FR3068737A1 - Propulseur configure pour delivrer une poussee modulable - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un propulseur (10) configuré pour délivrer une poussée modulable comprenant au moins : - un corps (11) de propulseur définissant une chambre (12) de combustion dans laquelle un chargement (14) de propergol est présent, le propergol ayant une vitesse de combustion Vc vérifiant la loi de Vieille : Vc = a.Pn, où P désigne la pression dans la chambre de combustion, a est un facteur pré-exponentiel et n est compris entre 0,5 et 0,8, cette loi étant vérifiée sur une plage de pression P dans la chambre de combustion allant de 20 bars à 200 bars, et la vitesse de combustion Vc du propergol étant non nulle et inférieure ou égale à 1 mm/s pour une pression dans la chambre de combustion égale à 1 bar, et - une tuyère (20) à section de col variable reliée au corps de propulseur, la tuyère comprenant un col de tuyère et un dispositif de modulation de section d'éjection de gaz apte à faire varier la section du col de tuyère.
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des propulseurs ou moteurs-fusées destinés à délivrer une poussée pour le pilotage d'engins tels que des lanceurs ou des satellites, en utilisant le principe de propulsion par éjection de gaz.
Arrière-plan de l'invention
Un propulseur à propergol solide est principalement constitué d'une enveloppe renfermant un bloc de propergol, d'un allumeur et d'une tuyère. L'enveloppe définit une chambre de combustion et le bloc de propergol présente un canal interne s'étendant le long de l'axe du propulseur. L'allumeur initie la combustion du propergol à une extrémité de l'enveloppe et la combustion du propergol se propage vers l'extrémité opposée du propulseur. Le propergol brûle à une vitesse prédéfinie en produisant des gaz de combustion qui sont expulsés par la tuyère afin de réaliser la propulsion.
Il peut être souhaité de réaliser deux régimes de fonctionnement durant la propulsion, typiquement un fonctionnement à haut débit (phase de forte poussée ou d'accélération) et un fonctionnement à bas débit (phase de faible poussée ou de croisière).
Afin de répondre à ce besoin, une solution connue consiste à doter le lanceur de deux propulseurs distincts : un pour la phase d'accélération et un autre pour la phase de croisière. Cependant, une telle solution a comme inconvénient d'augmenter significativement le coût et la masse du lanceur.
Il existe donc un besoin pour réaliser de manière économique une modulation de la poussée délivrée par le propulseur, et ce tout en maîtrisant l'encombrement et la masse du système mis en oeuvre.
Objet et résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un propulseur configuré pour délivrer une poussée modulable comprenant au moins :
- un corps de propulseur définissant une chambre de combustion dans laquelle un chargement de propergol est présent, le propergol ayant une vitesse de combustion Vc vérifiant la loi de Vieille : Vc = a.Pn, où P désigne la pression dans la chambre de combustion, a est un facteur pré-exponentiel et n est compris entre 0,5 et 0,8, cette loi étant vérifiée sur une plage de pression P dans la chambre de combustion allant de 20 bars à 200 bars, et la vitesse de combustion Vc du propergol étant non nulle et inférieure ou égale à 1 mm/s pour une pression dans la chambre de combustion égale à 1 bar, et
- une tuyère à section de col variable reliée au corps de propulseur, la tuyère comprenant un col de tuyère et un dispositif de modulation de section d'éjection de gaz apte à faire varier la section du col de tuyère.
La vitesse de combustion d'un propergol peut aussi être appelée dans la littérature « vitesse de régression » et constitue une donnée accessible sur la fiche produit d'un propergol donné, comme la fiche de données sécurité.
La vitesse de combustion du chargement peut être déterminée par mise en œuvre de la méthode de mesure dite « Strand Burner Method » et décrite dans l'ouvrage « Encyclopédie Dictionary of Pyrotechnies ». Une illustration de la mise en œuvre de cette méthode est fournie à la figure 1. Selon cette méthode, la mesure est réalisée sur un échantillon du chargement 100, placé dans une chambre, ayant la forme d'un barreau de longueur de 70 mm et de section 7 mm x 7 mm. La chambre est pressurisée sous diazote à une pression correspondant au point de fonctionnement recherché. Le barreau 100 est positionné verticalement entre un allumeur 120 et un support 130. Les bords latéraux du barreau sont revêtus d'un revêtement inhibiteur 110, afin d'obtenir une propagation du front de combustion dirigée essentiellement vers le bas depuis l'allumeur 120 vers le support 130. La vitesse de combustion est mesurée en positionnant une pluralité de fils fusibles 140 au travers du barreau 100 à des positions prédéterminées. Lorsque le front de combustion arrive au niveau d'un fil fusible 140, ce dernier fond. Ainsi, au fur et à mesure de la combustion du barreau 100, les fils fusibles 140 fondent les uns après les autres. Par conséquent, en suivant l'évolution de la conductivité électrique des fils fusibles 140 en fonction du temps, il est possible de déterminer la vitesse de combustion du chargement à la pression imposée.
En effectuant cette mesure de vitesse de combustion à plusieurs pressions imposées distinctes et comprises entre 20 bars et 200 bars, il est en outre possible de déterminer la valeur de l'exposant n sur cette plage de pression.
L'invention réside dans l'association, au sein d'un même propulseur, d'un chargement d'un propergol particulier et d'un dispositif de modulation de section d'éjection de gaz, afin que la poussée délivrée par le propulseur puisse être modulée, tout en conservant pour ce dernier une conception relativement simple et légère. L'invention permet notamment de réaliser la modulation de poussée à l'aide d'un unique propulseur, et donc de s'affranchir de la solution évoquée plus haut dans lesquelles deux propulseurs distincts sont utilisés.
Le propergol mis en oeuvre présente une vitesse de combustion ayant une sensibilité particulière à la pression régnant dans la chambre de combustion. Ce propergol est connu en soi, divers exemples de propergols utilisables seront décrits plus bas. Ce propergol brûle à une vitesse élevée lorsque la pression dans la chambre de combustion est élevée, ce qui permet de générer une phase de forte poussée (phase « boost » ou d'accélération). En revanche, lorsque la pression dans la chambre de combustion est basse, ce propergol ne s'éteint pas mais se consume à faible vitesse. Cette combustion lente engendre une faible poussée, et permet de réaliser une phase de croisière, tout en économisant la quantité de chargement consommée pour réaliser cette phase. La diminution de la poussée délivrée par le propulseur peut être effectuée en augmentant la section du col de tuyère par actionnement du dispositif de modulation ou en utilisant un chargement à surface de combustion évolutive, comme il sera détaillé plus bas. Il est possible de « réactiver », après la phase de croisière, la combustion du propergol en augmentant la pression dans la chambre de combustion et de générer ainsi une phase de forte poussée. Cette « réactivation » est effectuée en actionnant le dispositif de modulation afin de diminuer la section du col de tuyère. On notera en particulier que cette « réactivation » ne nécessite pas d'actionner un allumeur pour initier à nouveau le chargement, l'augmentation de la vitesse de combustion étant simplement obtenue suite à l'augmentation de pression dans la chambre de combustion. La modulation de la poussée délivrée par le propulseur sera décrite dans la suite de manière détaillée.
On comprendra donc que la poussée délivrée par le propulseur selon l'invention, associant un propergol spécifique à un dispositif de modulation de la section de col de tuyère, peut être modulée, de manière simple, en faisant varier la pression dans la chambre de combustion.
Dans un exemple de réalisation, la vitesse de combustion Vc du propergol est inférieure ou égale à 0,75 mm/s pour une pression dans la chambre de combustion égale à 1 bar. Cette vitesse Vc peut, en particulier, être inférieure ou égale à 0,50 mm/s pour une pression dans la chambre de combustion égale à 1 bar.
La mise en œuvre d'un tel propergol est avantageuse afin d'économiser davantage de chargement durant les phases de croisière.
Dans un exemple de réalisation, le propulseur comprend un allumeur, le chargement ayant une première partie dont une surface interne présente une section en étoile et située du côté de l'allumeur, et le chargement ayant une deuxième partie opposée à l'allumeur, la deuxième partie présentant une surface interne de section circulaire recouverte d'un revêtement inhibiteur, ou cette deuxième partie étant pleine (i.e. ne définissant pas de canal interne) et étant recouverte d'un revêtement inhibiteur.
Dans ce cas, le chargement offre une surface de combustion évolutive au fur et à mesure de sa combustion. La première partie du chargement en étoile brûle d'abord et la deuxième partie du chargement brûle ensuite. La combustion de la première partie en étoile produit une forte poussée et la combustion de la deuxième partie, offrant une surface de combustion plus faible, produit une faible poussée. Ainsi, dans ce cas la diminution de la poussée est due à la diminution de la surface de combustion offerte par le chargement lors de sa combustion. Lorsqu'il est recherché d'augmenter la poussée, le dispositif de modulation est actionné afin de diminuer la section du col de tuyère comme mentionné plus haut.
Dans cet exemple, le corps peut comprendre un fond arrière situé du côté de la tuyère et un fond avant opposé au fond arrière, l'allumeur et la première partie du chargement peuvent être situés du côté du fond arrière et la deuxième partie du chargement peut être située du côté du fond avant.
En variante, le corps peut comprendre un fond arrière situé du côté de la tuyère et un fond avant opposé au fond arrière, l'allumeur et la première partie du chargement peuvent être situés du côté du fond avant et la deuxième partie du chargement peut être située du côté de la tuyère.
Dans un autre exemple de réalisation, le corps comprend un fond arrière situé du côté de la tuyère et un fond avant opposé au fond arrière, le propulseur comprenant en outre un allumeur, le chargement ayant, sur toute sa longueur entre le fond avant et le fond arrière, une surface interne présentant une section circulaire ou une structure pleine (i.e. ne définissant pas de canal interne).
Dans ce cas, chaque variation de la poussée : diminution ou augmentation est effectuée en actionnant le dispositif de modulation, respectivement en augmentant ou en diminuant la section du col de tuyère.
Dans un exemple de réalisation, le propergol est un propergol composite comprenant un liant plastifié comprenant un polyazoture de glycidyle réticulé et au moins un plastifiant énergétique, le propergol comprenant en outre des charges énergétiques organiques présentes dans le liant plastifié.
Un tel propergol satisfait aux conditions précédemment évoquées relatives à la variation de la vitesse de combustion en fonction de la pression dans la chambre de combustion.
Dans un exemple de réalisation, le dispositif de modulation est placé en amont du col de la tuyère et comprend un pointeau comprenant une partie proximale logée dans un guide de pointeau et une partie distale ayant un diamètre décroissant et formant un organe d'obturation partiel pour le col de tuyère, le pointeau étant mobile par rapport au col de tuyère.
La présente invention vise également un procédé de modulation de la poussée délivrée par un propulseur tel que décrit plus haut, dans lequel il y a combustion du chargement de propergol et dans lequel on réalise durant cette combustion :
- une phase de diminution de la poussée délivrée par le propulseur par diminution de la pression dans la chambre de combustion, cette diminution de pression étant obtenue du fait d'une diminution de la surface de combustion du chargement ou par augmentation de la section du col de tuyère par actionnement du dispositif de modulation, et
- une phase d'augmentation de la poussée délivrée par le propulseur réalisée après la phase de diminution de la poussée par augmentation de la pression dans la chambre de combustion, cette augmentation de pression étant réalisée par diminution de la section du col de tuyère par actionnement du dispositif de modulation.
Dans un exemple de réalisation, on réalise une phase préliminaire d'accélération dans laquelle il y a combustion de la première partie du chargement ayant une surface interne à section en étoile, et on réalise, après cette phase préliminaire, les phases de diminution et d'augmentation de la poussée dans lesquelles il y a combustion de la deuxième partie du chargement ayant une surface interne à section circulaire ou de la deuxième partie du chargement pleine.
Dans un exemple de réalisation, on réalise une phase préliminaire d'accélération dans laquelle il y a combustion du chargement et dans laquelle la section du col de tuyère est fixée à une première valeur par le dispositif de modulation, et on réalise, après cette phase préliminaire, la phase de diminution de la poussée en faisant passer la section du col de tuyère de la première valeur à une deuxième valeur supérieure à la première valeur.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 illustre la mise en œuvre une méthode (« Strand Burner Method ») permettant de mesurer la vitesse de combustion d'un chargement de propergol,
- la figure 2 est une vue schématique en perspective et en coupe partielle d'un exemple de propulseur selon l'invention,
- les figures 3A et 3B sont des vues schématiques en coupe longitudinale de la tuyère du propulseur illustré la figure 2,
- la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un exemple de corps de propulseur utilisable dans le cadre de la présente invention,
- les figures 5 et 6 sont des vues en section transversale du chargement considéré à la figure 4 prises à deux positions différentes dans le chargement,
- la figure 7 illustre la modulation de poussée qui peut être obtenue en utilisant le chargement des figures 4 à 6, et
- la figure 8 est une vue en section transversale d'un exemple de chargement distinct de celui considéré aux figures 4 à 6 et qui peut être utilisé dans le cadre de la présente invention.
Description détaillée de modes de réalisation
Un exemple de propulseur 10 selon l'invention est illustré, de manière schématique, à la figure 2.
Le propulseur 10 comprend un corps 11 de propulseur qui définit une chambre de combustion 12 dans laquelle un chargement de propergol 14 est présent. Le corps 11 peut avoir une forme de révolution. Le corps 11 entoure la chambre de combustion 12. Le chargement de propergol 14 peut être sous forme solide.
Le corps 11 présente un fond arrière 17 situé du côté de la tuyère 20 et un fond avant 18 situé du côté opposé au fond arrière 17. La chambre de combustion 12 est en communication avec la tuyère 20 par l'intermédiaire du fond arrière 17. La tuyère 20 est ici de type « aerospike », c'est-à-dire qu'elle est pratiquement dépourvue de divergent et qu'elle est munie d'un pointeau 33 à profil convexe qui est mobile par rapport à son col 21 (voir figures 3A et 3B). L'exemple de dispositif de modulation 30 de la section d'éjection de gaz illustré ici comprend un pointeau 33. L'invention peut toutefois s'appliquer à des propulseurs comprenant une tuyère munie d'un divergent. En outre, d'autres formes de dispositifs de modulation sont envisageables, on peut par exemple utiliser un système à diaphragme au lieu du système à pointeau utilisé.
Dans l'exemple illustré, la tuyère 20 est reliée au fond arrière 17 par une rallonge 16. Toutefois, selon une variante de réalisation d'un propulseur selon l'invention, la tuyère peut être également directement connectée au fond arrière du corps de propulseur, c'est-à-dire sans la rallonge 16. Selon encore une autre variante de réalisation du propulseur selon l'invention, la tuyère peut être reliée au fond arrière du corps du propulseur par une liaison articulée, telle qu'une rotule par exemple, de manière à permettre l'orientation de la tuyère dans plusieurs directions par rapport à l'axe du corps du propulseur.
Le dispositif de modulation 30 peut être positionné à l'intérieur de la tuyère 20. Le dispositif de modulation 30 comprend ici un pointeau 33 qui comporte une tige 133 s'étendant entre une partie proximale 133a et une partie distale 133b (voir figures 3A et 3B). La partie distale 133b est située du côté du col 21 de tuyère 20 et la partie proximale 133a est située du côté opposé. La partie distale 133b présente un diamètre décroissant formant un organe d'obturation partiel pour le col de tuyère 21. Ce diamètre décroissant de la partie distale 133b permet, en faisant varier la position du pointeau, de faire varier la section du col 21.
Le dispositif de modulation 30 comprend également un guide de pointeau 34 qui permet de maintenir le pointeau en position tout en permettant le déplacement de ce dernier le long de l'axe Y de la tuyère 20. L'axe Y de la tuyère correspond à la direction le long de laquelle les gaz générés par la combustion du chargement 14 sont expulsés afin de permettre la propulsion.
Le guide 34 comprend une paroi 36 délimitant un logement interne 38 à l'intérieur duquel est présent un dispositif de commande 40 du pointeau 33 qui permet de commander le déplacement du pointeau 33 le long de l'axe Y. Le dispositif de commande 40 comprend par exemple un vérin relié à la partie proximale 133a du pointeau 33, ainsi qu'un élément de contrôle permettant de contrôler ce vérin et donc le déplacement du pointeau. Le guide 34 comprend, dans l'exemple illustré, deux bras 31 et 32 fixés sur la paroi interne de la tuyère 20. Les bras 31 et 22 sont disposés à 180° l'un de l'autre, le reste de l'espace circonférentiel présent autour du dispositif de modulation 30 étant laissé libre pour permettre aux gaz issus de la chambre de combustion 12 de s'écouler vers le col de tuyère 21. Le guide 34 définit en outre un passage 35 qui supporte la tige 133 du pointeau et guide ses mouvements lorsque le pointeau 33 coulisse suite à son actionnement par le dispositif 40. Le dispositif 40 du pointeau est configuré pour faire passer le pointeau 33 d'une première position, telle qu'illustrée à la figure 3A, à une deuxième position, telle qu'illustrée à la figure 3B, et réciproquement.
Lorsque le pointeau 33 passe de la première position illustrée à la figure 3A à la deuxième position illustrée à la figure 3B, il y a diminution de la section du col 21 de tuyère 20 de la valeur SI à la valeur S2. Lorsque le pointeau 33 passe de la deuxième position illustrée à la figure 3B à la première position illustrée à la figure 3A, il y a augmentation de la section du col 21 de tuyère 20 de la valeur S2 à la valeur SI. Le dispositif 40 permet ainsi, dans l'exemple illustré, de faire coulisser le pointeau 33 le long de l'axe Y entre une première position dans laquelle le pointeau est rétracté (figure 3A) et une deuxième position dans laquelle le pointeau est avancé (figure 3B). La section du col 21 lorsque le pointeau est rétracté est supérieure à la section du col 21 lorsque le pointeau est avancé.
Comme évoqué précédemment, l'invention réside dans la combinaison au sein d'un même propulseur d'un propergol spécifique et d'un dispositif de modulation de la section du col de tuyère afin de conférer à ce propulseur la possibilité de délivrer une poussée modulable.
Le propergol utilisé dans le cadre de l'invention vérifie, sur une plage de pression P dans la chambre de combustion comprise entre 20 bars et 200 bars, la loi de Vieille : Vc = a.Pn, où Vc désigne la vitesse de combustion du propergol, P désigne la pression dans la chambre de combustion, a est un facteur pré-exponentiel et n est compris entre 0,5 et 0,8, par exemple entre 0,55 et 0,65, n pouvant être sensiblement égal à 0,6. Le fait que l'exposant n soit supérieur ou égal à 0,5 confère au propergol une vitesse de combustion particulièrement sensible à la pression régnant dans la chambre de combustion. Cela permet, en particulier, de passer d'une phase de croisière à une phase d'accélération (« boost ») avec une bonne réactivité. Le fait que n soit inférieur ou égal à 0,8 permet d'éliminer le risque d'emballement lors de la combustion du chargement, et donc d'éliminer le risque d'une explosion du propulseur en fonctionnement.
Le propergol 14 utilisé présente, en outre, la particularité de se consumer lentement sans s'éteindre lorsque la pression dans la chambre de combustion est faible, permettant ainsi la réalisation d'une phase de croisière. Ainsi, lorsque la pression dans la chambre de combustion est égale à 1 bar, la vitesse de combustion Vc du propergol est non nulle et inférieure ou égale à 1 mm/s, voire à 0,75 mm/s, voire à 0,50 mm/s. La combustion du propergol peut alors être réactivée si cela est souhaité afin de générer une phase de forte poussée.
On va, à présent, décrire de manière plus détaillée la composition chimique d'exemples de propergol utilisables dans le cadre de l'invention, qui satisfont donc en particulier les conditions précitées pour la vitesse de combustion.
Selon un exemple, le propergol formant le chargement 14 peut être un propergol composite comprenant un liant plastifié comprenant un polyazoture de glycidyle réticulé et au moins un plastifiant énergétique, et des charges organiques présentes dans le liant plastifié.
On peut, en particulier, utiliser dans l'invention les propergols décrits dans la demande WO 2016/066945 dont les caractéristiques sont reprises ci-dessous.
Ainsi, on peut utiliser un propergol composite renfermant, dans un liant plastifié, comprenant un polymère énergétique réticulé et au moins un plastifiant énergétique, des charges énergétiques organiques et un catalyseur de combustion, le propergol étant tel que :
- ledit polymère énergétique réticulé consiste en un polyazoture de glycidyle, ayant une masse moléculaire moyenne en nombre comprise entre 700 g/mol et 3000 g/mol, réticulé, via ses fonctions terminales hydroxyles, avec au moins un agent de réticulation de type polyisocyanate ; et
- ledit catalyseur de combustion consiste en le citrate de bismuth.
Le polyazoture de glycidyle constituant le précurseur du liant peut présenter des fonctions terminales hydroxy (i.e. être un PAG hydroxytéléchélique).
La masse moléculaire en nombre du polyazoture de glycidyle peut être comprise entre 1700 g/mol et 2300 g/mol.
Les agents de réticulation, de type polyisocyanate (au moins bifonctionnels), peuvent être des di- ou triisocyanates. Il s'agit avantageusement de polyisocyanates liquides, choisis parmi le toluène diisocyanate (TDI), l'isophorone diisocyanate (IPDI), le dicyclohexylméthylène diisocyanate (MDCI), l'hexaméthylène diisocyanate (HDI), le trimère dudit hexaméthylène diisocyanate (notamment commercialisé par la société Bayer sous la dénomination commerciale Desmodur® N 3300), le biuret trihexane isocyanate (BTHI), le 3,5,5 triméthyl-l,6-hexaméthylène diisocyanate et leurs mélanges. On peut, en particulier, utiliser le trimère de l'hexaméthylène diisocyanate. Lesdits agents de réticulation peuvent conventionnellement être utilisés en quantité nécessaire et suffisante, pour assurer la réticulation du polymère (non excessive pour ne pas polluer le produit réticulé obtenu). Ils sont conventionnellement utilisés en une quantité telle que le rapport de pontage (NCO (de l'agent de réticulation) /OH (du polymère)) soit compris entre 0,8 et 1,4, voire soit avantageusement de 1.
Le plastifiant énergétique peut être de type nitrate et/ou nitramine. Le(s) plastifiant(s) énergétique(s) en cause est(sont) avantageusement choisi(s) parmi le dinitrate de diéthylène glycol (DEGDN), le dinitrate de triéthylène glycol (TEGDN), le trinitrate de butanetriol (BTTN), le trinitrate de triméthyloléthane (TMETN), un mélange de 2,4-dinitro-2,4-diaza-pentane, de 2,4-dinitro-2,4-diaza-hexane et de 3,5-dinitro-3,5-diaza-heptane (et tout particulièrement le DNDA 5,7), les nitrato éthyl nitramines (notamment le méthyl-2-nitratoéthyl nitramine (méthylNENA) et réthyl-2-nitratoéthyl nitramine (éthylNENA)) et leurs mélanges.
Les charges énergétiques organiques peuvent être choisies parmi les charges d'hexogène, d'octogène, d'hexanitrohexaazaisowurtzitane, de nitroguanidine, d'éthylène dinitramine, de dinitramide de N-guanylurée, de l,2-diamino-2,2-dinitro éthylène, de 5,5'-azotétrazolate de bis(triaminoguanidinium), de 5,5'azotétrazolate de dihydrazinium, de 5,5'-bis(tétrazolyl)hydrazine, de bis(2,2-dinitropropyl) nitramine, d'un nitropyrazole et les mélanges de telles charges. Les charges énergétiques organiques se présentent conventionnellement sous la forme de grains solides, répartis de façon homogène au sein du liant réticulé plastifié. Ces grains solides peuvent présenter plusieurs distributions granulométriques.
La teneur massique en citrate de bismuth dans le propergol peut, quant à elle, être comprise entre 1 % et 6 %, avantageusement entre 3 % et 5 %.
Le propergol peut en outre renfermer au moins un additif, lequel comprend au moins un catalyseur de réticulation et/ou au moins un agent de stabilisation du au moins un plastifiant énergétique. Ledit au moins un catalyseur de polymérisation peut notamment être choisi parmi le triphénylbismuth et le dibutyldilaurate d'étain (DBTL). Présent, il l'est généralement à une teneur ne dépassant pas 100 ppm. Ledit au moins un agent de stabilisation du(des) plastifiant(s) présent(s) peut notamment consister en au moins une amine aromatique, telle la 2-nitrodiphénylamine (2-NDPA) et la N-méthylparanitroaniline (MNA). Présent, il l'est généralement à une teneur d'environ 1 % en masse.
En particulier, la composition du propergol, exprimée en pourcentages massiques, peut renfermer :
- de 50 à 70 %, avantageusement de 55 à 65 %, desdites charges énergétique organiques,
- de 10 à 14 % dudit polymère énergétique réticulé,
- de 10 à 30 %, avantageusement de 15 à 25 %, dudit au moins un plastifiant énergétique,
- de 1 à 6 %, avantageusement de 3 à 5 %, dudit citrate de bismuth, et
- de 0 à 4 %, avantageusement de 0,1 à 4 %, d'au moins un additif.
On peut, en particulier, mettre en œuvre les propergols divulgués aux exemples 1 et 2 de la demande WO 2016/066945.
On va à présent décrire les figures 4 et 6 qui montrent un exemple de géométrie utilisable pour le chargement 14 de propergol.
Le chargement 14 définit un canal interne 145 traversant qui s'étend selon l'axe X du corps 11 du propulseur. Le chargement 14 s'étend entre le fond avant 18 et le fond arrière 17. Le propulseur comprend en outre un allumeur 15 configuré pour initier la combustion du chargement
14. L'allumeur 15 peut être situé du côté du fond avant 18. L'allumeur 15 peut être au moins en partie logé à l'intérieur du canal interne 145, comme cela est illustré.
Le chargement 14 considéré dans cet exemple présente deux parties distinctes 141 et 143. Les première 141 et deuxième 143 parties sont décalées le long de l'axe X du corps 11 du propulseur. La première partie 141 est située du côté de l'allumeur 15 et la deuxième partie 143 est située du côté de la tuyère 20.
Chacune de ces parties 141 et 143 présente une surface interne ayant une forme distincte. La surface interne de chacune des première 141 et deuxième 143 parties entoure le canal interne 145. Cette différence en termes de forme de la surface interne engendre une différence en termes de surface de combustion offerte par le chargement 14 dans ces deux parties 141 et 143.
La première partie 141 du chargement 14 a une surface interne SI1 qui présente, en section transversale, une forme en étoile (voir figure 5). La deuxième partie 143 du chargement présente, quant à elle, une surface interne SI2 présentant, en section transversale, une forme circulaire (voir figure 6). Sauf mention contraire, ces sections transversales sont prises perpendiculairement à Taxe X.
On notera que, dans l'exemple de chargement 14 des figures 4 à 6, la surface interne SI2 est initialement (avant initiation de la combustion du chargement 14) revêtue d'un revêtement inhibiteur 147. La présence de ce revêtement inhibiteur 147, connu en soi, permet d'assurer une combustion séquentielle des première 141 et deuxième 143 parties. En d'autres termes, après initiation de la combustion du chargement 14 par l'allumeur, la première partie 141 du chargement 14 sera brûlée puis la deuxième partie 143. Le revêtement 147 va être progressivement consumé durant la combustion de la première partie 141, une fois ce revêtement 147 entièrement consumé la combustion de la deuxième partie 143 sera initiée.
Dans une variante non illustrée, on pourrait placer l'allumeur 15 et la première partie 141 du chargement du côté du fond arrière 17 et la deuxième partie 143 du chargement du côté du fond avant 18. Dans une variante non illustrée, la deuxième partie du chargement pourrait être pleine (i.e. ne définissant pas de canal interne) et recouverte d'un revêtement inhibiteur du côté de la première partie. Dans ce cas, la deuxième partie du chargement présente une combustion en cigarette.
On va maintenant décrire un exemple de procédé de modulation de la poussée délivrée par un propulseur selon l'invention, mettant en œuvre un chargement tel qu'illustré aux figures 4 à 6.
Avant initiation de la combustion, le pointeau 33 est positionné dans la première position illustrée à la figure 3A i.e, dans une configuration offrant une section SI de col 21 de tuyère 20 élevée.
L'allumeur 15 est actionné afin d'initier la combustion de la première partie 141 du chargement. Comme évoqué plus haut, dans un premier temps, seule la première partie 141 du chargement est consumée (pas la deuxième partie 143).
La combustion de la première partie 141 du chargement ayant une surface interne SI1 à section en étoile permet de réaliser une phase préliminaire d'accélération. Durant cette phase, une forte poussée est générée car la surface interne SI1, en étoile, offre une surface élevée de combustion, produisant une forte génération de gaz, donc une forte pression à l'intérieur de la chambre de combustion 12 et, par conséquent, un fort débit de gaz éjecté à l'extérieur de la tuyère 20.
Une fois la première partie 141 du chargement consumée, on commence à brûler la deuxième partie 143 laquelle présente une surface interne SI2 à section circulaire. Etant donné que la surface de combustion offerte par la deuxième partie 143, à section circulaire, est moins élevée que celle offerte par la première partie 141 à section en étoile, la génération de gaz dans la chambre de combustion 12 diminue significativement, diminuant ainsi la pression dans la chambre de combustion 12.
Cette diminution de la pression dans la chambre 12 permet, compte-tenu du propergol utilisé, de brûler le chargement à une vitesse réduite, permettant ainsi de réaliser une phase de diminution de la poussée délivrée par le propulseur et donc une phase de croisière. Durant cette phase, le chargement est, en quelque sorte, mis en « veille » dans la mesure où il n'est pas éteint mais brûle très lentement.
On notera que, dans cet exemple de chargement à surface de combustion évolutive, la phase de diminution de la poussée est réalisée uniquement du fait de la diminution de la surface de combustion offerte par le chargement (passage d'une surface interne du chargement en étoile à une surface interne circulaire). Ainsi, dans ce cas, la section du col 21 de tuyère n'est pas modifiée entre la phase préliminaire d'accélération et la phase de diminution de la poussée. La section du col 21 est, dans ce cas, toujours à la valeur SI durant ces deux phases, le dispositif de modulation 30 étant maintenu dans la première position durant ces deux phases.
Comme cela a été évoqué plus haut, on peut alors réaliser lorsque cela est souhaité une phase d'augmentation de la poussée délivrée par le propulseur en augmentant la pression dans la chambre de combustion 12. Pour ce faire, le pointeau 33 est avancé afin de passer dans la deuxième position illustrée à la figure 3B. On diminue ainsi la section du col 21 en la faisant passer de la valeur SI à la valeur S2.
Du fait de la diminution de la section du col 21, la pression dans la chambre de combustion 12 augmente du fait d'un échappement moindre des gaz de combustion à l'extérieur de la tuyère. Compte-tenu de la nature du propergol utilisé, l'augmentation de la pression dans la chambre 12 fait augmenter la vitesse de combustion du chargement. Cette augmentation de pression et de vitesse de combustion augmente la vitesse d'éjection des gaz à l'extérieur de la tuyère, et conduit donc à augmenter la poussée délivrée par le propulseur. On « réactive » ainsi le chargement en passant d'une phase de « veille » à une phase de forte poussée.
On remarquera que l'augmentation de la poussée est réalisée sans avoir à actionner l'allumeur 15. La sensibilité à la pression de la vitesse de combustion du propergol utilisé permet simplement en diminuant la section du col 21 d'obtenir une augmentation de la poussée. Il n'est donc pas nécessaire de rallumer le chargement en utilisant l'allumeur 15 pour passer d'une phase de croisière à une phase de forte poussée, ce qui participe à réduire le coût de la modulation de poussée effectuée.
La figure 7 illustre la modulation de la poussée qui vient d'être décrite en lien avec le chargement des figures 4 à 6.
Une phase préliminaire d'accélération est tout d'abord réalisée, qui correspond à une phase de forte poussée (phase Pl). Durant cette phase préliminaire Pl, il y a combustion de la première partie 141 en étoile.
Après cette phase Pl d'accélération préliminaire, une phase P2 de diminution de la poussée est réalisée. Cette phase P2 est réalisée par diminution de la pression dans la chambre 12 de combustion, suite à une diminution de la surface interne du chargement. On passe de la phase Pl à la phase P2 lorsque la combustion de la première partie 141 est terminée et lorsque la combustion de la deuxième partie 143 est initiée. Cette phase P2 correspond à une phase de faible poussée, correspondant à une phase de croisière, durant laquelle le chargement brûle lentement, ce qui permet notamment d'économiser le chargement pour réaliser cette phase.
Après la phase P2, une phase P3 d'augmentation de la poussée est réalisée. La phase P3 est réalisée par augmentation de la pression dans la chambre 12 de combustion. Cette augmentation de pression est ici effectuée en avançant le pointeau 33, et permet de réaliser à nouveau une phase de forte poussée.
La poussée délivrée lors de la phase P3 peut être inférieure à la poussée délivrée durant la phase Pl. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque la poussée délivrée lors de la phase P3 est égale ou supérieure à la poussée délivrée lors de la phase Pl.
Durant la phase Pl, la pression dans la chambre 12 est égale à une première valeur. Lors du passage de la phase Pl à la phase P2, la pression dans la chambre 12 diminue de la première valeur à une deuxième valeur. Lors du passage de la phase P2 à la phase P3, la pression dans la chambre 12 augmente de la deuxième valeur à une troisième valeur qui peut être inférieure, égale ou supérieure à la première valeur.
On vient de décrire la mise en œuvre d'un exemple de chargement ayant une surface interne dont la forme en section varie le long de la longueur du chargement.
On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque la surface interne du chargement présente la même forme sur toute la longueur du chargement. Un tel cas va, à présent, être décrit en lien avec la figure 8.
La figure 8 illustre une variante de chargement 142 destiné à être utilisé dans un propulseur similaire à celui décrit aux figures 2 à 4. Dans cet exemple, la surface interne SI3 du chargement 142 est inchangée sur toute sa longueur entre le fond avant 18 et le fond arrière
17. Dans cet exemple, la surface interne SI3 du chargement 142 a une section circulaire.
La modulation de la poussée délivrée par un propulseur utilisant un tel chargement peut être réalisée de la manière suivante.
Avant initiation de la combustion, le pointeau 33 est positionné dans la deuxième position illustrée à la figure 3B i.e. dans une configuration offrant une section S2 de col 21 de tuyère 20 faible.
Le chargement 142 est alors initié par l'allumeur 15. La pression régnant dans la chambre de combustion 12 va au fur et à mesure de la combustion du chargement 142 progressivement augmenter de sorte à permettre la réalisation d'une phase préliminaire d'accélération.
On augmente alors la section du col 21 en rétractant le pointeau en le faisant passer de la deuxième position selon la figure 3B à la première position illustrée à la figure 3A. Cela permet de faire diminuer la pression dans la chambre de combustion et donc la vitesse de combustion du chargement. Le chargement est alors en « veille », permettant la réalisation d'une phase de croisière et autorisant une réactivation ultérieure.
Lorsque cette réactivation est souhaitée, le pointeau 33 est à nouveau actionné afin de le rétracter et diminuer la section du col 21. Le pointeau 33 peut alors être à nouveau placé dans la deuxième position illustrée à la figure 3B, ou en variante être placé dans une troisième position intermédiaire entre les première et deuxième positions ou située au-delà de la deuxième position selon la poussée désirée. La fermeture du col tuyère permet de faire augmenter la pression dans la chambre 12 et donc le débit de gaz éjecté.
Dans ce cas, on remarquera que chaque phase de modulation de la poussée délivrée par le propulseur est obtenue par actionnement du dispositif de modulation.
On pourrait en variante utiliser un chargement plein sur toute la longueur entre le fond avant et le fond arrière et présentant donc une combustion en cigarette sur toute cette longueur.
La pression imposée dans la chambre de combustion 12 dépend de l'application souhaitée pour le propulseur.
Dans une première application, la pression dans la chambre de combustion 12 durant la phase préliminaire d'accélération et durant la phase d'augmentation de la poussée peut être comprise entre 100 bars et 200 bars. Dans la première application, la pression dans la chambre de combustion 12 durant la phase de diminution de la poussée peut être inférieure ou égale à 50 bars, et par exemple être comprise entre 1 bar et 50 bars, voire entre 20 bars et 50 bars ou être sensiblement égale à 1 bar.
Dans une deuxième application, la pression dans la chambre de combustion 12 durant la phase préliminaire d'accélération et durant la phase d'augmentation de la poussée peut être comprise entre 20 bars et 50 bars. Dans la deuxième application, la pression dans la chambre de combustion 12 durant la phase de diminution de la poussée peut être inférieure ou égale à 10 bars, et par exemple être comprise entre 1 bar et 10 bars, voire être sensiblement égale à 1 bar.
Comme il vient d'être décrit le propulseur objet de la présente invention permet de fournir une poussée modulable tout en conservant pour ce dernier une conception relativement simple et légère et en s'affranchissant de l'utilisation de deux propulseurs distincts. L'invention propose ainsi à faible coût un système de propulsion permettant plusieurs régimes de fonctionnement. On notera aussi que l'invention permet, lors des phases de croisière, d'économiser la quantité du chargement consommée, réduisant ainsi davantage encore le coût de mise en œuvre de la modulation de poussée.
L'expression « compris(e) entre ... et ...» doit se comprendre comme incluant les bornes.
Claims (10)
1. Propulseur (10) configuré pour délivrer une poussée modulable comprenant au moins :
- un corps (11) de propulseur définissant une chambre (12) de combustion dans laquelle un chargement (14 ; 142) de propergol est présent, le propergol ayant une vitesse de combustion Vc vérifiant la loi de Vieille : Vc = a.Pn, où P désigne la pression dans la chambre de combustion, a est un facteur pré-exponentiel et n est compris entre 0,5 et 0,8, cette loi étant vérifiée sur une plage de pression P dans la chambre de combustion allant de 20 bars à 200 bars, et la vitesse de combustion Vc du propergol étant non nulle et inférieure ou égale à 1 mm/s pour une pression dans la chambre de combustion égale à 1 bar, et
- une tuyère (20) à section de col (21) variable reliée au corps de propulseur, la tuyère comprenant un col de tuyère et un dispositif (30) de modulation de section d'éjection de gaz apte à faire varier la section du col de tuyère.
2. Propulseur (10) selon la revendication 1, dans lequel la vitesse de combustion Vc du propergol (14 ; 142) est inférieure ou égale à 0,75 mm/s pour une pression dans la chambre (12) de combustion égale à 1 bar.
3. Propulseur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le propulseur comprend un allumeur (15), le chargement (14) ayant une première partie (141) dont une surface interne (SU) présente une section en étoile et située du côté de l'allumeur, et le chargement ayant une deuxième partie (143) opposée à l'allumeur, la deuxième partie présentant une surface interne (SI2) de section circulaire recouverte d'un revêtement inhibiteur (147), ou cette deuxième partie étant pleine et étant recouverte d'un revêtement inhibiteur.
4. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le corps (11) comprend un fond arrière (17) situé du côté de la tuyère (20) et un fond avant (18) opposé au fond arrière, le propulseur comprenant en outre un allumeur (15), le chargement ayant, sur toute sa longueur entre le fond avant et le fond arrière, une surface interne (SI3) présentant une section circulaire, ou une structure pleine.
5. Propulseur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le propergol (14 ; 142) est un propergol composite comprenant un liant plastifié comprenant un polyazoture de glycidyle réticulé et au moins un plastifiant énergétique, le propergol comprenant en outre des charges énergétiques organiques présentes dans le liant plastifié.
6. Propulseur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif (30) de modulation est placé en amont du col (21) de la tuyère (20) et comprend un pointeau (33) comprenant une partie proximale (133a) logée dans un guide (34) de pointeau et une partie distale (133b) ayant un diamètre décroissant et formant un organe d'obturation partiel pour le col (21) de tuyère, le pointeau étant mobile par rapport au col de tuyère.
7. Procédé de modulation de la poussée délivrée par un propulseur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel il y a combustion du chargement (14 ; 142) de propergol et dans lequel on réalise durant cette combustion :
- une phase (P2) de diminution de la poussée délivrée par le propulseur par diminution de la pression dans la chambre (12) de combustion, cette diminution de pression étant obtenue du fait d'une diminution de la surface de combustion du chargement ou par augmentation de la section du col (21) de tuyère (20) par actionnement du dispositif (30) de modulation, et
- une phase (P3) d'augmentation de la poussée délivrée par le propulseur réalisée après la phase de diminution de la poussée par augmentation de la pression dans la chambre de combustion, cette augmentation de pression étant réalisée par diminution de la section du col de tuyère par actionnement du dispositif de modulation.
8. Procédé selon la revendication 7 mettant en œuvre un propulseur (10) selon la revendication 3 ou selon la revendication 5 ou 6 rattachée à la revendication 3, dans lequel on réalise une phase (Pl) préliminaire d'accélération dans laquelle il y a combustion de la première partie (141) du chargement (14) ayant une surface interne (SU) à section en étoile, et dans lequel on réalise, après cette phase préliminaire, les 5 phases (P2 ; P3) de diminution et d'augmentation de la poussée dans lesquelles il y a combustion de la deuxième partie (143) du chargement ayant une surface interne (SI2) à section circulaire ou de la deuxième partie du chargement pleine.
10 9. Procédé selon la revendication 7 mettant en œuvre un propulseur (10) selon la revendication 4 ou selon la revendication 5 ou 6 rattachée à la revendication 4, dans lequel on réalise une phase (Pl) préliminaire d'accélération dans laquelle il y a combustion du chargement (142) et dans laquelle la section du col (21) de tuyère est fixée à une
15 première valeur par le dispositif (30) de modulation, et dans lequel on réalise, après cette phase préliminaire, la phase (P2) de diminution de la poussée en faisant passer la section du col de tuyère de la première valeur à une deuxième valeur supérieure à la première valeur.
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2017
- 2017-07-07 FR FR1700727A patent/FR3068737B1/fr active Active
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