FR3058765A1 - Ensembles moteurs-fusees a liquides et procedes connexes. - Google Patents

Ensembles moteurs-fusees a liquides et procedes connexes. Download PDF

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Abstract

L'ensemble moteur-fusée à liquides comprend une chambre de poussée (440), une tuyère (430) et une structure de joint (410). La structure de joint (410) attache la chambre de poussée (440) et la tuyère (430) et comprend au moins un élément d'étanchéité et une bague d'attache (105) interposée entre la chambre de poussée (440) et la tuyère (430). Des pièces de fixation (420) s'étendent entre la tuyère (430) et la chambre de poussée (440) à travers l'au moins un élément d'étanchéité (100) et la bague d'attache (105). Les matériaux de la chambre de poussée (440) et de la tuyère (430) présentent des coefficients de dilatation thermique différents.

Description

Titulaire(s) : ORBITAL ATK, INC..
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : BARDEHLE PAGENBERG.
ENSEMBLES MOTEURS-FUSEES A LIQUIDES ET PROCEDES CONNEXES.
FR 3 058 765 - A1 f5j> L'ensemble moteur-fusée à liquides comprend une chambre de poussée (440), une tuyère (430) et une structure de joint (410). La structure de joint (410) attache la chambre de poussée (440) et la tuyère (430) et comprend au moins un élément d'étanchéité et une bague d'attache (105) interposée entre la chambre de poussée (440) et la tuyère (430). Des pièces de fixation (420) s'étendent entre la tuyère (430) et la chambre de poussée (440) à travers l'au moins un élément d'étanchéité (100) et la bague d'attache (105). Les matériaux de la chambre de poussée (440) et de la tuyère (430) présentent des coefficients de dilatation thermique différents.
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Les modes de réalisation de la présente invention concernent généralement les ensembles moteur-fusée à liquides, et les procédés de formation des ensembles moteur-fusée à liquides. Plus particulièrement, des modes de réalisation de la présente invention concernent des ensembles moteur-fusée à liquides incluant des structures de joint raccordant des chambres de poussée à des tuyères, et des procédés connexes.
Les ensembles moteur-fusée à liquides utilisent des liquides, tels que l’hydrogène liquide ou l’oxygène liquide, en tant que source ou sources parmi des sources de propergol, des sources de combustible, et des sources de comburant. Les ensembles moteur-fusée à liquides peuvent être rapidement avitaillés et ré-avitaillés, et la densité relativement haute de liquides en tant que sources de propergol peut faciliter l’utilisation de réservoirs de stockage relativement plus petits. Les ensembles moteurfusée à liquides classiques incluent un réservoir à combustible, un réservoir à comburant, des pompes, une chambre de poussée, et une tuyère. Le combustible et le comburant sont pompés dans la chambre de poussée et brûlés, produisant des gaz d’échappement de haute température et de haute pression. Les gaz chauds passent à travers la tuyère, accélérant le débit et produisant une poussée suffisante pour propulser un véhicule incluant l’ensemble moteur-fusée à liquides.
Divers composants des ensembles moteur-fusée à liquides sont faits de matériaux différents, qui se dilatent et se contractent à des vitesses différentes lorsqu’ils sont exposés à des hautes températures et hautes pressions durant l’utilisation et le fonctionnement des ensembles moteur-fusée à liquides. La tuyère est normalement faite d’un matériau composite de carbone-carbone (C-C), alors que la chambre de poussée est faite de métal, tel que du cuivre. La tuyère et la chambre de poussée sont fixées l’une à l’autre par des pièces de fixation, telles que des pièces de fixation en métal. Comme la tuyère, la chambre de poussée, et les pièces de fixation sont faites de matériaux différents présentant des coefficients de dilatation thermique (CTE) nettement différents, l’ensemble moteur-fusée à liquides peut subir une perte de performances et d’intégrité durant son utilisation et son fonctionnement, particulièrement si le moteur est allumé et éteint en cycle à plusieurs reprises, créant de grands changements de température. Les composants en métal rétrécissent plus que les composants en carbone-carbone car le carbone-carbone possède un CTE plus bas. Pour résoudre ce problème, divers procédés de refroidissement des composants ont été étudiés. Par exemple, la chambre de poussée et la tuyère incluent normalement des systèmes de refroidissement, tels que des systèmes de refroidissement par récupération, qui font circuler les liquides (par exemple, l’hydrogène liquide ou l’oxygène liquide) ou de l’eau à travers une chemise ou des tubes entourant la chambre de poussée et la tuyère. Les liquides chauffés sont alors transportés vers la chambre de poussée pour la combustion. Pour faire circuler le combustible et/ou le comburant pour le refroidissement, les ensembles moteur-fusée à liquides incluent diverses vannes et un tubage, ce qui augmente la complexité et le coût à la conception.
Donc, il serait souhaitable d’obtenir une manière plus rentable mais plus sûre pour attacher la tuyère et la chambre de poussée pour tenir compte des différences de dilatation thermique entre des matériaux différents adjacents, et pour réduire, voire éliminer, la nécessité de refroidissement actif d’ensembles moteur-fusée à liquides. Il est également souhaitable que des espaces entre la tuyère et la chambre de poussée soient étanchéifiés.
Des modes de réalisation décrits dans les présentes incluent un ensemble moteur-fusée à liquides comprenant une chambre de poussée, une tuyère, et une structure de joint. La structure de joint attache la chambre de poussée et la tuyère et comprend au moins un élément d’étanchéité, une bague d’attache, et des pièces de fixation. La bague d’attache est interposée entre la chambre de poussée et la tuyère et les pièces de fixation s’étendent entre la chambre de poussée et la tuyère à travers la bague d’attache et l’au moins un élément d’étanchéité. Des matériaux de la chambre de poussée et de la tuyère présentent des coefficients de dilatation thermique différents.
Dans des modes de réalisation supplémentaires, un procédé de formation d’un ensemble moteur-fusée à liquides est divulgué. Le procédé comprend le placement d’une structure de joint comprenant au moins un élément d’étanchéité et une bague d’attache entre une tuyère et une chambre de poussée. Des pièces de fixation sont insérées à travers des trous mutuellement alignés dans la structure de joint, la tuyère, et la chambre de poussée et serrées dans des alésages filetés de la chambre de poussée. Les matériaux de la chambre de poussée et de la tuyère présentent des coefficients de dilatation thermique différents.
La figure 1 est un schéma simplifié d’un élément d’étanchéité d’une structure de joint dans un ensemble moteur-fusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 2 est un schéma simplifié d’un segment d’une bague d’attache de la structure de joint dans l’ensemble moteur-fusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 3 est un schéma simplifié d’une bague isolante de la structure de joint dans l’ensemble moteur-fusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 4 est un schéma simplifié de la structure de joint dans l’ensemble moteurfusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 5 est un schéma simplifié de la structure de joint dans l’ensemble moteurfusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 6 est un schéma simplifié de la structure de joint dans l’ensemble moteurfusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 7 est un schéma simplifié de la structure de joint dans l’ensemble moteurfusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 8 est un schéma simplifié de la structure de joint dans l’ensemble moteurfusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 9 est un schéma simplifié de la structure de joint dans l’ensemble moteurfusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 10 est un schéma simplifié de la structure de joint dans l’ensemble moteurfusée à liquides selon un mode de réalisation de la présente invention.
Une structure de joint pour attacher (par exemple, assujettir) une tuyère (par exemple, un cône d’éjection) et une chambre de poussée d’un ensemble moteur-fusée à liquides est divulguée. La tuyère et la chambre de poussée sont formées à partir de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique (CTE) différents. La structure de joint peut être configurée pour tenir compte des taux de dilatation ou de contraction différents des matériaux de la tuyère et de la chambre de poussée, réduisant le potentiel de défaillance de l’ensemble moteur-fusée à liquides. En dépit des conditions et variations de température et de pression extrêmes, auxquelles l’ensemble moteur-fusée à liquides est exposé, la structure de joint peut assujettir la tuyère à la chambre de poussée, peut fournir un joint d’étanchéité entre la tuyère et chambre de poussée, et peut isoler des composants de l’ensemble moteur-fusée à liquides des températures et pressions extrêmes. En sélectionnant de façon appropriée des matériaux et des configurations de la structure de joint, un refroidissement séparé de la tuyère n’est pas nécessaire. La conception de l’ensemble moteur-fusée à liquides est simplifiée avec une telle structure de joint, ayant pour résultat des coûts de fabrication réduits et des temps de fabrication plus courts, tout en fournissant de meilleures performances de l’ensemble moteur-fusée en fonctionnement. La configuration de la structure de joint peut être adaptée spécifiquement à l’application particulière pour l’ensemble moteurfusée à liquides. Par exemple, des facteurs tels que la température de fonctionnement, la pression de fonctionnement, le temps de fonctionnement (par exemple, le temps de combustion), la possibilité d’utilisation répétée de composants, et le coût peuvent affecter la configuration de la structure de joint. Une protection contre l’oxydation de la tuyère est également divulguée.
La description suivante fournit des détails spécifiques, tels que des dimensions, des formes, des compositions, et des orientations de matériau afin de fournir une description complète des modes de réalisation de la présente invention. Cependant, un homme ordinaire du métier comprendra que les modes de réalisation de la présente invention peuvent être pratiqués sans nécessairement employer ces détails spécifiques. Des modes de réalisation de la présente invention peuvent être pratiqués conjointement avec des techniques de fabrication classiques employées dans l’industrie. De plus, la description fournie ci-dessus ne forme pas un flux de procédé complet pour fabriquer un ensemble moteur-fusée à liquides. Seulement les étapes et structures de procédé nécessaires pour comprendre les modes de réalisation de la présente invention sont décrites en détail ci-dessous. Des étapes supplémentaires pour former un ensemble moteur-fusée à liquides complet à partir des structures décrites dans les présentes peuvent être réalisées par l’intermédiaire de procédés classiques de fabrication et d’assemblage.
Les dessins exposés dans les présentes sont illustratifs seulement, et ne sont pas prévus pour être des vues réelles de quelconque composant, structure, ou dispositif particulier. Des variations, par rapport aux formes illustrées sur les dessins, en conséquence, par exemple, de techniques et/ou de tolérances de fabrication, doivent être attendues. Ainsi, des modes de réalisation décrits dans les présentes ne doivent pas être interprétés comme étant limités aux formes ou régions particulières telles qu’illustrées, mais incluent des variations de formes qui sont les résultats, par exemple, de la fabrication. Par exemple, une région illustrée ou décrite comme étant sous forme de boîte peut présenter des caractéristiques irrégulières et/ou non linéaires, et une région illustrée ou décrite comme étant ronde peut inclure certaines caractéristiques irrégulières et/ou linéaires. En outre, des angles aigus qui sont illustrés peuvent être arrondis, et vice versa. Ainsi, les régions illustrées sur les figures sont de nature schématique, et leurs formes ne sont pas prévues pour illustrer la forme précise d’une région et ne sont pas limitatives. Les dessins ne sont pas nécessairement à échelle.
Tels qu’utilisés dans les présentes, les termes comprenant, incluant, contenant, caractérisé par, et des équivalents grammaticaux de ceux-ci, sont des termes inclusifs ou ouverts qui n’excluent pas des éléments ou étapes de procédé supplémentaires non énumérés, mais également incluent les termes plus restrictifs constitué de et constitué essentiellement de et des équivalents grammaticaux de ceux-ci. Tel qu’utilisé dans les présentes, le terme peut, par rapport à un matériau, une structure, une caractéristique ou une étape de procédé, indique que celui/celle-ci est envisagé(e) pour l’utilisation dans la mise en œuvre d’un mode de réalisation de la présente invention et ce terme est utilisé de préférence au terme plus restrictif est afin d’éviter toute implication que d’autres matériaux, structures, caractéristiques et procédés compatibles utilisables en association avec celui-ci soient ou doivent être exclus.
Tels qu’utilisés dans les présentes, des termes spatialement relatifs, tels qu’en dessous, sous, inférieur, bas, au-dessus, par-dessus, supérieur, haut, avant, arrière, gauche, droite, avant, arrière, et analogues, peuvent être utilisés pour faciliter la description pour décrire la relation d’un élément ou d’une caractéristique par rapport à un(e) autre ou d’autres élément(s) ou caractéristique(s) tel(le)s qu’illustré(e)s sur les figures. Sauf spécification contraire, les termes spatialement relatifs sont prévus pour inclure des orientations différentes des matériaux, en plus de l’orientation illustrée sur les figures. Par exemple, si des matériaux sur les figures sont inversés, des éléments décrits comme étant par-dessus ou au-dessus ou sur ou en haut d’autres éléments ou caractéristiques seraient alors orientés par-dessous ou en dessous ou sous ou en bas des autres éléments ou caractéristiques. Ainsi, le terme par-dessus peut inclure à la fois une orientation d’au-dessus et d’en dessous, suivant le contexte dans lequel le terme est utilisé, ce qui sera évident pour l’homme ordinaire du métier. Les matériaux peuvent être orientés autrement (par exemple, tournés de 90 degrés, retournés, renversés) et les éléments descriptifs spatialement relatifs utilisés dans les présentes interprétés en conséquence.
Tels qu’utilisés dans les présentes, les termes configuré et configuration font référence à une dimension, une forme, une composition de matériau, une orientation, et un agencement d’un(e) ou de plusieurs parmi au moins une structure et au moins un appareil facilitant le fonctionnement d’un(e) ou de plusieurs parmi la structure et l’appareil de manière prédéterminée.
Tel qu’utilisé dans les présentes, le terme sensiblement, en référence à un paramètre donné, une propriété ou une condition donnée, signifie et inclut, dans une mesure que l’homme ordinaire du métier comprendra, que le paramètre donné, la propriété ou la condition donnée est respecté(e) avec un degré de variance, tel qu’au sein de tolérances de fabrication acceptables. À titre indicatif, en fonction du paramètre particulier, de la propriété ou condition particulière qui est sensiblement respecté(e), le paramètre, la propriété ou condition peut être respecté(e) à au moins 90,0 %, respecté(e) à au moins 95,0 %, respecté(e) à au moins 99,0 %, voire même respecté(e) à au moins 99,9 %. Tel qu’utilisé dans les présentes, le terme environ en référence à un paramètre donné est inclusif de la valeur indiquée et possède la signification dictée par le contexte (par exemple, il inclut le degré d’erreur associé à une mesure du paramètre donné).
La structure de joint de modes de réalisation de la présente invention inclut au moins un élément d’étanchéité 100, des segments 500 d’une bague d’attache 105, et, optionnellement, une bague isolante 110, comme cela est représenté sur les figures 1 à 3, respectivement. La structure de joint 410 inclut également des pièces de fixation 420 pour attacher la tuyère 430 et la chambre de poussée 440 en insérant les pièces de fixation 420 à travers la structure de joint 410 et une bride 450 (voir les figures 4 à 10) sur la chambre de poussée 440 et en serrant les pièces de fixation 420 dans un alésage fileté 445 dans la bride 450. La structure de joint 410 peut également, optionnellement, inclure une bague de support 460. Bien que des modes de réalisation de la présente invention puissent être décrits et illustrés dans les présentes comme incluant une seule structure de joint 410, l’ensemble moteur-fusée à liquides peut inclure de multiples structures de joint 410 pour attacher fermement la tuyère 430 et la chambre de poussée 440.
Durant l’utilisation et le fonctionnement, la tuyère 430, la chambre de poussée 440, la structure de joint 410, et la bride 450 peuvent être exposées à des conditions de température et de pression extrêmes. La structure de joint 410 peut être configurée pour supporter les conditions de température et de pression pour le temps de combustion prévu de l’ensemble moteur-fusée à liquides, tel qu’au moins environ 10 secondes, au moins environ 12 secondes, au moins environ 15 secondes, au moins environ 20 secondes, au moins environ 30 secondes, au moins environ 40 secondes, au moins environ 50 secondes, au moins environ 60 secondes, au moins environ 100 secondes, au moins environ 200 secondes, au moins environ 300 secondes, ou au moins environ 600 secondes en fonction de l’application pour l’ensemble moteurfusée à liquides. Des facteurs tels que la température de fonctionnement, la pression de fonctionnement, le temps de fonctionnement (par exemple, le temps de combustion), la possibilité d’utilisation répétée de composants, et le coût peuvent affecter la configuration de la structure de joint 410. Dans certains modes de réalisation, la structure de joint 410 est configurée pour un temps de combustion d’au moins environ 100 secondes, d’au moins environ 200 secondes, ou d’au moins environ 300 secondes.
Chacun parmi l’élément d’étanchéité 100, la bague d’attache 105, et la bague isolante 110, si elle est présente, peut être dimensionné et formé de façon appropriée pour correspondre aux dimensions et géométrie des extrémités de la tuyère 430 et de la chambre de poussée 440 destinées à être fixées l’une à l’autre. Comme cela est représenté sur les figures 1 à 3, l’élément d’étanchéité 100, la bague d’attache 105, et la bague isolante 110, si elle est présente, peuvent être annulaires ou de forme sensiblement annulaire. L’élément d’étanchéité 100 et la bague d’attache 105 peuvent présenter des diamètres extérieurs Dl, Dl’ qui correspondent généralement aux diamètres extérieurs des extrémités de la tuyère 430 et de la chambre de poussée 440 destinées à être fixées l’une à l’autre. Comme cela est représenté sur les figures 6, 8, et 9, les diamètres intérieurs D2, D2’ de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105 peuvent être sensiblement similaires l’un à l’autre et peuvent correspondre aux diamètres intérieurs des extrémités de la tuyère 430 et de la chambre de poussée 440. En variante, les diamètres intérieurs D2, D2’ de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105 peuvent être différents l’un de l’autre, comme cela est représenté sur la figure 7. Par exemple, le diamètre intérieur D2 de l’élément d’étanchéité 100 peut être inférieur au diamètre intérieur D2’ de la bague d’attache 105. La bague isolante 110, si elle est présente, peut posséder un diamètre extérieur Dl” qui correspond généralement aux diamètres extérieurs des extrémités de la tuyère 430 et de la chambre de poussée 440 destinées à être fixées l’une à l’autre. Le diamètre extérieur Dl” de la bague isolante 110 peut également correspondent généralement aux diamètres extérieurs Dl, Dl’ de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105.
Le diamètre intérieur (non représenté) de la bague isolante 110 sur la figure 5 peut être inférieur aux diamètres intérieurs (non représentés) de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105. En variante, la bague isolante 110 peut posséder un diamètre extérieur D Γ ’ et un diamètre intérieur D2” qui sont inférieurs aux diamètres extérieurs et intérieurs respectifs Dl, Dl’, D2, D2’ de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105, comme cela est représenté sur les figures 7 et 10.
L’élément d’étanchéité 100 (voir figure 1) peut posséder des surfaces sensiblement plates (par exemple, planes) et une première surface (par exemple, supérieure) 470 de l’élément d’étanchéité 100 peut être disposée de façon proximale à la chambre de poussée 440 alors qu’une seconde surface opposée (par exemple, inférieure) 480 de l’élément d’étanchéité 100 est disposée de façon proximale à la bague d’attache 105. L’élément d’étanchéité 100 peut être formé à partir d’un matériau flexible pour étanchéifier des espaces (par exemple, des lignes de séparation) entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440 et peut être résistant aux conditions de température et de pression produites durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides. L’élément d’étanchéité 100 peut également être résistant à des gaz de combustion ou sous-produits corrosifs ou autrement réactifs formés durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides. L’élément d’étanchéité 100 peut également protéger la structure de joint 410 de dégâts résultant de forces de compression appliquées durant l’attache de la tuyère 430 et durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides. L’élément d’étanchéité 100 peut être formé à une épaisseur suffisante pour étanchéifier les espaces entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440, laquelle épaisseur peut varier d’environ 0,010 pouce (environ 0,254 mm) à environ 0,100 pouce (environ 2,54 mm). Dans un mode de réalisation, l’élément d’étanchéité 100 possède une épaisseur d’environ 0,050 pouce (environ 1,27 mm). L’élément d’étanchéité 100 peut être formé à partir d’un matériau en graphite flexible, tel que le graphite flexible GRAFOIL®, qui est commercialement disponible auprès de GrafTech International Holdings Inc. (Independence, OH). L’élément d’étanchéité 100 peut être formé en une forme souhaitée par des techniques classiques, telles que l’usinage, le moulage, etc., qui ne sont pas décrites en détail dans les présentes. Bien que des modes de réalisation dans les présentes puissent décrire et illustrer l’élément d’étanchéité 100 en tant que rondelle, l’élément d’étanchéité 100 peut être configuré en une autre forme capable d’étanchéifier les espaces entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440. L’élément d’étanchéité 100 peut inclure des trous 490 autour de sa circonférence extérieure à travers lesquels les pièces de fixation 420 sont insérées et serrées dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 pour attacher la tuyère 430 à la chambre de poussée 440. Les trous 490 peuvent être dimensionnés et configurés de façon appropriée pour s’aligner avec des trous correspondants 540 dans la bague d’attache 105 et dans la bague isolante 110, si elle est présente. Bien que vingt-quatre trous 490 soient illustrés sur la figure 1, le nombre de trous 490 peut être augmenté ou réduit en fonction de la dimension, de la géométrie et de la configuration de la structure de joint 410 et de la bride 450.
La bague d’attache 105 (voir figure 2) peut assujettir la structure de joint 410 à la tuyère 430 et la chambre de poussée 440 et peut également réduire une température à laquelle des composants en métal voisins de l’ensemble moteur-fusée à liquides sont soumis. Comme cela est représenté sur la figure 2, le segment en forme de C 500 de la bague d’attache 105 peut inclure un rebord 510 proximal à une périphérie intérieure de celui-ci. Le rebord 510 est dimensionné et configuré pour accepter une portion d’une protubérance annulaire 520 (voir les figures 4 à 10) de la tuyère 430 sur celuici. Bien que la figure 2 illustre un seul segment 500 de la bague d’attache 105, la bague d’attache 105 inclut deux segments en forme de C » 500 (à savoir, des segments divisés) pour faciliter l’assemblage de la structure de joint 410 et de l’ensemble moteur-fusée à liquides. Lorsque l’on fait référence à des diamètres intérieurs de la bague d’attache 105 dans les présentes, le diamètre intérieur fait référence à la distance entre le rebord 510 d’un segment 500 et le rebord 510 du second segment 500. La bague d’attache 105 peut entourer de façon circonférentielle une portion des pièces de fixation 420. La bague d’attache 105 peut être formée à une épaisseur suffisante pour isoler thermiquement des composants en métal de l’ensemble moteur-fusée à liquides, tels qu’une épaisseur d’environ 0,050 pouce (environ 1,27 mm) à environ 0,500 pouce ίο (environ 12,7 mm). A titre indicatif seulement, l’épaisseur de la bague d’attache 105 peut être suffisante pour isoler thermiquement les pièces de fixation 420. Par exemple, les pièces de fixation 420 peuvent être au ras de la surface arrière 530 de la bague d’attache 105 ou peuvent être évidées à l’intérieur de la bague d’attache 105. La bague d’attache 105 peut être formée d’un matériau en métal, tel que de l’acier, d’un matériau phénolique de carbone, d’un matériau phénolique de silice, d’un matériau de zircone stabilisée par oxyde d’yttrium (YSZ), d’un matériau de carbone-carbone, d’un matériau phénolique de tissu de carbone, ou d’un matériau de carbone-carbone plus carbure de silicium. La bague d’attache 105 peut présenter un angle de pli de 30°, un angle de pli de 15°, ou un angle de pli de 0°. La bague d’attache 105 est formée en une forme souhaitée par des techniques classiques, telles que l’usinage, le moulage, etc., qui ne sont pas décrites en détail dans les présentes. La bague d’attache 105 peut inclure des trous 540 autour de sa circonférence extérieure à travers lesquels les pièces de fixation 420 sont insérées et serrées dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 pour assujettir la tuyère 430 et la chambre de poussée 440. Les trous 540 peuvent être dimensionnés et configurés de façon appropriée pour s’aligner avec des trous correspondants 490, 560 dans l’élément d’étanchéité 100 et la bague isolante 110, si elle est présente. Bien que douze trous 540 soient illustrés sur la figure 2, le nombre de trous 540 peut être augmenté ou réduit en fonction de la dimension, de la géométrie et de la configuration de la bride 450 et de la structure de joint 410.
La bague d’attache 105 peut être disposée de façon distale à la chambre de poussée 440 (à savoir, proximale à la tuyère 430) et sous l’élément d’étanchéité 100 et la bague isolante 110, si elle est présente, (voir les figures 5, 6, 8, et 9). En variante, la bague d’attache 105 peut être disposée de façon distale à la chambre de poussée 440 (à savoir, proximale à la tuyère 430) et sous l’élément d’étanchéité 100, et de façon latéralement adjacente à la bague isolante 110 (voir figure 7). En variante, la bague d’attache 105 peut être disposée de façon distale à la chambre de poussée 440 (à savoir, proximale à la tuyère 430) et sous l’élément d’étanchéité 100, et espacée de la bague isolante 110, par exemple par bague de support 460 (voir figure 10).
Le matériau sélectionné pour la bague d’attache 105 peut affecter le taux de défaillance des composants en métal de l’ensemble moteur-fusée à liquides. En fonction du matériau sélectionné, l’ensemble moteur-fusée à liquides peut être adapté pour fonctionner pendant des temps d’action plus longs ou pendant des temps d’action plus courts. À titre indicatif seulement, si le matériau phénolique de carbone ou matériau phénolique de silice est utilisé, l’ensemble moteur-fusée à liquides peut être mis en fonctionnement pendant un maximum d’environ 240 secondes. Si le matériau de carbone-carbone plus carbure de silicium est utilisé, l’ensemble moteur-fusée à liquides peut être mis en fonctionnement pendant plus d’environ 600 secondes. Si la bague d’attache 105 est formée du matériau YSZ, l’un quelconque des composants en métal voisins, tels que les pièces de fixation 420, peut être exposé aux températures et pressions de fonctionnement souhaitées et subir un taux de défaillance réduit. L’ensemble moteur-fusée à liquides peut, donc, être utilisé pendant des périodes plus longues car les composants en métal sont protégés de la défaillance due à l’exposition à la chaleur.
En fonction de l’application de l’ensemble moteur-fusée à liquides, la bague d’attache 105 peut être durcie ou post-durcie. Pour un ensemble moteur-fusée à liquides configuré pour un temps de combustion plus long, la bague d’attache 105 peut être post-durcie (par exemple, traitée thermiquement après durcissement) pour minimiser la décomposition du matériau de la bague d’attache 105. Il s’est avéré que les matériaux durcis de la bague d’attache 105 peuvent produire des produits de décomposition combustibles. Cependant, si le matériau de la bague d’attache 105 est post-durci, par exemple en étant chauffé jusqu’à une température d’environ 300 °F (environ 149°C), d’environ 400 °F (environ 204°C), ou d’environ 500 °F (environ 260°C), la production de produits de décomposition combustibles peut être réduite, ce qui augmente le temps de combustion de l’ensemble moteur-fusée à liquides.
La bague isolante 110 (voir figure 3), si elle est présente, peut être disposée entre l’élément d’étanchéité 100 et la bague d’attache 105 (voir figure 5), disposée entre la bague d’attache 105 et la tuyère 430 (voir figure 7), ou disposée de façon axiale à la tuyère 430 (voir figure 10). La bague isolante 110 peut isoler des composants en métal de l’ensemble moteur-fusée à liquides en réduisant une température effective à laquelle les composants sont exposés. La bague isolante 110 peut être formée d’un matériau phénolique de carbone ou d’un matériau YSZ en une forme souhaitée par des techniques classiques, telles que l’usinage, le moulage, etc., qui ne sont pas décrites en détail dans les présentes. La bague isolante 110 peut inclure des surfaces inclinées 550 (voir figure 3) proximales à une périphérie intérieure de celle-ci. Les surfaces inclinées 550 de la bague isolante 110 s’étanchéifient avec la seconde surface (par exemple, inférieure) 480 de l’élément d’étanchéité 100 lorsque les pièces de fixation 420 sont serrées. Dans un mode de réalisation, la bague isolante 110 est formée d’un phénolique de tissu de carbone. La bague isolante 110 peut être formée à une épaisseur suffisante pour isoler thermiquement les composants en métal de l’ensemble moteur-fusée à liquides, telle qu’une épaisseur d’environ 0,050 pouce (environ 1,27 mm) à environ 0,500 pouce (environ 12,7 mm). Dans un mode de réalisation, la bague isolante 110 est formée à une épaisseur d’environ 0,100 pouce (2,54 mm). Dans certains modes de réalisation, les diamètres intérieur et extérieur de la bague isolante 110 peuvent être inférieurs aux diamètres intérieurs et extérieurs de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105 alors que dans d’autres modes de réalisation, les diamètres intérieur et extérieur de la bague isolante 110 peuvent être sensiblement identiques aux diamètres intérieurs et extérieurs de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105.
La bague isolante 110 peut inclure des trous 560 (voir figure 3) autour de sa circonférence pour assujettir la tuyère 430 et la chambre de poussée 440. Les trous 560 peuvent être dimensionnés et configurés de façon appropriée pour s’aligner avec des trous correspondants 490 dans l’élément d’étanchéité 100 et des trous 540 de la bague d’attache 105. Les pièces de fixation 420 peuvent être insérées à travers les trous 560 et serrées dans des alésages filetés alignés 445 dans la bride 450 pour assujettir la tuyère 430 et la chambre de poussée 440. Cependant, dans d’autres modes de réalisation, la bague isolante 110 peut être retenue en place par pression sur l’élément d’étanchéité 100 et la bague d’attache 105 exercée en serrant les pièces de fixation 420.
La bague isolante 110 peut être durcie ou post-durcie en fonction de l’application prévue. Pour des ensembles moteur-fusée à liquides nécessitant des temps de combustion plus longs (par exemple, environ 100 secondes ou plus, environ 200 secondes ou plus, environ 300 secondes ou plus, environ 400 secondes ou plus, environ 500 secondes ou plus, ou environ 600 secondes ou plus), la bague isolante 110 peut être post-durcie (par exemple, traitée thermiquement après durcissement) pour minimiser la décomposition du matériau de la bague isolante 110. Sans le traitement thermique, la bague isolante 110 peut se décomposer et produire des sous-produits gazeux volatils et combustibles. Cependant, pour des applications où des temps de combustion plus courts (par exemple, inférieurs à environ 100 secondes) des ensembles moteur-fusée à liquides sont nécessaires, la décomposition de la bague isolante 110 peut être minimale.
Pour attacher la tuyère 430 et la chambre de poussée 440, les pièces de fixation 420 peuvent être insérées à travers les trous 540 dans la bague d’attache 105 (voir figure 2), les trous 490 dans l’élément d’étanchéité 100 (voir figure 1), et les trous 560 dans la bague isolante 110 (si elle est présente) (voir figure 3) et serrées à un couple approprié. Comme l’élément d’étanchéité 100 est formé d’un matériau flexible, le serrage des pièces de fixation 420 peut étanchéifier de quelconques espaces entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440. Dans des modes de réalisation où un matériau YSZ est utilisé pour la bague isolante 110, le matériau YSZ peut en outre étanchéifier de quelconques espaces entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440. Les pièces de fixation 420 peuvent inclure, sans toutefois y être limitées, des vis ou boulons. Dans un mode de réalisation, les pièces de fixation 420 sont des vis d’assemblage à têtes creuses. Les pièces de fixation 420 peuvent être insérées dans la bague d’attache 105 à partir du côté arrière de la tuyère 430. Une longueur des pièces de fixation 420 peut être sélectionnée en fonction de l’épaisseur de la structure de joint 410, telle que l’épaisseur de la bague d’attache 105, de la bague isolante 110 (si elle est présente), et de l’élément ou des éléments d’étanchéité 100. Le diamètre des pièces de fixation 420 peut être sélectionné en fonction de la charge structurale de l’ensemble moteur-fusée à liquides. Les pièces de fixation 420 peuvent être formées d’un métal ou d’un alliage de métal qui est résistant à de hautes températures, tel que de l’acier, d’un alliage de titane-zirconium-molybdène (TZM), ou d’un alliage de nickel, de chrome, de tungstène, et de molybdène (HAYNES® 230). Les pièces de fixation 420 peuvent être entourées de façon circonférentielle par la bague d’attache 105, l’élément ou les éléments d’étanchéité 100, la bague de support 460, et, optionnellement, par la bague isolante 110.
Une fois serrées dans les alésages filetés 445 dans la bride 450, les pièces de fixation 420 peuvent être évidées par rapport à la surface arrière 530 de la bague d’attache 105. Le degré d’évidement peut dépendre de l’épaisseur de la bague d’attache 105. Dans des applications où l’épaisseur de la bague d’attache 105 doit être minimisée, les pièces de fixation 420 peuvent être au ras de la surface arrière 530 de la bague d’attache 105 ou légèrement évidées dans la bague d’attache 105. Les pièces de fixation 420 peuvent être plus évidées lorsque la bague d’attache 105 est formée à une épaisseur plus importante. En évidant les pièces de fixation 420 par rapport à la surface arrière 530 de la bague d’attache 105, une température effective à laquelle les pièces de fixation 420 sont exposées est réduite.
La tuyère 430 peut être de forme sensiblement tronconique, avec des parois latérales intérieures et des parois latérales extérieures 570 définissant la tuyère 430. A une extrémité proximale à la chambre de poussée 440, les parois latérales extérieures 570 de la tuyère 430 peuvent inclure la protubérance 520 qui entre en prise avec le rebord 510 de la bague d’attache 105. La tuyère 430 peut être formée d’un matériau de C-C (carbone-carbone) et inclure un renfort en fibres de carbone optionnel. Le matériau de la tuyère 430 peut posséder un faible CTE. A titre indicatif seulement, le renfort en fibres de carbone peut inclure, sans toutefois y être limité, une rayonne, du polyacrylonitrile (PAN) discontinu craqué, ou des fils mélangés discontinus craqués de PAN et de fibres de PAN oxydé. Le renfort en fibres de carbone peut être bidimensionnel (2D) ou tridimensionnel (3D). La tuyère 430 peut être formée par des techniques classiques, qui ne sont pas décrites en détail dans les présentes. Par exemple, le matériau de C-C peut être enroulé en bande autour d’un mandrin, et durci pour former une préforme de phénolique de tissu de carbone (CCP). La préforme peut être usinée pour produire la tuyère 430 présentant une forme souhaitée. Après l’usinage, la tuyère 430 peut être post-durcie (par exemple, traitée thermiquement) pour réduire la quantité de sous-produits de durcissement et pour fournir une porosité pour la libération de produits de décomposition. La tuyère 430 peut être plus traitée thermiquement et densifiée à une densité souhaitée. La tuyère 430 peut alors être usinée en sa forme finale. Dans un mode de réalisation, la tuyère peut être formée à partir d’une matrice de résine phénolique remplie de carbone sur un tissu de carbone précurseur de PAN, tel que celui disponible auprès de Barrday Composite Solutions (Millbury, MA) sous l’appellation LR1406. La tuyère 430 peut être plus traitée en sa forme souhaitée. Comme cela est expliqué de façon plus détaillée ci-dessous, la tuyère 430 peut inclure un revêtement d’oxydation optionnel pour protéger la tuyère 430 de l’environnement à hautes température et pression de l’ensemble moteur-fusée à liquides.
En sélectionnant de façon appropriée les matériaux et configurations de la structure de joint 410, la tuyère 430 peut ne pas nécessiter de système de refroidissement actif séparé. La tuyère 430 peut, donc, ne pas posséder de système de refroidissement séparé alors qu’un système de refroidissement peut être présent sur la chambre de poussée 440. La chaleur produite durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides peut être absorbée par le système de refroidissement sur la chambre de poussée 440 et par des composants de la structure de joint 410. En outre, le refroidissement de la tuyère 430 peut se produire par contact (par exemple, conduction) entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440. Comme aucun système de refroidissement n’est présent sur la tuyère 430, la complexité et le coût de l’ensemble moteur-fusée à liquides sont réduits.
Le matériau de la chambre de poussée 440 peut être sélectionné pour supporter de hautes températures et pressions produites durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides et peut posséder un haut CTE. La chambre de poussée 440 peut être formée d’un métal ou d’un alliage de métal, tel que du cuivre, d’un alliage de cuivre, d’acier, d’un alliage d’acier, de nickel, d’un alliage de nickel, d’aluminium, ou d’un alliage d’aluminium. Dans un mode de réalisation, la chambre de poussée 440 est formée d’un alliage d’acier résistant à de hautes températures. La chambre de poussée 440 de l’ensemble moteur-fusée à liquides peut être configurée pour l’utilisation avec un quelconque combustible liquide et comburant liquide y compris, sans toutefois y être limité, de l’oxygène liquide, du propane liquide, du méthane liquide, de l’hydrogène liquide, de l’ammoniac liquide, du kérosène liquide, du propergol raffiné-1 (RP-1), de l’oxyde nitreux, du peroxyde d’hydrogène, ou des associations de ceux-ci. La chambre de poussée 440 peut inclure la bride 450, par exemple une bride en métal, pour l’attache à la tuyère 430. La bride 450 peut être formée à partir de matériaux classiques et présenter une configuration classique et, donc, n’est pas décrite en détail dans les présentes. L’ensemble moteur-fusée à liquides peut inclure un système de refroidissement (non représenté), tel qu’un système de refroidissement par récupération, pour la chambre de poussée 440. De tels systèmes de refroidissement sont connus dans l’art et, donc, ne sont pas décrits en détail dans les présentes.
En sélectionnant de façon appropriée les matériaux et configurations de la structure de joint 410, la tuyère 430 et la chambre de poussée 440 de l’ensemble moteur-fusée à liquides peuvent être fermement fixées l’une à l’autre. Même si des matériaux commencent à se dégrader durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides, une force peut rester sur d’autres composants de l’ensemble moteur-fusée à liquides en raison des surfaces inclinées 550 de la bague isolante 110. En utilisant des matériaux possédant des CTE différents, la force et les surfaces inclinées 550 peuvent maintenir le joint d’étanchéité entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440 même lorsque les matériaux des autres composants se dilatent. Les surfaces inclinées 550 de la bague isolante 110 permettent à la structure de joint 410 de se serrer, ainsi maintenant le joint d’étanchéité entre la tuyère 430 et la chambre de poussée 440.
Des conductivités et des CTE de matériaux utilisés dans les composants de l’ensemble moteur-fusée à liquides sont listés ci-dessous dans les tableaux 1 à 8. Pour les conductivités, kjnajeur est avec pli et kmineur est à travers pli :
Tableau 1 : Conductivités de carbone-carbone infiltré de SiC
Carbone-carbone infiltré de SiC (orthotrope)
Température (°F) [°C] kmajeur (BTU/F-sec-po) [W/K-m] k_mineur (BTU/F-sec-po) [W/K-m]
7.03E+01 [21.3] 7.00E-04 [52.34] 3.06E-04 [22.88]
5.00E+02 [260.0] 7.17E-04 [53.61] 2.78E-04 [20.79]
1.00E+03 [537.8] 6.67E-04 [49.87] 2.46E-04 [18.39]
2.00E+03 [1093.3] 4.92E-04 [36.79] 2.54E-04 [18.99]
3.00E+03 [1648.9] 3.46E-04 [25.87] 2.42E-04 [18.09]
4.00E+03 [2204.4] 3.25E-04 [24.30] 2.43E-04 [18.17]
5.OOE+O3 [2760.0] 3.50E-04 [26.17] 2.64E-04 [19.74]
6.00E+03 [3315.6] 4.17E-04 [31.18] 3.33E-04 [24.90]
Tableau 2 : CTE de carbone-carbone infiltré de SiC
Carbone-carbone infiltré de SiC (orthotrope) Coefficient de dilatation thermique
Température (°F) [°C] CTE en plan (po/po/°F) [m/m/°C] CTE à travers pli (po/po/°F) [m/m/°C]
70 [21.1] -2.4E-07 [-4.32E-07] 2.4E-06 [4.32E-06]
2000 [1093.3] 6.0E-07 [1.08E-06] 3.4E-06 [6.12E-06]
3000 [1648.9] 8.5E-07 [1.53E-06] 3.7E-06 [6.66E-06]
3500 [1926.7] 9.6E-07 [1.73E-06] 3.8E-06 [6.84E-06]
Tableau 3 : Conductivités de zircone stabilisée par oxyde d’yttrium
Zircone stabilisée par oxyde d’yttrium (isotrope)
Température, °F [°C] k (BTU/F-sec-po) [W/K-m]
7.50E+01 [23.9] 1.42E-05 [1.06]
2.00E+02 [93.3] 1.47E-05 [1.10]
6.00E+02 [315.6] 1.44E-05 [1.08]
1.00E+03 [537.8] 1.31E-05 [0.98]
1.40E+03 [760.0] 1.35E-05 [1.01]
2.00E+03 [1093.3] 1.50E-05 [1.12]
2.50E+03 [1371.1] 1.64E-05 [1.23]
4.00E+03 [2204.4] 2.12E-05 [1.59]
Tableau 4 : CTE de zircone stabilisée par oxyde d’yttrium
Zircone stabilisée par oxyde d’yttrium (isotrope) Coefficient de dilatation thermique
Température (°F) [°C] CTE (po/po/°F) [m/m/°C]
75 [23.9] 5.2E-06 [9.36E-06]
200 [93.3] 5.4E-06 [9.72E-06]
400 [204.4] 5.4E-06 [9.72E-06]
600 [315.61 5.4E-06 [9.72E-06J
800 [426.71 5.4E-06 [9.72E-06]
1000 [537.8] 5.4E-06 [9.72E-06]
1200 [648.9] 5.4E-06 [9.72E-06]
1400 [760.0] 5.6E-06 [1.01E-05]
1600 [871.1] 5.6E-06 [1.01E-05]
1800(982.2] 5.8E-06 [1.04E-05]
2000 [1093.3] 5.8E-06 [1.04E-05]
2500 [1371.1] 6.8E-06 [1.22E-05]
3000 [1648.9] 7.2E-06 [1.30E-05]
3500 [1926.7] 7.5E-06 [1.35E-05]
4000 [2204.4] 7.9E-06 [1.42E-05]
Tableau 5 : Conductivités de phénolique de tissu de silice
Phénolique de tissu de silice (orthotrope)
Température °F [°C] kmajeur (BTU/F-sec-po) [W/K-m] k_mineur (BTU/F-sec-po) [W/K-m]
7.03E+01 [21.3] 7.98E-06 [0.60] 4.66E-06 [0.35]
7.63E+01 [24.6] 8.01E-06 [0.60] 4.68E-06 [0.35]
3.40E+02 [171.1] 9.42E-06 [0.70] 5.58E-06 [0.42]
5.40E+02 [282.2] 1.04E-05 [0.78] 6.12E-06 [0.46]
1.04E+03 [560.0] 1.28E-05 [0.96] 7.72E-06 [0.58]
4.54E+03 [2504.4] 1.28E-05 [0.96] 7.72E-06 [0.58]
Tableau 6 : Conductivités de phénolique de tissu de carbone
Phénolique de tissu de carbone (orthotrope)
Température °F [°C] kmajeur (BTU/F-sec-po) [W/K-m] kjmineur (BTU/F-sec-po) [W/K-m]
7.63E+01 [24.6] 1.53E-05 [1.14] 1.17E-05 [0.87]
1.00E+02 [37.8] 1.53E-05 [1.14] 1.17E-05 [0.87]
4.00E+02 [204.4] 1.92E-05 [1.44] 1.39E-05 [1.04]
5.00E+02 [260.0] 1.99E-05 [1.49] 1.39E-05 [1.04]
6.00E+02 [315.6] 2.04E-05 [1.53] 1.41E-05 [1.05]
8.00E+02 [426.7] 2.12E-05 [1.59] 1.41E-05 [1.05]
1.00E+03 [537.8] 2.18E-05 [1.63] 1.41E-05 [1.05]
1.50E+03 [815.6] 2.22E-05 [1.66] 1.41E-05 [1.05]
5.84E+03 [3226.7] 2.22E-05 [1.66] 1.41E-05 [1.05]
Tableau 7 : Conductivités de graphite flexible GRAFOIL®
GRAFOIL® (orthotrope)
Température °F [°C] kmajeur (BTU/F-sec-po) [W/K-m] k_mineur (BTU/F-sec-po) [W/K-m]
7.00E+01 [21.1] 1.85E-03 [138.32] 6.94E-05 [5.19]
Tableau 8 : CTE de graphite flexible GRAFOIL®
GRAFOIL® (Orthotrope) Coefficient de dilatation thermique
Température (°F) [°C] CTE le long de la longueur/largeur (po/po/°F) [m/m/°C] CTE à travers l’épaisseur (po/po/°F) [m/m/°C]
-65 [-53.9] -4.0E-07 [-4.00E-07] 1.5E-05 [2.70E-05]
70 [21.1] -2.0E-07 [-2.00E-07] 1.5E-05 [2.70E-05]
2000 [1093.3] -2.0E-07 [-2.00E-07] 1.5E-05 [2.70E-05]
4000 [2204.4] 5.0E-07 [5.00E-07] 1.5E-05 [2.70E-05]
De plus, en sélectionnant de façon appropriée la configuration de la structure de joint 410, un point de contact entre la bride 450 et la bague d’attache 105 peut être obtenu pour que des contraintes de flexion soient minimisées durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides. Ainsi, l’ensemble moteur3058765 fusée à liquides peut être utilisé dans les conditions de haute température et de haute pression sans craquer au point de contact.
Un mode de réalisation d’une structure de joint 410 est représenté sur la figure 4, dans lequel une bague isolante 110 entoure de façon circonférentielle une portion supérieure de la tuyère 430 et des bagues d’attache 105, 105’ entourent de façon circonférentielle la bague isolante 110. La bague isolante 110 est formée à partir d’un matériau YSZ et configurée en une forme dite de coquille, et les bagues d’attache 105, 105’ sont formées d’acier. Les pièces de fixation 420 sont insérées dans des trous 540 des bagues d’attache 105, 105’ (voir figure 2) et serrées dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 pour attacher la tuyère 430 à la chambre de poussée 440. La bague isolante 110 est maintenue en place par pression sur les bagues d’attache 105, 105’ qui est exercée en serrant les pièces de fixation 420.
Un autre mode de réalisation d’une structure de joint 410 est représenté sur la figure 5 et inclut deux éléments d’étanchéité 100, 100’, une bague isolante 110 disposée entre les éléments d’étanchéité 100, 100’, et une bague d’attache 105 adjacente à la bague isolante 110. Les éléments d’étanchéité 100, 100’ sont formés de graphite flexible GRAFOIL®, la bague isolante 110 est formée d’un matériau phénolique de carbone, et la bague d’attache 105 est formée d’un matériau phénolique de carbone. Les diamètres extérieurs des éléments d’étanchéité 100, 100’, de la bague isolante 110, et de la bague d’attache 105 sont sensiblement identiques alors que les diamètres intérieurs des éléments d’étanchéité 100, 100’ sont supérieurs au diamètre intérieur de la bague isolante 110. Les diamètres intérieurs des éléments d’étanchéité 100, 100’ sont sensiblement identiques au diamètre intérieur de la bague d’attache 105. Ainsi, la bague isolante 110 entre en contact avec une paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430 alors que les éléments d’étanchéité 100, 100’ n’entrent pas en contact la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430. Une surface avant 580 de la bague d’attache 105 entre en contact avec une seconde surface 480 de l’élément d’étanchéité 100’, et des surfaces latérales 590 de la bague d’attache 105 entrent en contact avec la protubérance 520 et la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430. Un des éléments d’étanchéité 100’ est en contact direct avec une surface avant 600 de la protubérance 520, une surface avant 580 de la bague d’attache 105, et une surface arrière 610 de la bague isolante 110, alors que l’autre élément d’étanchéité 100 est en contact direct avec la bague isolante 110 et la bride 450. La bague isolante 110 est en contact direct avec et prise en sandwich entre les éléments d’étanchéité 100, 100’. Des pièces de fixation (non représentées) sont insérées à travers des trous (non représentés) dans les éléments d’étanchéité 100, 100’, de la bague isolante 110, de la bague d’attache 105, et dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 sur la chambre de poussée 440 pour attacher la tuyère 430 et la chambre de poussée 440.
Un autre mode de réalisation d’une structure de joint 410 est représenté sur la figure 6 et inclut l’élément d’étanchéité 100 et la bague d’attache 105 entourant de façon circonférentielle une portion des pièces de fixation 420. Les diamètres extérieurs de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105 sont sensiblement identiques alors que le diamètre intérieur de l’élément d’étanchéité 100 est inférieur au diamètre intérieur de la bague d’attache 105. Ainsi, la bague d’attache 105 est en contact avec la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430 incluant la protubérance 520, alors que l’élément d’étanchéité 100 n’entre pas en contact avec la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430. La surface avant 580 de la bague d’attache 105 entre en contact avec la seconde surface 480 de l’élément d’étanchéité 100, et les surfaces latérales 590 de la bague d’attache 105, y compris le rebord 510, entrent en contact avec la protubérance 520 et la tuyère 430. L’élément d’étanchéité 100 est en contact direct avec la surface avant 600 de la protubérance 520 et avec la bride 450. Les pièces de fixation 420 sont insérées à travers des trous 490 dans l’élément d’étanchéité 100 (voir figure 1) et des trous 540 dans la bague d’attache 105 (voir figure 2), respectivement, et dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 sur la chambre de poussée 440 pour attacher la tuyère 430 à la chambre de poussée 440. La surface latérale 590 de la bague d’attache 105 proximale à la tuyère 430 s’étend plus vers le bas de la tuyère 430 qu’une surface extérieure de la bague d’attache 105. En ayant une portion plus longue de la bague d’attache 105 proximale à la tuyère 430, la bague d’attache 105 peut fournir une isolation supplémentaire aux pièces de fixation 420. Les pièces de fixation 420 peuvent être au ras de la surface arrière 530 de la bague d’attache 105 ou peuvent être évidées par rapport à la surface arrière 530 de la bague d’attache 105. La bague d’attache 105 est formée à partir d’un matériau phénolique de carbone et l’élément d’étanchéité est formé à partir de graphite flexible GRAFOIL®.
Un autre mode de réalisation de la structure de joint 410 est représenté sur la figure 7 et inclut l’élément d’étanchéité 100, la bague isolante 110, et la bague d’attache 105. L’élément d’étanchéité 100 et la bague d’attache 105 entourent de façon circonférentielle les pièces de fixation 420. La bague isolante 110 est disposée latéralement entre la protubérance 520 de la tuyère 430 et la bague d’attache 105. Les diamètres extérieurs de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105 sont sensiblement identiques alors que le diamètre intérieur de l’élément d’étanchéité 100 est inférieur au diamètre intérieur de la bague d’attache 105. Ni l’élément d’étanchéité 100 ni la bague d’attache 105 n’entre en contact avec la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430. La surface avant 580 de la bague d’attache 105 entre en contact avec la seconde surface 480 de l’élément d’étanchéité 100, et des surfaces latérales 590 de la bague d’attache 105 entrent en contact avec la bague isolante 110, qui est en contact direct avec la protubérance 520 de la tuyère 430. L’élément d’étanchéité 100 est en contact direct avec la surface avant 600 de la protubérance 520, une surface avant 620 de la bague isolante 110, et la surface avant 580 de la bague d’attache 105 et avec la bride 450. Les pièces de fixation 420 sont insérées à travers des trous 490 dans l’élément d’étanchéité 100 (voir figure 1), des trous 540 dans la bague d’attache 105 (voir figure 2), et dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 sur la chambre de poussée 440 pour attacher la tuyère 430 à la chambre de poussée 440. La bague isolante 110 peut être maintenue en position entre la bague d’attache 105 et la tuyère 430 par des forces exercées par les pièces de fixation 420. Les pièces de fixation 420 peuvent être évidées dans la bague d’attache 105 par rapport à la surface arrière de la bague d’attache 105. La bague d’attache 105 est formée à partir d’un matériau de carbonecarbone, la bague isolante 110 est formée à partir d’un matériau YSZ, et l’élément d’étanchéité 100 est formé à partir de graphite flexible GRAFOIL®. Comme aucun composant en métal ne s’étend vers la tuyère 430 ou la chambre de poussée 440, les temps de combustion de l’ensemble moteur-fusée à liquides peuvent être d’un maximum d’environ 90 secondes.
Un autre mode de réalisation d’une structure de joint 410 est représenté sur la figure 8 et inclut l’élément d’étanchéité 100 et la bague d’attache 105 entourant de façon circonférentielle les pièces de fixation 420. Les diamètres extérieurs de l’élément d’étanchéité 100 et de la bague d’attache 105 sont sensiblement identiques alors que le diamètre intérieur de l’élément d’étanchéité 100 est inférieur au diamètre intérieur de la bague d’attache 105. Ainsi, le rebord 510 de la bague d’attache 105 entre en contact avec la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430 y compris la surface extérieure 630 de la protubérance 520, alors que l’élément d’étanchéité 100 n’entre pas en contact avec la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430 proximale à la surface avant 600 de la protubérance. La surface avant 580 de la bague d’attache 105 entre en contact avec la seconde surface 480 de l’élément d’étanchéité 100, et les surfaces latérales 590 de la bague d’attache 105, y compris le rebord 510, entrent en contact avec la surface extérieure 630 de la protubérance 520 et la tuyère 430. L’élément d’étanchéité 100 est en contact direct avec la surface avant 600 de la protubérance 520 et avec la bride 450. Les pièces de fixation 420 sont insérées à travers des trous 490 dans l’élément d’étanchéité 100 (voir figure 1) et des trous 540 de la bague d’attache 105 (voir figure 2) et dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 sur la chambre de poussée 440 pour attacher la tuyère 430 à la chambre de poussée 440. Les pièces de fixation 420 peuvent être évidées par rapport à la surface arrière 580 de la bague d’attache 105. En évidant les pièces de fixation 420, l’épaisseur de la bague d’attache 105 peut être minimisée tout en isolant toujours thermiquement les pièces de fixation 420. La bague d’attache 105 est formée à partir d’un matériau phénolique de silice et l’élément d’étanchéité 100 est formé à partir de graphite flexible GRAFOIL®.
Un autre mode de réalisation d’une structure de joint 410 est représenté sur la figure 9 et inclut l’élément d’étanchéité 100 et la bague d’attache 105 entourant de façon circonférentielle les pièces de fixation 420. La structure de joint 410 est sensiblement telle que décrite ci-dessus pour la figure 8. Cependant, la bague d’attache 105 s’étend plus vers le bas de la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430 dans une direction arrière, permettant aux pièces de fixation 420 d’être plus évidées dans la bague d’attache 105 par rapport à la structure de joint 410 sur la figure 8. Ainsi, les pièces de fixation 420 peuvent être plus isolées thermiquement. Les temps de combustion de l’ensemble moteur-fusée à liquides incluant la structure de joint 410 peuvent atteindre environ 240 secondes. La bague d’attache 105 est formée à partir d’un matériau phénolique de silice et l’élément d’étanchéité 100 est formé à partir de graphite flexible GRAFOIL®.
Un autre mode de réalisation d’une structure de joint 410 est représenté sur la figure 10 et inclut les éléments d’étanchéité 100, 100’, et la bague isolante 110 et la bague d’attache 105 entourant de façon circonférentielle les pièces de fixation 420. La bague isolante 110 est prise en sandwich entre une portion des deux éléments d’étanchéité 100, 100’ et est disposée de façon axiale à la tuyère 430 et à l’avant de la bague d’attache 105. La structure de joint 410 inclut en outre la bague de support 460 qui est latéralement adjacente à la bague isolante 110 et prise en sandwich entre les deux éléments d’étanchéité 100, 100’. La bague isolante 110 protège plus la bague de support 460 de la chaleur durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides. Les diamètres extérieurs des éléments d’étanchéité 100, 100’, la bague de support 460, et la bague d’attache 105 sont sensiblement identiques alors que les diamètres intérieurs des éléments d’étanchéité 100, 100’ sont inférieurs au diamètre intérieur de la bague d’attache 105. Le diamètre intérieur de la bague de support 460 est supérieur aux diamètres intérieurs de la bague d’attache 105 et des éléments d’étanchéité 100, 100’. La bague d’attache 105 entre en contact avec les parois latérales extérieures 570 de la tuyère 430 y compris la protubérance 520, alors que les éléments d’étanchéité 100, 100’ n’entrent pas en contact avec la paroi latérale extérieure 570 de la tuyère 430. La surface avant 580 de la bague d’attache 105 entre directement en contact avec la seconde surface 480 d’un des éléments d’étanchéité 100’, qui est également en contact direct avec une surface arrière 640 de la bague de support 460 et la surface arrière 610 de la bague isolante 110. L’autre élément d’étanchéité 100 est en contact direct avec la surface avant 620 de la bague isolante 110 et la surface avant 660 de la bague de support 460 et avec la bride 450. Les pièces de fixation 420 sont insérées à travers des trous 490 dans les éléments d’étanchéité 100, 100’ (voir figure 1), des trous 540 dans la bague d’attache 105 (voir figure 2), des trous (non représentés) dans la bague de support 460, et dans des alésages filetés 445 dans la bride 450 sur la chambre de poussée 440 pour attacher la tuyère 430 à la chambre de poussée 440. La bague isolante 110 peut être maintenue en position entre la bague d’attache 105, la bague de support 460, et la tuyère 430 par des forces exercées par les pièces de fixation 420. Les pièces de fixation 420 peuvent être évidées dans la bague d’attache 105 par rapport à la surface arrière 610 de la bague d’attache 105. La bague d’attache 105 est formée à partir d’un matériau de carbone-carbone, la bague isolante 110 est formée à partir d’un matériau YSZ, les éléments d’étanchéité 100, 100’ sont formées à partir de graphite flexible GRAFOIL®, et la bague de support 460 est formée à partir d’un matériau phénolique de carbone. Les temps de combustion de l’ensemble moteur-fusée à liquides incluant la structure de joint 410 peuvent atteindre environ 600 secondes.
Pour fournir une protection contre l’oxydation durant l’utilisation et le fonctionnement de l’ensemble moteur-fusée à liquides, une surface intérieure 435 de la tuyère 430 peut, optionnellement, inclure un revêtement d’oxydation. Le revêtement d’oxydation peut inclure, sans toutefois y être limité, du carbure de silicium, du silicium-carbure de silicium (Si + SiC), du carbure de tantale, du carbure de titane, du carbure de hafnium, du silicate de zirconium, du borure de zirconium, du diborure de hafnium, un alliage de tungstène, un alliage de tungstène et de rhénium, ou des associations de ceux-ci. Le revêtement d’oxydation peut optionnellement inclure des additifs, tels que des additifs résistants à des ultra-hautes températures y compris, sans toutefois y être limités à, du disiliciure de molybdène (M0S12) ou de l’oxyde de hafnium (HfCL). Dans un mode de réalisation, le revêtement d’oxydation est un revêtement de Si + SiC, le Si et le SiC étant présents en quantités approximativement égales. Dans une autre mode de réalisation, le revêtement d’oxydation est un revêtement de SiC. Dans un mode de réalisation, le revêtement d’oxydation est un revêtement de SiC avec de l’oxyde de hafnium, du diborure de hafnium, du borure de zirconium, ou des associations de ceuxci.
Le revêtement d’oxydation peut être appliqué sur la surface intérieure 435 de la tuyère 430 (figure 5) par des techniques de pulvérisation au plasma à l’air, des techniques de pulvérisation au plasma sous vide, des techniques d’imprégnation de polymère et de pyrolyse, lesquelles techniques sont connues dans l’art et non décrites en détail dans les présentes. Dans un mode de réalisation, le revêtement d’oxydation est appliqué par pulvérisation au plasma à l’air. Dans une autre mode de réalisation, le revêtement d’oxydation est appliqué par imprégnation de polymère et pyrolyse. Dans encore une autre mode de réalisation, le revêtement d’oxydation est appliqué par pulvérisation au plasma sous vide.

Claims (18)

  1. REVENDICATIONS
    1. Ensemble moteur-fusée à liquides, comprenant :
    une chambre de poussée (440) ;
    une tuyère (430) ; et une structure de joint (410) attachant la chambre de poussée (440) et la tuyère (430), la structure de joint (410) comprenant au moins un élément d’étanchéité (100) et une bague d’attache (105) interposés entre la chambre de poussée (440) et la tuyère (430), et des pièces de fixation (420) s’étendant entre la chambre de poussée (440) et la tuyère (430) à travers la bague d’attache (105) et Tau moins un élément d’étanchéité (100), dans lequel les matériaux de la chambre de poussée (440) et de la tuyère (430) présentent des coefficients de dilatation thermique différents.
  2. 2. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la bague d’attache (105) comprend un matériau en métal, un matériau phénolique de carbone, un matériau de zircone stabilisée par oxyde d’yttrium (YSZ), un matériau de carbonecarbone, ou un matériau de carbone-carbone plus carbure de silicium.
  3. 3. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la structure de joint (410) comprend une première surface de Tau moins un élément d’étanchéité (100) adjacente à la chambre de poussée (440) et une seconde surface opposée de Tau moins un élément d’étanchéité (100) proximale à la tuyère (430), la bague d’attache (105) étant en contact avec la seconde surface opposée de Tau moins un élément d’étanchéité (100), et les pièces de fixation (420) s’étendant à travers des trous dans Tau moins un élément d’étanchéité (100) et la bague d’attache (105), dans lequel chacun parmi Tau moins un élément d’étanchéité (100) et la bague d’attache (105) présente une forme annulaire.
  4. 4. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel Tau moins un élément d’étanchéité (100) comprend deux éléments d’étanchéité, et comprenant en outre une bague isolante (110) disposée entre les deux éléments d’étanchéité, et la bague d’attache (105) à l’arrière de la bague isolante (110).
  5. 5. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, comprenant en outre :
    — une bague isolante (110) latéralement adjacente à la tuyère (430) et à la bague d’attache (105), ou — une bague isolante (110) axiale à la tuyère (430) et en avant de la bague d’attache (105).
  6. 6. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel l’au moins un élément d’étanchéité (100) comprend deux éléments d’étanchéité, et comprenant en outre une bague de support latéralement adjacente à une bague isolante (110) et entre une portion des deux éléments d’étanchéité.
  7. 7. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel les pièces de fixation (420) sont évidées par rapport à une surface arrière de la bague d’attache (105) ou les pièces de fixation (420) sont au ras par rapport à une surface arrière de la bague d’attache (105).
  8. 8. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel une surface latérale de la bague d’attache (105) proximale à la tuyère (430) est plus longue qu’une surface latérale de la bague d’attache (105) distale à la tuyère (430).
  9. 9. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la structure de joint (410) comprend deux éléments d’étanchéité comprenant un matériau en graphite flexible, une bague isolante (110) comprenant un matériau phénolique de carbone entre les deux éléments d’étanchéité, et la bague d’attache (105) comprenant umnatériau phénolique de carbone à l’arrière de la bague isolante (110).
  10. 10. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la structure de joint (410) comprend un élément d’étanchéité (100) comprenant un matériau en graphite flexible et la bague d’attache (105) comprend un matériau phénolique de tissu de carbone à l’arrière de l’un élément d’étanchéité (100), une surface latérale de la bague d’attache (105) proximale à la tuyère (430) étant plus longue qu’une surface latérale de la bague d’attache (105) distale à la tuyère (430).
  11. 11. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la structure de joint (410) comprend un élément d’étanchéité (100) comprenant un matériau en graphite flexible, la bague d’attache (105) comprend un matériau de carbone-carbone à l’arrière de l’un élément d’étanchéité (100), et comprenant en outre une bague isolante (110) comprenant un matériau de zircone stabilisée par oxyde d’yttrium (YSZ) positionnée entre l’un élément d’étanchéité (100) et la bague d’attache (105).
  12. 12. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la structure de joint (410) comprend un élément d’étanchéité (100) comprenant un matériau en graphite flexible et la bague d’attache (105) comprenant un matériau phénolique de silice à l’arrière de l’un élément d’étanchéité (100).
  13. 13. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la structure de joint (410) comprend deux éléments d’étanchéité comprenant un matériau en graphite flexible et la bague d’attache (105) comprenant un matériau de carbonecarbone à l’arrière de la bague isolante (110), la structure de joint (410) comprend en outre une bague isolante (110) comprenant un matériau de zircone stabilisée par oxyde d’yttrium (YSZ) entre une portion des deux éléments d’étanchéité et une bague de support comprenant un matériau phénolique de tissu de carbone entre les deux éléments d’étanchéité.
  14. 14. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, comprenant en outre un revêtement d’oxydation sur une surface intérieure de la tuyère (430), le revêtement d’oxydation comprenant un matériau sélectionné parmi le groupe constitué de carbure de silicium, de silicium-carbure de silicium (Si + SiC), de carbure de tantale, de carbure de titane, de carbure de hafnium, de silicate de zirconium, de borure de zirconium, de diborure de hafnium, d’un alliage de tungstène, d’un alliage de tungstène et de rhénium, et d’associations de ceux-ci, le revêtement d’oxydation comprend un matériau sélectionné parmi le groupe constitué de carbure de silicium, de siliciumcarbure de silicium (Si + SiC), de carbure de tantale, de carbure de titane, de carbure de hafnium, de silicate de zirconium, de borure de zirconium, de diborure de hafnium, d’un alliage de tungstène, d’un alliage de tungstène et de rhénium, et d’associations de ceux-ci.
  15. 15. Ensemble moteur-fusée à liquides selon la revendication 1, dans lequel la tuyère (430) ne possède pas de système de refroidissement.
    5
  16. 16. Procédé de formation d’un ensemble moteur-fusée à liquides, le procédé comprenant :
    le placement d’une structure de joint (410) comprenant au moins un élément d’étanchéité (100) et une bague d’attache (105) entre une tuyère (430) et une chambre de poussée (440) ;
    10 l’insertion de pièces de fixation (420) à travers des trous mutuellement alignés dans la structure de joint (410), la tuyère (430), et la chambre de poussée (440), des matériaux de la chambre de poussée (440) et de la tuyère (430) présentant des coefficients de dilatation thermique différents ; et le serrage des pièces de fixation (420).
  17. 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l’insertion des pièces de fixation (420) à travers des trous mutuellement alignés dans la structure de joint (410), la tuyère (430), et la chambre de poussée (440) comprend l’insertion des pièces de fixation (420) à travers des trous dans la structure de joint (410), la tuyère (430) et des trous dans une
  18. 20 bride de la chambre de poussée (440).
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