under regime are such that a jet separation can occur even after the end of the start-up phase, it may be necessary to combine the invention with one of the known devices of the invention. prior art to suppress non-stationary lateral forces also during the first part of the rocket's ascent phase.
Une variante du mode de réalisation décrit ci-dessus permet au dispositif selon l'invention d'opérer de manière autonome, sans besoin de recevoir des informations de pression en provenance de la chambre de combustion. En effet, même si un capteur de pression 12 est généralement prévu dans la plupart des lanceurs modernes, la transmission de l'information aucontrôleur 15, par l'intermédiaire d'un connecteur lanceur-sol ou par télémétrie, peut poser des problèmes de fiabilité. Si ces problèmes sont considérés comme particulièrement importants, il est possible de remplacer la mesure directe de la pression ps dans la chambre de combustion par une mesure de pression psb au point de stagnation du corps 5, c'est à dire au sommet de ce dernier. La pression psb est reliée à la pression ps dans la chambre de combustion par une simple relation de proportionnalité : Ps = 2y M2 y 1 r' x Psb y+1 y+1 r 2 x 1 +y 1 r-' y+1 M2 y+1 [4] où M est le nombre de Mach en amont de l'onde de choc détachée 8, calculé par les méthodes numériques de la mécanique des fluides. Ce mode de réalisation de l'invention nécessite une légère augmentation de la complexité et du coût du corps de forme arrondie 5, qui doit être pourvu sur son sommet d'un capteur de pression (référence 12' sur la figure 1) pour permettre la mesure de psb. A variant of the embodiment described above allows the device according to the invention to operate autonomously, without the need to receive pressure information from the combustion chamber. Indeed, even if a pressure sensor 12 is generally provided in most modern launchers, the transmission of information to the controller 15, via a launcher-ground connector or telemetry, can cause reliability problems . If these problems are considered particularly important, it is possible to replace the direct measurement of the pressure ps in the combustion chamber by a psb pressure measurement at the point of stagnation of the body 5, that is to say at the top of the latter . The pressure psb is connected to the pressure ps in the combustion chamber by a simple relation of proportionality: Ps = 2y M2 y 1 r 'x Psb y + 1 y + 1 r 2 x 1 + y 1 r-' y + 1 M2 y + 1 [4] where M is the Mach number upstream of the detached shock wave 8, calculated by the numerical methods of fluid mechanics. This embodiment of the invention requires a slight increase in complexity and cost of the rounded body 5, which must be provided on its top with a pressure sensor (reference 12 'in FIG. measure of psb.
Les modes de réalisation de l'invention qui viennent d'être décrits permettent de supprimer les forces latérales non stationnaires pendant toute la phase de démarrage du moteur. Or, ces forces sont particulièrement nuisibles lorsqu'elles s'appliquent à la région du divergent proche de l'ouverture, c'est à dire vers la fin du démarrage: dans certaines applications il sera suffisant de les supprimer seulement pendant cette phase finale, ce qui permet de mettre en oeuvre un mode de réalisation simplifié de l'invention, ne nécessitant pas l'utilisation d'un actionneur commandé par un actionneur pour rétracter le corps de forme arrondie. Si le procédé de l'invention doit être mis en oeuvre seulement pendant la phase terminale du démarrage, le corps de forme arrondie 5 sera placé initialement à une position axiale telle que le point d'incidence du choc 8 sur le divergent sera relativement proche de la section de sortie 4 de la tuyère, et son déplacement s'effectuera sur une plage relativement restreinte de positions axiales, correspondant à une plage restreinte de valeurs de la pression d'arrêt ps dans la chambre de combustion. Dans ces conditions, la consigne x(ps) peut raisonnablement être linéarisée. La force axiale exercée par l'écoulement des gaz de combustion sur le corps de forme arrondie et tendant à l'expulser du divergent de la tuyère est proportionnelle à Psb et, comme le montre l'équation [4] ci-dessus, Psb est proportionnel à ps et dépend de M qui lui-même dépend de la position x du corps 5 et de la forme de la tuyère. Dans un domaine limité de variation de position du corps 5, il est possible d'approximer cette dernière relation implicite par une relation linéaire entre Psb et x. Il s'en suit que la relation entre la position de consigne du corps 5 et la force aérodynamique axiale appliquée sur ce corps peut être approximée par une relation linéaire. Cette dépendance linéaire approximative de la position de consigne x du corps 5 à la pression psb peut alors être obtenue grâce à un simple moyen d'application d'une force élastique s'opposant à l'expulsion dudit corps 5. C'est ce qui est représenté sur la figure 5, où le contrôleur 15 et l'actionneur 6 sont remplacés par le ressort 19. On comprend aisément que ce simple montage permet d'obtenir un déplacement du corps de forme arrondie 5 qui est proportionnel à la force axiale qui s'exerce sur ce dernier. Le choix d'un ressort présentant une raideur et une précontrainte appropriées permet de respecter la loi de consigne linéarisée. Le ressort 19 peut être de tout type adapté à l'application spécifique considérée: hélicoïdal, pneumatique, etc. Le mode de réalisation décrit ci dessus n'est pas seulement beaucoup plus simple que ceux décrits en référence aux figures 1 et 3, il est aussi plus fiable car entièrement passif. The embodiments of the invention which have just been described make it possible to eliminate the non-stationary lateral forces during the entire starting phase of the engine. However, these forces are particularly harmful when they apply to the region of the divergent close to the opening, ie towards the end of the start: in some applications it will be sufficient to suppress them only during this final phase, which makes it possible to implement a simplified embodiment of the invention, not requiring the use of an actuator controlled by an actuator to retract the body of rounded shape. If the method of the invention is to be implemented only during the terminal phase of the start, the rounded body 5 will be initially placed at an axial position such that the impact point of the shock 8 on the divergent will be relatively close to the outlet section 4 of the nozzle, and its displacement will take place over a relatively small range of axial positions, corresponding to a restricted range of values of the stop pressure ps in the combustion chamber. Under these conditions, the setpoint x (ps) can reasonably be linearized. The axial force exerted by the flow of combustion gases on the body of rounded shape and tending to expel the divergent nozzle is proportional to Psb and, as shown in equation [4] above, Psb is proportional to ps and depends on M which itself depends on the position x of the body 5 and the shape of the nozzle. In a limited domain of position variation of the body 5, it is possible to approximate this last implicit relation by a linear relationship between Psb and x. It follows that the relationship between the set position of the body 5 and the axial aerodynamic force applied to this body can be approximated by a linear relationship. This approximate linear dependence of the setpoint position x of the body 5 at the pressure psb can then be obtained by means of a simple means of applying an elastic force opposing the expulsion of said body 5. This is what is shown in Figure 5, where the controller 15 and the actuator 6 are replaced by the spring 19. It is easily understood that this simple assembly provides a displacement of the rounded body 5 which is proportional to the axial force which is exercised on the latter. The choice of a spring having appropriate stiffness and prestressing makes it possible to comply with the linearized setpoint law. The spring 19 can be of any type adapted to the specific application considered: helical, pneumatic, etc. The embodiment described above is not only much simpler than those described with reference to Figures 1 and 3, it is also more reliable because fully passive.
Un autre mode de réalisation de l'invention pousse la simplification encore plus loin: dans certaines applications, la plage de déplacement requise pour une suppression satisfaisante des forces latérales non stationnaires est suffisamment étroite pour pouvoir être considérée ponctuelle: dans ce cas, il suffit de disposer le corps de forme arrondie 5 à l'emplacement souhaité à l'aide d'un moyen approprié tel qu'un actionneur, sans besoin de le déplacer pendant la phase d'allumage du moteur de fusée. La position fixe du corps 5 est déterminée à l'aide de la méthode décrite en référence à la figure 2. Another embodiment of the invention pushes the simplification even further: in certain applications, the range of displacement required for a satisfactory suppression of the non-stationary lateral forces is sufficiently narrow to be considered punctual: in this case, it is sufficient to arranging the rounded body 5 at the desired location using a suitable means such as an actuator, without the need to move it during the ignition phase of the rocket engine. The fixed position of the body 5 is determined using the method described with reference to FIG.
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