FR3137135A1 - Dispositif d'injection et procédé d'injection d'une combinaison de carburant liquide-liquide dans un espace de combustion - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'injection pour introduire une combinaison de carburant liquide-liquide, notamment hypergolique, dans un espace de combustion d'une chambre de combustion d'un engin spatial, le dispositif d'injection comprenant une plaque d’impact que viennent heurter, en fonctionnement, des composants de carburant et au moins un premier canal avec une première sortie agencée à son extrémité aval et au moins un second canal avec une seconde sortie agencée à son extrémité aval pour conduire chacun des composants de carburant et éjecter les composants de carburant pour heurter la plaque d'impact. Une combustion définie sur une plage de fonctionnement plus large peut être obtenue en disposant les canaux avec les sorties les uns par rapport aux autres de manière à ce que les composants combustibles entrent en contact avec la plaque d’impact au niveau de zones de contact localisées à des endroits différents, l'une de l'autre viennent heurter la plaque d'impact, la zone de contact ou les zones de contact d’un des composants de carburant étant notamment positionnée radialement plus à l'extérieur, plus loin de l'axe longitudinal du dispositif d'injection.

Description

Dispositif d'injection et procédé d'injection d'une combinaison de carburant liquide-liquide dans un espace de combustion

L'invention concerne un dispositif d'injection pour introduire une combinaison de carburant liquide-liquide, en particulier hypergolique, dans un espace de combustion d'une chambre de combustion d'un engin spatial, le dispositif d'injection comprenant une plaque d’impact que des composants de carburant viennent heurter pendant le fonctionnement, et au moins un premier canal avec une première sortie située à son extrémité aval et au moins un deuxième canal avec une deuxième sortie située à son extrémité aval pour conduire les composants de carburant et les jets de composants de carburant respectifs à heurter la plaque d’impact. L'invention concerne également un procédé dans lequel une combinaison de carburant liquide-liquide, en particulier hypergolique, est injectée dans un espace de combustion d'une chambre de combustion d'un engin spatial.

Un dispositif d'injection de ce type est présenté dans la demande US 3 897 008 A. Dans ce dispositif d'injection connu, un premier et un deuxième composant de carburant d'une combinaison de carburant liquide-liquide sont éjectés via un premier et un deuxième canal sur une plaque d’impact disposée à distance de leur sortie et orientée obliquement par rapport à l'axe longitudinal du dispositif d'injection et acheminés via un parcours de mélange vers un espace de combustion pour la combustion. Les deux canaux présentent chacun une section annulaire cylindrique côté sortie, qui se raccorde à une section conique côté entrée, qui est formée sur un manchon monté de manière mobile axialement par rapport aux canaux. La section d'écoulement des canaux peut être modifiée côté entrée par les sections coniques. À l'extrémité de la plaque d'impact en aval de l’écoulement, vers l’espace de combustion, se trouve une bride périphérique qui dévie l’écoulement. Cette conception du dispositif d'injection peut entraîner des conditions d'écoulement défavorables avec un écoulement incomplet dans le canal de sortie. En réduisant le débit massif via les surfaces coniques de l'élément de réglage unique sous la forme du manchon déplaçable à l'entrée du fluide dans les canaux, le débit peut être réduit à un point tel que l'injection est altérée. Comme seul le manchon est conçu pour être mobile, les deux passages pour le fluide ne peuvent être réglés qu'en fonction l'un de l'autre, ce qui limite le réglage du point de fonctionnement. En raison de la conception relativement fermée due à l'élément de déviation, des surpressions peuvent se produire en raison de l'espace d'expansion restreint, en particulier lors du mélange de substances à inflammation spontanée ou de fluides hypergoliques, ce qui peut endommager l'injecteur et un moteur équipé de celui-ci.

Un autre dispositif d'injection est décrit dans la demande US 3 790 088 A.

La demande US 3 372 543 A montre un dispositif d'injection avec un plaque d'impact, le comburant et le combustible étant introduits dans des chambres de manière tourbillonnante, chacun s'écoulant d'un côté de la plaque d'impact et arrivant sur une plaque annulaire entourante avec des plaques de guidage pour former le mélange.

Un autre dispositif d'injection comprenant une plaque d'impact est décrit dans la demande US 3 137 445 A.

Un autre dispositif d'injection, sous la forme d'un "injecteur Pintle" sans plaque d'impact, est décrit dans le document KR 102 311 059 B1.

L'objectif de la présente invention est de mettre au point un dispositif d'injection permettant un fonctionnement fiable de la combustion sur une large plage de fonctionnement et un procédé correspondant.

L'objectif est rempli par le dispositif d'injection et par le procédé dont les caractéristiques sont décrites dans ce qui suit.

Dans le dispositif d'injection, il est prévu que les canaux avec les sorties, les canaux étant en particulier coniques par rapport à un axe longitudinal du dispositif d'injection, soient agencés les uns par rapport aux autres de telle sorte que les composants de carburant frappent la plaque d’impact au niveau de zones de contact (emplacement auquel chacun des composants de carburant frappe en premier la plaque d'impact) localisées à des endroits différents. En particulier, la ou les zones de contact de l'un des composants de carburant peut/peuvent être positionnée(s) radialement plus vers l'extérieur, à une plus grande distance de l'axe longitudinal du dispositif d'injection.

Les zones de contact peuvent avoir une ou des formes ponctuelles et/ou linéaires.

En particulier, les canaux avec les sorties sont disposés à distance les uns des autres de telle sorte que les composants de carburant n'interagissent au moins pas sensiblement les uns avec les autres jusqu'à ce qu'ils heurtent la plaque d'impact et/ou s'écoulent dans des couches liquides espacées l'une de l'autre. Les couches liquides peuvent par exemple s’écouler parallèlement l’une à l’autre ou la couche liquide radialement externe peut être orientée plus obliquement (avec un angle α plus grand) que la couche liquide radialement interne pour réduire la force d'impact sur la zone de contact. L'écoulement est de préférence exempt de rotation.

Pour la conception, des essais préliminaires expérimentaux et/ou des simulations numériques (assistées par ordinateur) peuvent être réalisés avec les combustibles à utiliser et/ou aux points de fonctionnement pertinents.

Afin d'alimenter les canaux en composants de carburant, il peut être prévu un système d'alimentation en carburant avec des chambres de distribution séparées pour les composants de carburant et affectées à chacun des canaux.

Par l'impact des composants de carburant à différents endroits (zones de contact), on pourra définir la manière dont se fera le premier contact des composants de carburant entre eux et/ou un processus de mélange sur la plaque d'impact et/ou après l'écoulement de la plaque d'impact. En particulier en ce qui concerne les carburants hypergoliques (qui s'enflamment spontanément lorsqu'ils entrent en contact entre eux), on pourra définir la manière dont se fera le processus d'allumage en tenant compte du temps de retard à l'allumage, qui est essentiel pour l'allumage à un emplacement d'allumage défini. De cette manière, un processus de combustion stable avec un emplacement d'allumage et/ou une composition locale au moins essentiellement définis peut avantageusement être atteint sur une large plage de fonctionnement.

Les canaux sont alignés avec les zones de contact qui sont en regard de l’espace qui les sépare. La ou les zones de contact du fluide interne se trouvent de préférence dans le tiers radialement interne de la plaque d'impact, la ou les zones de contact du fluide externe se trouvent à côté, par exemple dans le tiers radialement central et/ou externe de la plaque d’impact.

Dans mode de conception avantageux en termes de sécurité, il est prévu qu'un espace soit ménagé entre au moins l'une des sorties et la plaque d'impact, à l'intérieur duquel, en fonctionnement, au moins le composant de carburant circulant à travers un des canaux, en particulier le canal externe (composant de carburant radialement extérieur), forme une couche liquide libre ou partiellement libre. Par exemple, une couche liquide libre ou partiellement libre peut être formée pour chaque composant de carburant. Une couche partiellement libre est formée lorsque, avec une conception adaptée du dispositif d'injection, la couche liquide est en contact avec une paroi d'un côté, de préférence le côté radialement intérieur, mais pas de l'autre côté, de préférence le côté extérieur. À titre d’alternative, l’espace par rapport au canal radialement interne peut être si faible que le composant de carburant radialement interne forme une couche de carburant sur la plaque d'impact immédiatement après sa sortie sans former de couche liquide. Avec un plus grand espace pour la formation de la au moins une couche liquide, lors de la confluence des deux composants de carburant, même dans le cas d’un éventuel allumage sur la plaque d’impact, l'énergie libérée lors de l'allumage peut être dirigée vers l'extérieur, dans l’espace de combustion et non à travers le/ ou les canaux dans l’intérieur du système d’injection. Ceci pourrait conduire à un endommagement ou à la destruction du dispositif d'injection.

Dans une configuration pour former une couche liquide libre, une sortie se trouve par définition à l'extrémité amont de la couche liquide libre ; dans une configuration pour former une couche liquide partiellement libre, la sortie se trouve à l'extrémité amont de la couche liquide partiellement libre et dans une configuration sans formation de couche liquide, la sortie se trouve à l'extrémité aval du canal respectif.

L'importance de l’espace correspondant aux distances entre les sorties et la plaque d’impact peut être différente selon les sorties et/ou variable si des pièces du dispositif d'injection sont mobiles axialement. La taille de l’espace est de préférence conçue pour être suffisamment petite pour que pendant le fonctionnement (en tout point de fonctionnement), les multiples couches liquides des composants de carburant utilisés qui peuvent être présentes n’entrent pas en contact entre elles avant de frapper la plaque d'impact, en raison d’instabilités telles que par exemple des perforations ou une nébulisation. De plus, la taille de l’espace est conçue pour être suffisamment grande pour que pendant le fonctionnement (en tout point de fonctionnement), les sorties et/ou les pièces éventuellement mobiles axialement du dispositif d'injection laissent suffisamment d'espace pour la formation de la couche fluide sur la plaque d'impact.

La section d'écoulement des canaux est également conçue de manière à ce que la couche liquide stable se forme avec les composants de carburant utilisés, les vitesses d'écoulement pouvant notamment être maintenues relativement faibles (par exemple inférieures à 100 m/s).

Les couches liquides s'écoulent, par exemple, de manière conique sur tout le pourtour, dirigées axialement-radialement vers l'intérieur selon un angle constant α, à la suite de quoi la zone de contact est formée pour chaque couche liquide par un anneau de contact sur tout le pourtour. Les couches liquides peuvent également être formées en jet et/ou avoir plusieurs jets.

Un contact ou une confluence des composants de carburant à un endroit défini est favorisé lorsque les canaux avec les sorties sont conçus et/ou espacés les uns des autres de telle sorte que les composants de carburant, en particulier les couches liquides, n'interagissent au moins pas sensiblement les uns avec les autres avant de toucher la plaque d'impact. En particulier, les zones de contact ne se recouvrent pas.

Un angle α entre les canaux (par rapport aux axes centraux des canaux) et/ou entre les couches liquides et la plaque d’impact est de préférence compris entre 90° et 180°, plus préférablement entre 90° et 145° ou entre 90° et un angle maximal de «180°-β», où β correspond à un angle d'inclinaison entre l'axe longitudinal (et/ou une ligne parallèle à celui-ci) et la plaque d'impact. L'angle α correspond donc essentiellement à un angle enserré entre la ou les couches liquides (dans le sens de l'écoulement) et les composants de carburant sur la plaque d'impact (dans le sens de l'écoulement). Pendant le fonctionnement, le choix de ces angles provoque, après impact des couches liquides sur la plaque d’impact, une impulsion d'écoulement dirigée radialement vers l'extérieur.

Dans un mode de réalisation préféré, la plaque d’impact et/ou les canaux sont/sont disposés coaxialement les uns aux autres et sont à symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal. Ceci apporte avantageusement un degré élevé de symétrie dans les composants de carburant apportés, combiné avec un mélange et une combustion des composants de carburant qui est aussi uniforme que possible et utilise l’espace de combustion sur une large plage de fonctionnement.

Les canaux sont de préférence conçus sous forme de fentes annulaires coaxiales, en particulier coniques, formant au moins un canal radialement intérieur et au moins un canal radialement extérieur, les fentes annulaires étant par exemple orientées radialement vers l’intérieur dans le sens de l’écoulement, ou parallèlement l’une à l’autre ou avec des angles différents. Une orientation dirigée radialement vers l’extérieur de manière à ce que les composants de carburant viennent heurter la plaque d’impact serait aussi possible. Les hauteurs des fentes (distance entre les parois de la fente annulaire) sont de préférence constantes autour de la circonférence. Cet agencement des fentes annulaires permet aux composants de combustible d'être répartis uniformément tout autour sur la plaque d’impact, ainsi qu'un contrôle avantageux des débits de carburant, par exemple en faisant varier les hauteurs des fentes annulaires et/ou la pression à l'intérieur du système d'alimentation en carburant.

Dans un mode de réalisation préféré, la plaque d’impact s'étend, par exemple coniquement, autour de l'axe longitudinal et est inclinée radialement vers l'extérieur dans le sens de l'écoulement, avec un angle d'inclinaison (β) (constant) entre l'axe longitudinal et le profil de surface (par rapport à la composante directionnelle axiale-radiale de la plaque d’impact) entre 0° et 90°, préférablement entre 30° et 75°, par exemple de 45° ou 60°. La surface de la plaque d’impact s'étend d'un bord radialement intérieur à un bord radialement extérieur. Du fait de cette orientation de la plaque d’impact, l'épaisseur de la couche formée par les composants de carburant qui s’écoulent sur la plaque diminue vers l'extérieur, ce qui a un effet positif sur le mélange et/ou l'allumage des composants de carburant. L'angle d'inclinaison β est de préférence conçu de manière à ce que les composants de carburant soient allumés radialement et de préférence également axialement à distance du dispositif d'injection et/ou de la paroi de l’espace de combustion. D'autre part, la composante directionnelle axiale doit être si petite que la longueur de l’espace de combustion peut être conçue pour être aussi courte que possible en faveur d'une conception compacte de la chambre de combustion.

De préférence, la taille axiale-radiale de la plaque d’impact (distance du bord extérieur) et/ou la position des zones de contact sur la plaque d’impact (par un positionnement approprié des canaux et/ou des sorties par rapport à la plaque d’impact) est (sont) conçue(s) de telle sorte que pendant le fonctionnement, un allumage des composants de carburant se produise dans l’espace de combustion après qu'ils se sont écoulés de la plaque d’impact. Après l’écoulement de la plaque d’impact, il se forme une couche fluide libre au sein de laquelle les composants de carburant qui ont été réunis continuent à se mélanger. L'angle de pulvérisation de la couche de fluide, correspondant à l'angle d'inclinaison de la plaque d’impact, est avantageusement constant à chaque point de fonctionnement en raison de la déviation dans la direction axiale-radiale par la plaque d’impact (sans conférer une rotation par des éléments de guidage de fluide). La couche fluide peut devenir instable en raison de la formation de perforations et/ou de nébulisation par exemple, ce qui n’est toutefois pas nécessaire, en particulier lors de l'utilisation d'une combinaison de carburant hypergolique. L'allumage dans la chambre de combustion crée une sorte de dispositif d'injection à mélange « semi-externe », les composants de carburant étant mélangés en partie sur le dispositif d'injection (plus précisément sur la plaque d’impact) et en partie à l'intérieur de l’espace de combustion (ce qui fait notamment qu'il y a pas de déviation en aval de la plaque d'impact, comme c'est le cas, par exemple, avec la conception relativement fermée selon la demande US 3 897 008 A, y voir la déviation 58). La distance entre l'endroit où les composants de carburant confluent, en particulier la deuxième zone de contact externe, et l'endroit d'allumage forme une longueur de mélange définie, qui est par exemple supérieure à la distance entre l'emplacement de la confluence des composants de carburant et le bord extérieur. L'allumage sur la plaque d’impact est également possible.

La conception, notamment le dimensionnement de la plaque d’impact, se fait notamment en tenant compte du temps de retard à l'allumage et/ou du débit du mélange de carburant qui se forme sur la plaque d’impact. En particulier, la taille de la plaque d’impact, en particulier le diamètre extérieur, est conçue par rapport aux parois de la chambre de combustion, en particulier par rapport à un diamètre de l’espace de combustion (qui est par exemple cylindrique), avec le diamètre extérieur de la plaque d’impact (défini par le bord extérieur) étant par exemple compris entre 1/6 et 1/2 d'un diamètre de l’espace de combustion. La distance entre le point d'allumage et le dispositif d'injection et/ou la paroi de l’espace de combustion doit être suffisamment grande pour éviter une charge thermique excessive du dispositif d'injection et/ou de la paroi de la chambre de combustion.

Dans un mode de réalisation, la plaque d’impact peut comporter un matériau catalytiquement actif, notamment en comporter et/ou en être formé et/ou en être enduit et/ou pouvant être chauffé. En relation avec le peroxyde d'hydrogène, le matériau catalytiquement actif peut être, par exemple, du cuivre. De cette manière, l'allumage peut avantageusement être influencé, par exemple amélioré, et/ou le temps de retard d'allumage peut être raccourci.

Dans un mode de réalisation avantageux et relativement facile à fabriquer, le dispositif d'injection comporte ou est formé de trois pièces, par exemple à symétrie de révolution, aptes à guider un fluide, la plaque d’impact étant disposée sur une première pièce disposée centralement (symétriquement) sur l'axe longitudinal. La première pièce est entourée sur tout le pourtour coaxialement, dans une section qui peut être conique en amont de la plaque d'impact, par une deuxième pièce, qui peut être conique (avec le même angle), et la deuxième pièce est entourée sur tout le pourtour coaxialement par une troisième pièce, qui peut être conique (avec le même angle). La fente annulaire intérieure est formée entre la première pièce et la deuxième pièce et la fente annulaire extérieure est formée entre la deuxième pièce et la troisième pièce. Les pièces coniques peuvent également être formées de manière à ce que les canaux aient des inclinaisons axiales-radiales différentes, de sorte que les canaux ne soient pas parallèles les uns aux autres. Notamment pour des raisons de fabrication, il peut également y avoir plusieurs pièces et/ou au moins une des trois pièces fonctionnelles peut être composée de plusieurs pièces. En relation avec ce mode de réalisation, les positions des zones de contact, en particulier des anneaux de contact, restent également au moins sensiblement constantes sur une large plage de fonctionnement.

Une possibilité avantageuse de réduire le débit, en particulier pour le réglage du point de charge, peut être obtenue lorsque les trois pièces sont agencées pour être mobiles les unes par rapport aux autres au moyen d'un mécanisme de réglage existant pour régler une hauteur de fente des fentes annulaires, en particulier par déplacement axial de le première pièce et/ou de la deuxième pièce.

Dans un mode de réalisation particulièrement facile à utiliser, le mécanisme de réglage est conçu pour être autorégulateur, les hauteurs de fente des fentes annulaires étant réglées en utilisant la pression du système comme force motrice, le mécanisme de réglage comprenant notamment un dispositif à ressort conçu de façon adaptée, comprenant si nécessaire également un dispositif d'amortissement. Par exemple, les canaux peuvent être ajustés à la section d'écoulement requise en écartant les pièces entourant les canaux les unes des autres par la pression du système. Ce mouvement peut être contrebalancé par des dispositifs à ressort qui sont réglés via leurs constantes de ressort de manière à ce que la section d'écoulement requise pendant le fonctionnement et donc le débit massique correspondant se règlent pour la pression de système correspondante. Dans un mode de réalisation peu encombrant, les dispositifs à ressort pourraient par exemple être au moins partiellement introduits dans les espaces de distribution au contact des composants de carburant. Un réglage au moyen d'un actionneur est également envisageable.

Des avantages en matière de sécurité et de fonctionnement résultent du fait qu'au moins l'une des fentes annulaires est conçue pour être complètement obturable, le volume d'un espace de distribution (pour alimenter le canal respectif avec le composant de carburant respectif) en communication avec l'au moins un fente annulaire étant conçu pour pouvoir être réduit lorsque la fente annulaire est fermée. Lorsque l'une des fentes annulaires est obturée, il est possible de faire fonctionner le dispositif d'injection en mode monergol (par exemple avec du peroxyde d'hydrogène). La réduction de l'espace de distribution se traduit par un volume mort plus faible, ce qui apporte des avantages en termes de sécurité, notamment en relation avec les carburants hypergoliques.

Des modes de réalisation avantageux du procédé sont décrits en relation avec le dispositif d'injection.

Le procédé peut aussi avantageusement prévoir que les impulsions d'écoulement des composants de carburant soient différentes, l'impulsion d'écoulement de la couche liquide, par exemple celle qui est radialement interne, étant notamment supérieure à l'impulsion d'écoulement de l'autre couche liquide, par exemple celle qui est radialement externe. Il a été démontré que des éclaboussures indéfinies (« splashing ») ou une pulvérisation vers le haut lorsque les deux composants de carburant confluent (« up-wash-formation ») peuvent être minimisées de cette manière, en plus du guidage unilatéral avantageux de les composants de carburant sur la plaque d’impact par rapport à une confluence de deux couches libres. Ce rapport des impulsions d'écoulement peut être obtenu, par exemple, via une vitesse d'écoulement plus élevée et/ou un débit massique plus élevé du composant de carburant radialement interne. Des nombres de Weber appropriés (rapport de la force d'inertie à la force de surface) peuvent être utilisés pour la conception avec chacun des composants de carburant, les nombres de Weber avantageux pouvant d'abord être déterminés expérimentalement et/ou au moyen de calculs de conception numériques, par exemple. Il est également possible que la couche radialement externe ait une impulsion d'écoulement identique ou supérieure, notamment dans le cas d'une combinaison propulsive d'ergols aux propriétés rhéologiques adaptées (densité, viscosité, tension de surface), de manière à ce qu’il n’y ait pas de « splahing » et de « up-wash-formation ».

L'invention est décrite plus en détail ci-dessous à l'aide d'exemples de réalisation en référence aux dessins. Les figures montrent :

Une représentation schématique de parties d'un dispositif d'injection selon l'invention avec des canaux et une plaque d’impact orientée vers l'extérieur en coupe longitudinale

Une représentation schématique de parties d'un autre dispositif d'injection selon l'invention en coupe longitudinale, dans une configuration pour la formation d'une seule couche fluide

La montre des parties d'un dispositif d'injection 10 à conçu à symétrie de rotation et orienté selon un axe longitudinal L dans une représentation divisée en deux en coupe longitudinale. Le dispositif d'injection 10 sert notamment à injecter une combinaison de carburant liquide-liquide dans un espace de combustion 16 d'une chambre de combustion d'un engin spatial, par exemple d’un satellite et/ou d’un lanceur.

Le dispositif d'injection 10 est, du côté entrée de l’espace de combustion 16 qui peut par exemple être cylindrique, disposé à une paroi 18 de la chambre de combustion qui est elle-même par exemple cylindrique ou présente une face avant. La paroi 18 de la chambre de combustion est partiellement indiquée sur la , le mode exact de raccordement au dispositif d'injection n'étant pas représenté. La connexion peut être formée, par exemple, au moyen d'une connexion à bride.

Le dispositif d'injection 10 fait notamment partie d'un système d'injection pour moteurs chimiques utilisant un système bi-composant ou biergol. Le dispositif d'injection 10 est en particulier adapté pour fonctionner avec des carburants hypergoliques (qui s'enflamment spontanément au contact), tels que la monométhylhydrazine (MMH, CH6N2) comme combustible et/ou le peroxyde d’azote (N2O4) comme comburant. Le dispositif d'injection 10 peut également être utilisé de manière particulièrement avantageuse pour des combinaisons de carburants hypergoliques dits "verts" tels que des liquides ioniques et du peroxyde d'hydrogène, formant une combinaison de carburant haute-basse viscosité.

Le dispositif d'injection 10 comprend un premier canal radialement interne 26 (par rapport à l'axe longitudinal L) avec une première sortie 27 disposée à l'extrémité aval pour introduire un premier composant de carburant 36 (ci-après également « composant de carburant interne ») dans l’espace de combustion 16. Le canal intérieur 26 est de préférence un fente annulaire 260 conique sur tout le pourtour conçue à symétrie de rotation et disposée radialement vers l'intérieur dans la direction d'écoulement, dans la direction de l'axe longitudinal L.

Le dispositif d'injection 10 comprend par ailleurs un deuxième canal radialement extérieur 28 avec une deuxième sortie 29 disposée à l'extrémité aval pour introduire un deuxième composant de carburant 38 (ci-après également « composant de carburant externe ») dans l’espace de combustion 16. Le canal externe 28 est de préférence un fente annulaire 280 conique sur tout le pourtour conçue à symétrie de rotation et disposée radialement vers l'intérieur dans la direction d'écoulement, dans la direction de l'axe longitudinal L.

Les fentes annulaires 260, 280 sont disposées coaxialement par rapport à l'axe longitudinal L et sont par exemple parallèles entre elles et présentent chacune une hauteur de fente constante sur tout le pourtour et sur leur longueur.

En outre, le dispositif d'injection 10 présente une plaque d’impact 34 que les composants de carburant 36, 38 viennent heurter en sortant des canaux 26, 28 en aval des sorties respectives 27, 29 pendant le fonctionnement, puis les composants de carburant 36, 38 s'écoulent de la plaque d’impact 34 dans l’espace de combustion 16 et s'y enflamment. La plaque d'impact 34 est, par exemple, avantageusement conique et disposée à symétrie de rotation autour de l'axe longitudinal L, tout en étant inclinée radialement vers l’extérieur dans le sens d'écoulement (s'éloignant radialement de l'axe longitudinal L). La plaque d’impact 34 est disposée coaxialement aux canaux 26, 28.

La plaque d'impact 34 peut comprendre un matériau catalytiquement actif ou être formée à partir de celui-ci ou en être revêtue, par exemple avec/en cuivre lors de l'utilisation de peroxyde d'hydrogène comme composant de carburant, moyennant quoi, en particulier dans le cas d'une combinaison de carburant hypergolique, au moins l’un des composants de carburant 36, 38 est activé à réagir et un allumage 52 peut être accéléré. En plus ou au lieu de cela, la plaque d’impact 34 peut notamment être conçue pour pouvoir être chauffée électriquement, ce qui améliore l'allumage 52 et/ou réduit le temps de retard d'allumage et ainsi l'emplacement de l'allumage 52 peut être influencé (les deux variantes ne sont pas représentées ici) .

La plaque d'impact 34 est conçue avec longueur 32 entre un bord (radialement) intérieur 49 et un bord (radialement) extérieur 50 (définissant l'envergure axiale-radiale), en tenant également compte des positions des zones de contact 44, 46 (emplacement (point(s), ligne(s)) du premier impact de chaque composant de carburant 36, 38 sur la plaque d’impact 34), de telle manière que, pendant le fonctionnement, un allumage, notamment hypergolique, des composants de carburant ait lieu après leur écoulement de la plaque d’impact 34, hors de la plaque d’impact 34, à l'intérieur de l’espace de combustion 16. Un dispositif d'injection 10 à « mélange semi-externe » est ainsi formé.

Un angle d'inclinaison β entre l'axe longitudinal L et l’orientation axiale-radiale de la surface de la plaque d'impact 34 (inclus du côté en direction de l’espace de combustion 16) est constant et est compris entre 0° et 90°, notamment entre 30° et 75°, et est par exemple de 45° ou 60°.

Il y a un espace 30 entre les sorties 27, 29 et la plaque d’impact 34. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la , pendant le fonctionnement, une couche liquide libre 40, ici interne, est formée à l'intérieur de l’espace 30 par le premier composant de carburant 36 et une couche liquide libre 42, ici externe, est formée par le second composant de carburant 38.

Comme le montre la , le canal interne 26 peut (par exemple à un certain point de fonctionnement) également être mené jusqu'à la plaque d'impact 34 et l’espace 30 par rapport au canal interne 49 peut être si faible que le premier composant de carburant 36 radialement interne 36 forme une couche fluide sur la plaque d'impact 34 immédiatement après sa sortie de de la sortie 27 sans former de couche liquide. Dans cette configuration, il ne se forme pendant le fonctionnement qu'une seule couche liquide 42 partiellement libre, qui n'est en appui contre la paroi du canal 50 que sur sa face interne.

Dans le mode de réalisation représenté , la taille de l'espace 30 est suffisamment petite pour que, pendant le fonctionnement, les couches liquides 40, 42 avec les composants de carburant 36, 38 utilisés n'interagissent pas l’une avec l’autre en raison d'instabilités (par exemple nébulisation, perforation). De plus, la taille de l’espace 30 est choisie suffisamment grande par rapport aux deux sorties 27, 29 pour que pendant le fonctionnement, il y ait suffisamment d'espace entre les sorties 27, 29 et la plaque d’impact 34 pour la formation de la couche fluide (cf. également ).

Les canaux 26, 28 et/ou les sorties 27, 29 sont aussi conçus, en particulier en ce qui concerne la hauteur de canal (hauteur de fente) et la longueur, de sorte que pendant le fonctionnement, avec le bon débit massique respectif, les couches liquides 40, 42 forment des couches fluides coniques stables.

Les canaux 26, 28 et/ou les sorties 27, 29 sont conçus et/ou agencés les uns par rapport aux autres de manière à ce que les couches liquides 40, 42 n'interagissent au moins pas sensiblement entre elles à l'intérieur de l’espace 30. Les couches liquides 40, 42 peuvent par exemple s’écouler parallèlement l’une à l’autre ou la couche liquide radialement externe 42 peut être orientée plus obliquement (avec un angle α plus grand) que la couche liquide radialement interne 40 pour réduire l'impulsion d'impact au niveau de la zone de contact. De cette manière, les composants de carburant 36, 38 viennent heurter la plaque d'impact 34 au niveau de zones de contact 44, 46 différentes et ne se recoupent pas, formant ici chacun un anneau de contact.

Pour la conception, des essais préliminaires (expérimentaux) ou des simulations numériques assistées par ordinateur avec les combustibles pertinents et/ou dans la plage de fonctionnement pertinente peuvent être réalisés.

De telles couches liquides 40, 42 peuvent se former en particulier à des vitesses d'écoulement relativement faibles (par exemple inférieures à 100 m/s), grâce à quoi la perte de pression à travers le dispositif d'injection 10 peut avantageusement être maintenue relativement faible.

De plus, les canaux 26, 28 et/ou les sorties 27, 29 sont conçus de telle manière qu'un angle α entre les canaux (par rapport aux axes centraux des canaux) et/ou entre les couches liquides 40, 42 formées pendant le fonctionnement et la plaque d’impact 34 (où l'angle α est adjacent à l'angle d'inclinaison β) soit compris entre 90° et 180°, notamment entre 90° et 145°, ou entre 90° et un angle maximal de "180° - β" . En particulier, les canaux 26, 28 sont orientés également à un angle α par rapport à la plaque d'impact 34. Le choix de ces angles provoque, pendant le fonctionnement, une impulsion d'écoulement radialement vers l'extérieur après que les couches liquides 40, 42 ont frappé la plaque d’impact 34.

Dans un mode de réalisation préférée, le dispositif d'injection 10 comporte trois pièces fonctionnelles pour le guidage du fluide, notamment des pièces à symétrie de révolution, une première pièce 20, une deuxième pièce 22 et une troisième pièce 24. Les pièces peuvent être fabriquées par décolletage par exemple. Notamment pour des raisons de fabrication, il peut également y avoir plus de pièces et/ou au moins une des trois pièces fonctionnelles peut être composée de plusieurs pièces.

La première pièce 20, qui comprend la plaque d’impact 34, est disposée centralement et à symétrie de révolution, l'axe longitudinal L formant l'axe central ou axe de rotation. Au niveau axial des canaux 26, 28, la première pièce 20 comprend une section conique 200 dont la paroi interne s'étend parallèlement au canal interne 26.

Dans le mode de réalisation représenté , un tronçon cylindrique 210 jouxte le tronçon conique 200 (axialement en direction de l’espace de combustion 16) qui est disposé dans la zone axiale de l’espace 30 .

Une autre section conique 220 sur laquelle la plaque d’impact 34 est formée jouxte la section cylindrique 210 (axialement en direction de l’espace de combustion 16). La section conique 220 ou la plaque d’impact 34 s'étend du bord intérieur 49 au bord extérieur 50 de la plaque d’impact 34.

Dans le mode de réalisation représenté sur la , la section conique 200 est directement jouxtée par la section conique 220 ou par la plaque d’impact 34.

Une section cylindrique 230 par lequel la première pièce 20 se termine axialement par son côté en saillie dans l’espace 16 de combustion jouxte le tronçon conique 220.

La deuxième pièce 22 et la troisième pièce 24 comprennent chacune par exemple des parois coniques parallèles entre elles, la deuxième pièce 22 étant disposée tout autour de la section conique 220 et la troisième pièce 24 étant disposée tout autour de la deuxième pièce 22 .

Le canal intérieur 26 , ici la fente annulaire intérieure 260 , est formée entre la section conique 200 de la première pièce 20 et la deuxième pièce 22 . Le canal externe 28 , ici la fente annulaire externe 280, est formée entre la deuxième pièce 22 et la troisième pièce 24 .

De préférence, deux des trois pièces 20, 22, 24, par exemple la première pièce 20 et/ou la deuxième pièce 22, sont disposées des manière mobile axialement l’une par rapport à l’autre ou par rapport à une pièce fixe au moyen d'un mécanisme de réglage existant (non représenté ici).

Le mécanisme de réglage peut être conçu pour être autorégulateur, les hauteurs de fente des fentes annulaires 260, 280 étant ajustées pendant le fonctionnement au moyen de la pression du système à l'intérieur du dispositif d'injection 10 en tant que force motrice. A cet effet, le réglage peut par exemple inclure un dispositif à ressort conçu de manière appropriée (non illustré ici).

Dans ce contexte, les chambres de distribution respectives des composants combustibles 36, 38 (non représentées ici) peuvent être couplées au mécanisme de réglage, le volume dans chaque chambre de distribution étant réduit par rapport à la situation avec les canaux 26, 28 ouverts lorsque le dispositif d'injection 10 est fermé (réduction des sections de passage à zéro). Ainsi, lorsque le dispositif d'injection 10 est fermé, un volume résiduel de composants de carburant 36, 38 restant dans le dispositif d'injection 10 peut être réduit au minimum. Cela apporte des avantages significatifs en matière de sécurité, en particulier lors de l'utilisation d'une combinaison de carburants hypergoliques. D'autre part, lorsque le dispositif d'injection est ouvert, le volume dans chaque chambre de distribution respective peut être augmenté, à la suite de quoi les vitesses d'écoulement sont réduites et les pertes de charge restent limitées.

Pendant le fonctionnement, les deux composants de carburant 36, 38 sont introduits dans chacun dans l'un des canaux 26, 28 à partir de chambres de distribution séparées (non représentées ici) depuis un côté d'entrée 12, qui n'est pas représenté en détail ici.

Dans un mode de réalisation préféré, le composant de carburant qui, lorsqu'il s'écoule de la plaque d'impact 34 après l'avoir heurtée, a une impulsion d'écoulement plus élevée que l'autre composant de carburant, par exemple en raison d'un débit massique plus élevé, forme le composant de carburant interne 36, le composant de carburant interne 36 ayant de préférence une vitesse d'écoulement supérieure à celle du composant de carburant externe 38. De cette manière, des éclaboussures indéfinies (« splashing ») ou une pulvérisation vers le haut lorsque les deux composants de carburant se rencontrent (« up-wash-formation ») peuvent être évitées lors de l'impact. Une conception avec une impulsion d'écoulement au moins sensiblement identique des deux composants de carburant, tel que par exemple dans les injecteurs Pintle classiques, n'est pas nécessaire dans le cas présent. Au lieu de cela, dans le présent dispositif d'injection 10 selon l'invention, différentes impulsions d'écoulement peuvent être avantageuses pour un bon mélange du carburant. Des nombres de Weber appropriés (rapport de la force d'inertie à la force de surface) peuvent être utilisés pour la conception avec chacun des composants de combustible, les nombres de Weber avantageux pouvant par exemple d'abord être déterminés expérimentalement et/ou au moyen de calculs de conception numériques.

Le composant de carburant interne 36 s'écoule sans rotation à travers la fente annulaire interne 260 vers la sortie 27. Le composant de carburant interne 36 s'écoule de la fente annulaire interne 260 sans rotation en formant la couche liquide interne 40 stable dans l’espace 30.

Le composant de carburant 36 frappe la plaque d'impact 34 près du bord interne 49 (en particulier dans le tiers interne de la plaque d'impact 34) pour former la zone de contact interne 44. En raison de la forme conique circonférentielle de la couche liquide 40, la zone de contact interne 44 est de forme annulaire sur tout le pourtour. Le composant de carburant 36 est dévié pour s'écouler en direction radiale vers l'extérieur le long de la plaque d’impact 34. Une couche fluide se forme alors sur la plaque d’impact 34, dont l'épaisseur diminue à mesure que la distance à l'axe longitudinal L augmente.

Le composant de carburant externe 38 s'écoule sans rotation à travers la fente annulaire externe 280 jusqu'à la sortie 29. Le composant de carburant externe 38 s'écoule de la fente annulaire externe 280 sans rotation en formant la couche liquide externe 42 stable dans l’espace 30. Le composant de carburant 38 frappe plus vers l'extérieur que le composant carburant 36 (plus loin de l'axe longitudinal L) pour former la zone de contact externe 46 sur la plaque d'impact 34 et (en présence du composant de carburant 36) sur la couche fluide formée par le composant de carburant 36, que l’on nomme "point d'impact". En raison de la forme conique de la couche liquide 42, la zone de contact externe 46 est de forme annulaire. Le composant de carburant 38 est dévié pour s'écouler radialement vers l'extérieur le long de la plaque d’impact 34 .

Les deux composants de carburant 36, 38 forment ainsi une couche fluide commune, de même sens d'écoulement, sur la plaque d’impact 34, le composant de carburant interne 36 formant d’abord la couche inférieure et le composant de carburant externe 38 formant la couche supérieure. Pendant le processus d'écoulement sur la plaque d'impact 34, un processus de mélange se produit entre les deux composants de carburant 36, 38, qui est dominé par des turbulences dans la couche liquide et par des effets diffus.

Après que les deux composants de carburant 36, 38 ont formé une couche fluide commune sur la plaque d’impact 34, ils s'en écoulent. Le mélange fluide forme alors une couche fluide libre, qui peut également devenir instable suite à des perforations et/ou à une nébulisation des composants du de carburant. L'angle d’éjection de la couche fluide (correspondant à l'angle d'inclinaison β) est avantageusement constant en tout point de fonctionnement du fait de la déviation dans la direction axiale-radiale (sans conférer de rotation) par la plaque d’impact 34 .

Le mécanisme d’obturation pour le réglage des débits massiques, en particulier en ce qui concerne différents points de fonctionnement, est réalisé au moyen du mécanisme de réglage avec un mouvement axial, plus précisément une translation, par exemple de la première pièce 20 et/ou de la deuxième pièce 22 par rapport à la troisième pièce 24 et/ou l'une par rapport à l'autre. La forme conique de la géométrie d'écoulement (canaux 26, 28) modifie la hauteur de la fente annulaire 260 et/ou de la fente annulaire 280 et donc les sections d'écoulement du canal 26 et/ou du canal 28. Une fermeture complète du canal 26 et/ou du canal 28, par exemple par analogie avec une vanne à pointeau ou un raccord Swagelok^®, est ainsi possible.

Les débits massiques des composants de carburant 36, 38 peuvent être réduits indépendamment l'un de l'autre. De cette manière, le rapport du combustible au comburant peut être ajusté individuellement pendant le fonctionnement sans modifier de manière significative l’étendue de la pulvérisation dans l’espace de combustion 16. Si un seul des canaux 26, 28 est complètement fermé, l'autre composant de carburant 38, 36 peut être utilisé comme de carburant monergol (par exemple le peroxyde d'hydrogène), un seul composant de carburant réagissant chimiquement (en particulier étant dégradé) avec libération d'énergie.

Par exemple, pour réduire au moins un débit massique à partir d'un point de fonctionnement défini, la première pièce 20 et/ou la deuxième pièce 22 sont déplacées de manière à ce que le ou les sections d’écoulement diminuent. Au moyen d'un réglage supplémentaire de la pression côté entrée 12, en particulier dans un système d'alimentation en carburant pour fournir les composants de carburant 36, 38 dans les canaux 26, 28, le débit massique peut être ajusté de telle manière que les couches liquides 40, 42 n'entrent pas en contact l’une avec l’autre. De cette manière, la réduction du débit massique est avantageusement possible dans une plage de pression relativement basse à l'intérieur du système d'alimentation en carburant.

En résumé, le dispositif d'injection 10 selon l'invention permet un fonctionnement stable et défini de la chambre de combustion sur une large plage de fonctionnement.

Claims (15)

1. Dispositif d'injection (10) pour injecter une combinaison de carburant liquide-liquide, notamment hypergolique, dans un espace de combustion (16) d'une chambre de combustion d'un engin spatial, le dispositif d'injection (10) comprenant
   - une plaque d’impact (34) que des composants de carburant (36, 38) viennent heurter pendant le fonctionnement, et
   - au moins un premier canal (26) avec une première sortie (27) agencée à son extrémité aval et au moins un second canal (28) avec une seconde sortie (29) agencée à son extrémité aval pour conduire chacun des composants de carburant (36, 38) et amener les composants de carburant (36, 38) à frapper la plaque d'impact (34),
   les canaux (26, 28) étant par exemple coniques par rapport à un axe longitudinal (L) du dispositif d'injection (10),
   les canaux (26, 28) et les sorties (27, 29) étant agencés les uns par rapport aux autres de telle sorte les composants de carburant (36, 38) viennent heurter la plaque d’impact (34) au niveau de zones de contact localisées à des endroits différents les uns des autres (44, 46),
   la zone de contact ou les zones de contact d’un des composants de carburant (36, 38) étant notamment positionnées radialement plus à l'extérieur, plus loin de l'axe longitudinal (L) du dispositif d'injection (10).
2. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 1, caractérisé par un espace (30) formé entre au moins l'une des sorties (27, 29) et la plaque d’impact (34), à l'intérieur duquel, pendant le fonctionnement, au moins le composant de carburant (36, 38) s'écoulant de l'un des canaux (26, 28), par exemple du canal externe (28), forme une couche liquide libre ou partiellement libre (40, 42).
3. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les canaux (26, 28) et les sorties (27, 29) sont conçus et/ou espacés les uns des autres de telle sorte que les composants de carburant (36, 38), en particulier les couches liquides (40, 42), n’interagissent au moins pas substantiellement les uns avec les autres avant de frapper la plaque d’impact (34).
4. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par un angle (α) entre les canaux (26, 28) et/ou entre les couches liquides (40, 42) et la plaque d’impact (34) compris entre 90° et 180°, en particulier entre 90° et 145° ou en particulier entre 90° et un angle maximal de 180° - β, où β correspond à un angle d'inclinaison entre l'axe longitudinal (L) et/ou une ligne parallèle à celui-ci et la plaque d’impact (34).
5. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d’impact (34) et/ou les canaux (26, 28) sont disposés coaxialement l'un par rapport à l'autre et sont à symétrie de rotation autour de l'axe longitudinal (L).
6. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (26, 28) sont réalisés sous la forme de fentes annulaires coaxiales, par exemple coniques (260, 280), formant au moins un canal radialement intérieur (26) et au moins un canal radialement extérieur (28).
7. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d’impact (34) s'étend, par exemple de manière conique, autour de l'axe longitudinal (L) et est inclinée radialement vers l'extérieur dans le sens de l'écoulement, avec un angle d'inclinaison (β) entre l'axe longitudinal (L) et la surface axiale-radiale compris entre 0° et 90°, notamment entre 30° et 75° et égal par exemple à 45° ou 60°.
8. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la taille axiale-radiale de la plaque d'impact (34) et/ou la position des zones de contact (44, 46) sur la plaque d'impact (34) est conçue de telle sorte que, pendant le fonctionnement, l’allumage des composants de carburant (36, 38) a lieu après qu'ils se sont écoulés de la plaque d’impact (34), à l'intérieur de l’espace de combustion (16).
9. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d’impact (34) présente un matériau catalytiquement actif, en particulier le contient et/ou en est formée et/ou en est revêtue et/ou est conçue pour pouvoir être chauffée.
10. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (10) comporte trois pièces, en particulier à symétrie de rotation, ou est formé à partir de celles-ci, la plaque d’impact (34) étant agencée sur une première pièce (20) disposée au centre de l'axe longitudinal (L), la première pièce (20) étant agencée dans une section, qui peut être conique et se situant en amont de la plaque d’impact (34), d’une deuxième pièce (22), qui peut être de forme conique, la deuxième pièce (22) étant entourée de manière coaxiale d’une troisième pièce (24), qui peut être conique, la fente annulaire intérieure (260) étant formée entre la première pièce (20) et la deuxième pièce (22) et la fente annulaire extérieure (280) étant formée entre la deuxième pièce (22) et la troisième pièce (24).
11. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que les trois pièces (20, 22, 24) sont agencées de manière mobile les unes par rapport aux autres au moyen d'un mécanisme de réglage pour régler une hauteur de fente des fentes annulaires (260, 280), en particulier avec une mobilité axiale de la première pièce (20) et/ou de la deuxième pièce (22).
12. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que le mécanisme de réglage est conçu pour être autorégulateur, les hauteurs de fente des fentes annulaires (260, 280) étant ajustées au moyen de la pression du système en tant que force motrice, le mécanisme de réglage comprenant en particulier un dispositif à ressort conçu de manière adaptée.
13. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins l'une des fentes annulaires (260, 280) est conçue pour être complètement obturable, le volume d'un espace de distribution qui est en liaison fluidique avec l’au moins une fente annulaire (260, 280) étant notamment conçu pour être réduit lorsqu'elle est obturée.
14. Procédé d'injection d'une combinaison de carburant liquide-liquide, notamment hypergolique, dans un espace de combustion (16) d'une chambre de combustion d'un engin spatial, notamment au moyen d'un dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel
    - un premier composant de carburant (36) circule dans au moins un premier canal (26) et par une première sortie (27) disposée à l'extrémité aval du premier canal (26), un deuxième composant de carburant (38) circule dans au moins un deuxième canal (28) et par ne deuxième sortie (29) disposée à l'extrémité aval du deuxième canal (28) et
    - en aval des sorties (27, 29), les composants de carburant (36, 38) viennent frapper une plaque d’impact (34),
    les composants de carburant (36, 38) sont amenés à frapper la plaque d'impact (34) au niveau de zones de contact (44, 46) qui sont localisées à des endroits différents les uns des autres, la zone de contact ou les zones de contact d’un des composants de carburant (36, 38) étant notamment positionnée radialement plus à l'extérieur, plus loin de l'axe longitudinal (L) du dispositif d'injection (10).
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les impulsions d'écoulement des composants de carburant sont différentes, l'impulsion d'écoulement du composant de carburant (36), notamment celui qui est radialement intérieur, étant supérieure à l'impulsion d'écoulement de l'autre composant de carburant (38), notamment celui qui est radialement extérieur.