FR2962493A1 - Chambre de propulsion de moteur-fusee et procede de fabrication d'une telle chambre - Google Patents

Abstract

Refroidissement d'une chambre de propulsion par circulation du fluide refroidisseur dans l'épaisseur de la paroi de ladite chambre. La paroi comporte une coque extérieure (27) et une paroi mince interne (29) assemblée à la coque extérieure et le circuit de fluide est matérialisé par des canaux (31) usinés à l'intérieur de la coque, les canaux étant refermés par la paroi mince interne (29) et isolés par un réseau de soudures (34).

Description

L'invention se rapporte à une chambre de propulsion de moteur-fusée et à la fabrication de celle-ci ; elle a plus particulièrement pour objet la conception d'un circuit de refroidissement de la paroi d'une telle chambre, utilisant l'un des ergols de propulsion en tant que fluide de refroidissement. L'un des buts de l'invention est de réduire le coût de fabrication d'une telle chambre de propulsion, notamment pour des applications basse pression. On connaît une chambre de propulsion comprenant une coque externe, par exemple en nickel et un circuit de refroidissement en base cuivre où le fluide de refroidissement est un ergol qui circule en permanence dans le circuit avant de participer à la combustion. Ce circuit est réalisé en base cuivre pour favoriser l'échange thermique, du côté interne de la structure. Cette technologie adaptée aux hautes pressions entraîne des coûts de fabrication très élevés notamment à cause de la difficulté de fermeture des canaux et de l'utilisation de deux matériaux différents. Une autre technologie consiste à réaliser la chambre de propulsion sous forme d'un assemblage de tubes, souvent en acier pour assurer la tenue mécanique de la chambre. La conductivité thermique de l'acier étant relativement médiocre en regard de celle du cuivre, le refroidissement de la paroi de la chambre de propulsion ainsi constituée est donc nettement moins bon, mais suffisant pour des applications basse pression. Il existe un phénomène gênant sur les moteurs fusées qui est lié aux instabilités de combustion. Or, il a été mis en évidence que cette instabilité dépend pour partie de l'état de l'ergol (notamment le combustible) au moment de son injection dans la chambre de combustion. Si celui-ci est échauffé, et donc peu dense au moment où il pénètre dans la chambre de combustion, la stabilité de la combustion est sensiblement améliorée. L'invention permet de résoudre l'ensemble de ces problèmes en proposant une chambre de propulsion de relativement faible coût, tant en raison de sa conception que des matériaux utilisés, avec un réseau de canaux de refroidissement dense et situé au plus près de la surface interne de ladite chambre.

Plus particulièrement, l'invention concerne donc une chambre de propulsion de moteur-fusée comprenant un circuit de fluide refroidisseur intégré dans l'épaisseur de sa paroi, caractérisée en ce que ladite paroi comporte une coque extérieure et une paroi mince interne assemblée à la coque extérieure et en ce que ledit circuit de fluide refroidisseur est matérialisé par des canaux pratiqués à l'intérieur de ladite coque, lesdits canaux étant refermés par ladite paroi mince interne, un réseau de soudures entre la coque et la paroi mince interne individualisant des conduits dudit circuit de fluide refroidisseur.

Selon un mode de réalisation, de tels canaux sont pratiqués longitudinalement. Ainsi, avec une chambre de propulsion de révolution des canaux s'étendant d'une extrémité à l'autre sont définis dans des plans passant par l'axe de la chambre. Les canaux sont les plus étroits et les ailettes les plus fines dans la zone du col. Dans les parties de plus grand diamètre, en amont et en aval du col, les canaux peuvent être dédoublés, ce qui permet de conserver une densité de canaux de refroidissement importante en tous points de la chambre de propulsion. En utilisant l'ergol combustible en tant que fluide de refroidissement, on refroidit suffisamment la paroi interne de la chambre tout en réchauffant ledit ergol au point qu'il soit peu dense au moment où il est injecté dans la chambre de propulsion, améliorant ainsi la stabilité de la combustion. Considérant les coûts de fabrication, on peut utiliser différents métaux, par exemple des bases acier, peu coûteuses, aussi bien pour la coque externe que pour la paroi mince interne. La possibilité de réaliser une paroi interne mince (compte-tenu de la tenue mécanique des aciers et de la fabrication par cote directe) ainsi qu'une forte densité de canaux et d'ailettes permet de compenser au moins en partie l'inconvénient d'utiliser un matériau (l'acier) de moindre conductivité thermique que le cuivre. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une chambre de propulsion caractérisé par les opérations suivantes : - usinage de la surface intérieure d'une ébauche d'une coque extérieure de révolution de ladite chambre de propulsion à la forme et aux dimensions de la chambre souhaitée augmentée de l'épaisseur d'une paroi mince interne de révolution,

- usinage des canaux longitudinaux par l'intérieur dans la paroi de ladite coque, définissant des ailettes, - usinage de la surface intérieure d'une ébauche d'une paroi mince interne précitée ou de tronçons d'une telle ébauche de paroi mince, - positionnement de ladite ébauche de paroi mince usinée intérieurement sur un mandrin support de forme et dimensions correspondant à celles de la surface intérieure usinée de ladite paroi mince, - usinage de la surface extérieure de ladite ébauche de paroi mince à la forme et aux dimensions de la surface intérieure usinée d'une coque extérieure précitée, - mise en place de la paroi mince dans ladite coque extérieure et soudage de ladite paroi mince à ladite coque extérieure par un ensemble de soudures longitudinales au sommet des ailettes.

Ce procédé est particulièrement indiqué pour des chambres de grandes dimensions (supérieures à 200 mm de diamètre au col, par exemple). Si on envisage de fabriquer des chambres de propulsion de dimensions inférieures, il peut devenir nécessaire de procéder à partir de deux demi-coques longitudinales extérieures pour faciliter l'usinage des canaux. Une étape ultérieure supplémentaire consiste à souder ces deux demi-coques longitudinales après usinage des canaux pour reconstituer une coque extérieure de révolution. Par conséquent, l'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une chambre de propulsion, caractérisé par les opérations suivantes : - usinage de la surface intérieure des ébauches de deux demi-coques longitudinales extérieures de ladite chambre de propulsion à la forme et aux dimensions de la chambre souhaitée, augmentées de l'épaisseur d'une paroi mince interne de révolution, - usinage de canaux longitudinaux dans la paroi de chaque demi-coque, du côté de l'intérieur de celle-ci, définissant des ailettes, - usinage de la surface intérieure d'une ébauche d'une paroi mince interne précitée ou de tronçons d'une telle ébauche de paroi mince, - positionnement de ladite ébauche de paroi mince usinée intérieurement sur un mandrin support de forme et dimensions correspondant à celles de la surface intérieure usinée de ladite paroi mince, - usinage de la surface extérieure de ladite ébauche de paroi mince à la forme et aux dimensions de la surface intérieure usinée d'une coque extérieure précitée, - soudage des deux demi-coques longitudinales précitées pour obtenir une coque de révolution, - mise en place de ladite paroi mince dans ladite coque extérieure et soudage de ladite paroi mince à ladite coque par un ensemble de soudures longitudinales au sommet des ailettes. Selon une caractéristique avantageuse, quelle que soit la variante de procédé mise en oeuvre, après obtention de ladite coque extérieure de révolution avec paroi intérieure usinée, on peut avantageusement relever les cotes de ladite surface intérieure usinée et utiliser ces données ultérieurement pour la commande d'usinage de la surface extérieure de la paroi mince ou de chaque partie de cette paroi mince, si celle-ci doit être constituée de plusieurs tronçons assemblés bout à bout. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'une chambre de propulsion de moteur-fusée conforme à son principe, et d'un procédé de fabrication d'une telle chambre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une demi-coupe axiale d'une chambre de propulsion conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail à plus grande échelle selon la coupe II-II de la figure 1 ; - la figure 3 est une demi-coupe de la chambre de propulsion illustrant une possibilité pour assembler bout à bout deux tronçons de la paroi mince interne ; - les figures 4A à 4C illustrent une autre façon d'assembler bout à bout les deux tronçons de la paroi mince interne ; - la figure 5 est une variante de la coque externe de la chambre de propulsion ; - les figures 6 à 9 illustrent certaines étapes de fabrication de la chambre de propulsion de la figure 1 ; et - la figure 10 est une vue schématique d'une variante de soudage. Sur les figures 1 et 2, on a représenté une chambre de propulsion 11 de moteur-fusée comprenant un plan d'injection 12 à une extrémité (c'est-à-dire l'extrémité des éléments d'injection) une chambre de combustion 13, un col 14 et un divergent 15. La chambre de propulsion 11 est axisymétrique d'axe X. La figure 2 illustre une section de la paroi 16 au col. Un circuit de fluide refroidisseur 19 (généralement appelé "circuit régénératif" dans la technique) est usiné dans l'épaisseur de la paroi 16 de la chambre de propulsion. Comme indiqué précédemment, le fluide de refroidissement utilisé est le combustible du moteur-fusée lui-même. Ce fluide peut être injecté dans le circuit régénératif, par exemple à une extrémité du divergent 15, par un tore creux 22 communiquant avec tous les canaux longitudinaux 25 qui constituent ce circuit régénératif.

Ledit circuit de fluide refroidisseur 19 est matérialisé par l'assemblage soudé d'une coque extérieure 27, ici de révolution, et d'une paroi mince interne 29 assemblée à ladite coque extérieure. Les deux éléments de la chambre de propulsion 12 peuvent être en acier inoxydable mais aussi dans d'autres métaux, éventuellement différents, soudables entre eux. La coque extérieure 27 est d'une épaisseur suffisante pour reprendre les efforts de poussée. L'acier permet de reprendre ces efforts à moindre masse, ce qui est avantageux pour les moteurs-fusées de très forte puissance. Typiquement, l'épaisseur peut être de l'ordre de 20 mm.

On usine dans une telle coque des canaux étroits 31, longitudinaux et assez profonds, pouvant aller jusqu'à 10 mm, dans l'exemple décrit. Ces canaux sont séparés par des "ailettes" 33 assez étroites, au moins au niveau du col 14. Les canaux longitudinaux 31 sont usinés de l'intérieur de la coque. Ils sont recouverts par la paroi mince interne 29, ce qui les transforme en canaux longitudinaux fermés ou conduits 25 (figure 2). La coque et la paroi mince sont assemblées par des soudures 34, typiquement des soudures par résistance électrique ou au laser, faisceau d'électrons, plasma, ou équivalent (ou par une combinaison de ces procédés), effectuées longitudinalement entre la paroi mince 29 et lesdites ailettes 33 séparant les canaux 31. Ces soudures referment les canaux et par conséquent individualisent les conduits 25 du circuit de fluide de refroidissement 19. Le tore 22, par lequel est injecté le fluide de refroidissement, communique avec chacun des conduits 25. Selon des modes de réalisation spécifiques possibles, l'épaisseur de ladite paroi mince interne est de l'ordre de grandeur du millième à quelques millièmes du diamètre dudit col. Ainsi, pour une chambre de propulsion de dimensions importantes, l'épaisseur de la paroi mince pourra être inférieure à 1 mm, notamment dans la zone juste en amont du col, où elle peut atteindre une épaisseur de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm. L'épaisseur minimale des ailettes 33, au voisinage du col peut être de l'ordre de 1 mm à 1,5 mm. Comme mentionné précédemment, les canaux 31 sont relativement profonds, par exemple de l'ordre de la moitié à un tiers de l'épaisseur de la paroi de la chambre (ou de la coque, vu la faible épaisseur de la paroi 29).

En fonctionnement, une possibilité parmi d'autres est d'injecter le combustible dans le circuit par le tore 22, de sorte que celui-ci remonte vers la tête d'injecteur du moteur-fusée puis jusqu'au plan d'injection 12 où il est injecté, peu dense, dans la chambre de propulsion, après avoir refroidi la paroi de celle-ci.

Comme on le voit sur les dessins où la chambre de propulsion comporte un col 14, la coque extérieure 27 est monobloc et de révolution tandis que la paroi mince interne 29 est en deux tronçons de révolution 35, 36 soudés bout à bout. Dans l'exemple de la figure 3, les tronçons 35, 36 sont usinés pour s'assembler au sommet du col 14, ce qui permet de les mettre en place sans difficulté. Le tronçon 35 est engagé par une extrémité de la coque et l'autre tronçon 36 par l'autre extrémité. Une fois mis en place, les tronçons épousent la surface interne de la paroi de la coque 27 et se rejoignent bout à bout. Une soudure circonférentielle 38, au laser ou autre procédé, est alors effectuée entre les extrémités mises bout à bout pour reconstituer une paroi mince interne 29 s'étendant sur la totalité de la paroi interne de la coque 27. Les soudures longitudinales 34, au sommet des ailettes, sont effectuées après reconstitution de la paroi mince interne 29.

Ce type de montage de la paroi mince peut présenter un inconvénient dans la mesure où l'emplacement de la soudure circonférentielle 38 coïncide avec la zone de moindre diamètre du col, soumise à une érosion relativement importante. Pour éviter cet inconvénient et gagner en solidité (puisque la paroi mince est sertie sur la coque), on peut procéder comme représenté sur les figures 4A à 4C. Le tronçon 45 est usiné de façon à être plus long que dans l'exemple précédent mais sans que sa section longitudinale ne comporte de point d'inflexion. Le tronçon 46 est semblable à celui de l'exemple précédent mais plus court et amputé de sa partie amont. Dans ce cas, le simple positionnement du tronçon 45 dans la coque extérieure 27 se traduit par la situation illustrée 4A. On effectue alors une opération de galetage, classique, pour déformer la portion d'extrémité aval 40 du tronçon 45 et faire en sorte que celle-ci s'applique contre une partie du divergent, au-delà du col. Ceci aboutit à la situation de la figure 4B. Puis (figure 4C) le tronçon 46 est mis en place et la soudure circonférentielle 38a qui les réunit bout à bout se trouve ainsi décalée du col 14, à l'intérieur du divergent. Une autre variante concerne la fabrication de la coque 27 elle-même. Elle est mise en oeuvre notamment pour des chambres de propulsion de plus petite dimension. Dans ce cas, l'usinage intérieur d'une coque extérieure de révolution et en une seule pièce peut poser des problèmes, l'espace disponible dans la coque pouvant s'avérer insuffisant pour le passage des moyens d'usinage. On peut procéder à partir de deux demi-coques 37a, 37b identiques à l'intérieur desquelles il est facile de réaliser les canaux longitudinaux selon la configuration souhaitée. Ces canaux ne sont pas représentés sur la figure 5. Les deux demi-coques sont ensuite soudées bord à bord longitudinalement (soudures 40) suivant un plan de joint diamétral passant par l'axe de révolution X de ladite coque. La suite des opérations ne change pas et en particulier le montage des deux tronçons de la paroi mince interne 29 peut se faire comme représenté sur la figure 3 ou sur les figures 4A-4C. On va maintenant décrire de façon plus précise les différentes étapes du procédé de fabrication d'une chambre de propulsion (selon la figure 1 par exemple) en se référant aux figures 6 à 9. Certaines opérations décrites ci-dessous peuvent être exécutées 35 dans un ordre différent ou indépendamment les unes des autres.

Sur la figure 6, une ébauche 27a de révolution de la coque extérieure est placée sur un tour 42 et usinée intérieurement par un outillage classique 44, de façon à donner à la surface intérieure de ladite ébauche la forme et les dimensions de la chambre de propulsion souhaitée augmentées cependant de l'épaisseur de la paroi mince interne 29 de révolution qui lui sera ultérieurement adaptée. A l'issue de l'usinage de cette surface intérieure, on peut avantageusement relever, par tout appareillage de mesure 43 convenable, les cotes exactes de la surface intérieure qui vient d'être usinée. Ces données, mémorisées, pourront ainsi être utilisées ultérieurement pour la commande d'usinage de la surface extérieure de la paroi mince 29 destinée à être adaptée dans cette coque ou des tronçons devant le constituer. Les mêmes opérations peuvent être effectuées sur les deux ébauches qui seront ensuite tronçonnées longitudinalement pour ne garder qu'une demi-coque par ébauche pour constituer les deux demi-coques 37a, 37b. Après l'étape de la figure 6, on peut, comme représenté figure 7, procéder à l'usinage des canaux longitudinaux 31 par l'intérieur de la coque. On peut utiliser pour cela une fraise-scie 47, comme représenté. En variante, l'usinage des canaux sur deux demi-coques 37a, 37b ne pose aucune difficulté. Dans ce cas, les deux demi-coques sont soudées entre elles (figure 5) après usinage desdites canaux. Indépendamment de ces opérations concernant la coque 27 ou les demi-coques 37a, 37b, on procède à l'élaboration de la paroi mince interne 29. Selon les figures 8A, 8B, les deux ébauches 35a, 36a (prévues pour générer une paroi mince) de tronçons de cette paroi sont usinées intérieurement à la forme et aux dimensions intérieures définitives de la chambre de propulsion. Ces opérations peuvent mettre en oeuvre un équipement comparable à celui de la figure 6, c'est-à-dire un tour. L'usinage se fait par l'intérieur. On doit procéder à partir d'ébauches suffisamment épaisses pour éviter les déformations pendant ces opérations de surfaçage interne de la paroi mince. L'étape suivante consiste à usiner la surface extérieure de la paroi mince ou de chaque tronçon de celle-ci.

Pour ce faire, un mandrin support 49 de forme et dimensions correspondant à celles de la surface intérieure usinée de la paroi mince est mis en place sur un tour 52 et ladite paroi mince est placée et bridée sur ce mandrin. On peut utiliser un mandrin en deux parties 54, 55 dont la liaison en rotation est assurée par une clavette 56. On usine alors la surface extérieure de la paroi mince (sans déformation de celle-ci) à la forme et aux dimensions de la surface intérieure usinée de la coque extérieure 27. Avantageusement, on utilise le relevé des cotes de cette surface intérieure de la coque pour piloter la commande de l'outil de coupe 59 chargé d'usiner l'extérieur de la paroi mince. On met ensuite en place la paroi mince dans la coque 27. Cette paroi mince comporte au moins deux parties. On procède alors à la soudure circonférentielle 38 des extrémités, mises bout à bout, de la paroi mince. Au préalable il faut réaliser une opération de galetage pour former l'extrémité du tronçon 45. On peut même envisager de réaliser une opération de galetage sur toute la surface pour bien plaquer la paroi mince contre le sommet des ailettes avant de réaliser les opérations de soudage. Pour faciliter le montage et le contact, avant soudage, de la paroi mince sur la coque externe, on peut chauffer la coque externe et/ou refroidir la paroi mince. On procède ensuite au soudage de la paroi mince 29, par l'intérieur de la coque, c'est-à-dire à la réalisation des multiples soudures longitudinales 34 entre la paroi mince 29 et les ailettes 33 définies entre les canaux 31, comme représenté sur la figure 2. Ces soudures ont aussi pour effet de refermer et d'individualiser les canaux 25 du circuit de circulation de fluide de refroidissement. La figure 10 représente une variante de soudage pour réaliser les soudures 34 entre les ailettes 33 de la coque 27 et la paroi mince 29. On déplace longitudinalement un équipage mobile 60 comportant deux molettes de soudage 61, 62 le long du sommet de chaque ailette et on fait passer un fort courant électrique entre ces molettes qui engendre un échauffement principalement localisé au voisinage du sommet de l'ailette, ce qui entraine une soudure par fusion locale des métaux.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Chambre de propulsion de moteur-fusée comprenant un circuit de fluide refroidisseur intégré dans l'épaisseur de sa paroi, caractérisée en ce que ladite paroi comporte une coque extérieure (27) et une paroi mince interne (29) assemblée à la coque extérieure et en ce que ledit circuit de fluide refroidisseur est matérialisé par des canaux (31) usinés à l'intérieur de ladite coque, lesdits canaux étant refermés par ladite paroi mince interne (29), un réseau de soudures (34) entre la coque et la paroi mince interne individualisant des conduits (25) dudit circuit de fluide refroidisseur.
2. 2. Chambre de propulsion selon la revendication 1, caractérisée en ce que de tels canaux (31) sont pratiqués longitudinalement.
3. 3. Chambre de propulsion selon la revendication 1 ou 2, comprenant un col (14), caractérisée en ce que l'épaisseur de ladite paroi mince interne (29) est de l'ordre de grandeur de un à quelques millièmes du diamètre dudit col.
4. 4. Chambre de propulsion selon la revendication 3, caractérisée en ce que cette épaisseur est inférieure à 1 mm.
5. 5. Chambre de propulsion selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite épaisseur est de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm dans une zone juste en amont du col.
6. 6. Chambre de propulsion selon la revendication 1 ou 2, comportant un col (14), caractérisée en ce que des ailettes (33) séparant lesdits canaux au voisinage dudit col ont une épaisseur de l'ordre de 1 mm à 1,5 mm.
7. 7. Chambre de propulsion selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la profondeur des canaux (31) est de l'ordre de la moitié à un tiers de l'épaisseur de la paroi de ladite chambre.
8. 8. Chambre de propulsion selon l'une des revendications précédentes, comportant un col (14), caractérisée en ce qu'elle comporte une coque extérieure (27) monobloc et une paroi mince interne en deux tronçons (35, 36) de révolution, soudés bout à bout.
9. 9. Procédé de fabrication d'une chambre de propulsion 35 caractérisé par les opérations suivantes :- usinage de la surface intérieure d'une ébauche (27a) d'une coque extérieure de révolution de ladite chambre de propulsion à la forme et aux dimensions de la chambre souhaitée augmentées de l'épaisseur d'une paroi mince interne (29) de révolution, - usinage de canaux longitudinaux (31) par l'intérieur dans la paroi de ladite coque, définissant des ailettes (33), - usinage de la surface intérieure d'une ébauche d'une paroi mince interne précitée ou de tronçons d'une telle ébauche de paroi mince, - positionnement de ladite ébauche de paroi mince usinée intérieurement sur un mandrin support (49) de forme et dimensions correspondant à celles de la surface intérieure usinée de ladite paroi mince, - usinage de la surface extérieure de ladite ébauche de paroi mince à la forme et aux dimensions de la surface intérieure usinée d'une coque extérieure (27) précitée, - mise en place de la paroi mince (35, 36) dans ladite coque extérieure (27) et soudage de ladite paroi mince (35, 36) à ladite coque extérieure par un ensemble de soudures longitudinales (34) au sommet des ailettes (33).
10. 10. Procédé de fabrication d'une chambre de propulsion, caractérisé par les opérations suivantes : - usinage de la surface intérieure des ébauches de deux demi-coques longitudinales extérieures (37a, 37b) de ladite chambre de propulsion à la forme et aux dimensions de la chambre souhaitée, augmentées de l'épaisseur d'une paroi mince interne (29) de révolution, - usinage des canaux longitudinaux (31) dans la paroi de chaque demi-coque, du côté de l'intérieur de celle-ci, définissant des ailettes, - usinage de la surface intérieure d'une ébauche d'une paroi mince interne précitée ou de tronçons d'une telle ébauche de paroi mince, - positionnement de ladite ébauche de paroi mince usinée intérieurement sur un mandrin support (49) de forme et dimensions correspondant à celles de la surface intérieure usinée de ladite paroi mince,- usinage de la surface extérieure de ladite ébauche de paroi mince à la forme et aux dimensions de la surface intérieure usinée d'une coque extérieure (27) précitée, - soudage (40) des deux demi-coques longitudinales (37a, 37b) précitées pour obtenir une coque de révolution, - mise en place de ladite paroi mince (35, 36) dans ladite coque extérieure et soudage de ladite paroi mince à ladite coque par un ensemble de soudures longitudinales (34) au sommet des ailettes.
11. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que, dans le cas où la paroi mince est composée de plusieurs tronçons, on soude ces tronçons bout à bout par des soudures circonférentielles (38).
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que, après obtention de ladite coque extérieure de révolution avec paroi intérieure usinée, on relève (43) les cotes de ladite surface intérieure usinée et en ce qu'on utilise ces données ultérieurement pour la commande d'usinage de la surface extérieure de ladite paroi mince.