Brevet FR2004463A1 — publié le 19691121

i 2004463 l'invention concerne un procédé et un dispositif d'allumage uniforme des surfaces latérales intérieure et extérieure d'un bloc tubulaire de propergol, dénommé ci-après charge, dans lesquels les gaz d'allumage d'au moins une charge pri-5 maire amorcée par un inf lamtnateur mettent feu auxdites surfaces en les longeant en direction de la sortie de la chambre de canbustiono Il est classique d'utiliser dans les moteurs-fusées à propergols solides des charges de forme tubulaire que l'on allume à partir d'une ou de plusieurs charges primaires placées 10 dans la tête de la chambre de combustion et amorcées par des inflammateurs. l'allumage des blocs, ou charges, de propergol cause certaines difficultés, particulièrement graves dans les moteurs-fusées de petites dimensions ou devant fonctionner en présence de températures ambiantes basses, les charges tubu-15 laires posent des problèmes particuliers, du fait que leur surface latérale extérieure n'est abordée par les ggz d'allumage de la charge primaire que dans une mesure insuffisante et, en outre, avec un certain retard par rapport à leur surface intérieure. la fente entre ladite surface extérieure et la paroi 20 de la chambre de combustion est en effet maintenue étroite au profit du volume maximal de la charge et, par conséquent, oppose à l'écoulement une résistance beaucoup plus forte que le canal intérieur de cette même charge : il en résulte que les gaz d'allumage produits par la charge primaire se dirigent vers 25 la sortie de la chambre de combustion en majeure partie par l'intérieur de la charge, suivant le trajet de moindre résistance . Il faut ajouter que les gaz d'allumage s'écoulant, en quantité plus faible, par'l'étroite fente annulaire extérieure se refroidissent très rapidement par suite de la forte quantité 30 de chaleur qu'ils cèdent à la paroi froide, et de grande surface , de la chambre de combustion et acquièrent ainsi une plus forte densité. Il en résulte à tout le rioins un grand retard d'allumage , un mauvais rendement de combustion et une moindre impulsion spécifique . Hais il arrive souvent aussi que la 35 température d'inflammation nécessaire à l'amorçage de la combustion ne -puisse même pas être obtenue sur la surface latérale de la charge tubulaire. Il peut s'ensuivre une chute de la pression au-dessous de la valeur critique pour le fonctionnement de la chambre de combustion, cl' ou a breve echeance 4-0 l'extinction de toute la charge. Aussi, en particulier dans 69 08456 2 2004463 les cas des moteurs-fusées à propergol solide qui présentent de faibles dimensions ou doivent fonctionner dans les conditions précitées de "basses températures ambiantes, renonce-t—on souvent aux charges tubulaires, bien que celles-ci offrent, à ^ l'égard de la combustion, certains avantages techniques et, contrairement aux charges frontales ou intérieures massives, ne nécessitent pas d'isolation extérieure, occasionnant, comme on le sait, certains dangers et un coût élevé» l'invention a pour objet un procédé et un dispositif ^0 qui, en vue d'éviter les difficultés rencontrées jusqu'à présent dans l'utilisation des charges tubulaires, assurent un parfait allumage de ces dernières, non seulement sur leur surface intérieure mais aussi sur leur surface latérale extérieure» Le procédé en question est caractérisé par le fait que l'on étrangle le trajet direct du courant partiel intérieur de gaz, dirigé de l'espace intérieur de la charge vers la sortie de la chambre de combustion, afin d'augmenter le débit du courant partiel extérieur, passant entre la surface latérale extérieure de ladite charge et la paroi de la chambre de combus-20 tion» Une partie des gaz d'allumage qui, sans cet étranglement, gagnerait directement la sortie de la chambre de combustion par l'intérieur de la charge est ainsi obligée de contourner cette dernière et de contribuer à en enflammer aussi la surface latérale extérieure. Il en est de même pour une partie des gaz 25 propulsifs produits ensuite par la combustion intérieure de la charge tubulaire» En cas de charges d'une très brève durée de combustion - quelques millièmes ou centièmes de seconde par exemple .-on maintient l'étranglement pendant toute cette faible durée ; 50 en cas de durée au contraire relativement longue - plusieurs secondes ou minutes par exemple - on ne laisse agir l'étranglement que pendant la phase d'allumage, c'est-à-dire la combustion de la charge primaire, et la phase initiale de la com-la bustion de/charge tubulaire. 25 Dans le second cas, l'étranglement du courant partiel intérieur de gaz peut ne s'exercer que pendant une durée fixée à l'avance et suffisante à coup sûr pour que la surface latérale extérieure de la charge soit, elle aussi, allumée ,puis maintenue en combustion, cela par le courant partiel extérieur de gaz« 4.0 Cette durée dépend en particulier du genre et des dimensions de 08456 3 2004463 la chambre de combustion ainsi que des données d'ambiance telles que température et pression. Il est, dans ces conditions, tout inaiqué d'agir sur le courant partiel intérieur de gaz au moyen d'un organe d'étranglement constitué par une matière combustible 5 ou par une matière fusible telle que plastique et mettant à brûler ou à fondre un temps qui corresponde au délai d'allumage de la surface latérale extérieure de la charge tubulaire. Cela permet aussi de supprimer l'effet d'étranglement progressivement pendant la combustion de la charge primaire et de la charge tu-10 bulaire si l'on réalise ledit organe à partir d'une matière dont la vitesse de combustion soit égale ou supérieure à celle du propergolo II est également possible de maintenir l'étranglement constant pendant toute la durée de combustion de la charge en réalisant en acier ou autre matériau incombustible ledit organe, 15 tel par exemple qu'un anneau d'étranglement percé de fenêtres, jointif par rapport à la face frontale de sortie de la charge et d'un diamètre moyen, c'est-à-dire à mi-épaisseur, correspondant à celui de ladite charge. On peut aussi commander l'étranglement du courant in-20 térieur de gaz en fonction de la température du courant extérieur, par exemple de manière soit à atténuer progressivement ledit étranglement, soit à le supprimer complètement lorsque la température atteinte fait que la combustion de la surface latérale extérieure de la charge se poursuivra sans aucun doute. ^5 En vue du second de ces deux modes de commande, on peut constituer l'anneau d'étranglement par une matière combustible,comme déjà mentionné, le recouvrir sur toute sa surface d'une couche isolante non combustible afin que le courant intérieur de gaz ne l'enflamme pas et placer dans le courant extérieur, vers la 30 sortie de la fente annulaire, une ou plusieurs sondes de température inflammables reliées à la matière combustible de l'anneau par un fil d'allumage isolé extérieurement, ces sondes s'enflammant d'elles-mêmes lorsque la température du courant extérieur atteint une valeur telle que la surface latérale correspondante 35 de la charge s'allume à coup sûr et enflammant à leur tour, à travers le fil d'allumage, la matière de l'anneau d'étranglement, en sorte qu'il se détruise. Le dispositif conforme à l'invention se simplifie si la charge tubulaire forme elle-même à l'extrémité de sortie de 40 son espace intérieur un rétrécissement ou une fermeture tels BAD ORIGINAL 69 08456 4 2004463 qu'ils subsistent au moins pendant la phase d'allumage ou la phase initiale de combustion et ne disparaissent que progressivement o Etant donné que, par coulée ou par tout autre mode de 5 réalisation, on peut sans difficulté donner n'importe quelle forme aux blocs de propergol, cette extension de l'invention permet aux spécialistes d'agencer en fonction de chaque cas d'utilisation prévu l'extrémité de sortie de la charge, c'est-à-dire son extrémité avant, voisine de la sortie de la chambre O de combustion, en sorte que des conditions optimales de température et pression d'allumage s'établissent aussi sur le pourtour extérieur de la charge, quelles que soient les conditions ambiantes. Dans la solution par rétrécissement, l'extrémité de -j_5 sortie rétrécie de l'espace intérieur, par ailleurs cylindrique, de la charge peut avantageusement être réalisée à la manière d'une charge perforée en forme d'étoile. Il en résulte en effet que, les charges profilées intérieurement en étoile se consumant plus vite, par suite de leur plus grande surface 20 de combustion, que les charges tubulaires lisses, les deux parties intérieures de la charge, l'une, la plus longue, de section circulaire, l'autre, celle de sortie, de section en étoile, brûlent finalement à peu près aussi rapidement l'une que l'autre en direction radiale : en dépit du rétrécissement 25 initial de l'extrémité de sortie, on est donc assuré d'une combustion complète et simultanée de la charge sur toute sa longueur» Un autre mode d'obtention de la combustion radiale simultanée des deux parties précitées consiste à insérer dans ^0 l'extrémité de sortie de l'espace intérieur de la charge un bloc spécial de propergol rétrécissant ladite extrémité et constitué par une matière chimique brûlant plus rapidement que celle de la charge proprement dite. L'invention offre l'avantage essentiel d'étendre con-25 sidérablement le champ d'application des charges tubulaires, à surface de combustion maximale, en assurant à la fois un dé- ; roulement et un rendement favorables de cette combustiono Les charges tubulaires présentent, elles-mêmes, la caractéristique très intéressante de ne pas nécessiter une forte vitesse de com-40 bustion et de pouvoir être constituées par une poudre relati- BAD original 69 08456 5 2004463 veinent peu coûteuse et peu sensible : leur mise au point ne s'accompagne donc pas de grands risqueso L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme 5 exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel ï la fig. 1 est une coupe longitudinale d'une chambre de combustion dont le bloc de propergol est surmonté d'un organe' d'étranglement sur son extrémité de sortie centrale ; 10 la fig. 2 représente un détail de la figure 1, mais avec un organe d'étranglement de structure différente muni d'un dispositif d'allumage ; la fig. 3 est une coupe longitudinale d'une chambre de combustion équipée d'un bloc de propergol à extrémité de sortie 15 centrale rétrécie ; la fig. 4 est une coupe longitudinale d'un bloc de propergol à extrémité de sortie centrale rétrécie d'une manière différente ; la fig» 5 est une coupe lon0itudinale d'un bloc de 20 propergol à extrémité de sortie centrale fermée. La fig. 1 représente une chambre de combustion 1 dans laquelle une charge tubulaire 2 est maintenue centrée par un , c° dispositif approprié 3» Une charge primaire 4 est disposée/axia-lement sur la face intérieure de la paroi frontale avant de la 25 chambre de combustion. L'extrémité opposée de cette même chambre comporte, vissé dans sa paroi la, un corps 6 renfermant un in-flammateur 5 et portant en même temps un anneau d'étranglement 7 fixé par enfoncement d'une partie en forme de moyeu 8 dans son extrémité intérieure 6a . L'anneau d'étranglement 7, percé de 30 fenêtres 9 sur son pourtour et présentant un diamètre moyen d exactement ou approximativement égal au diamètre moyen 3) de la charge tubulaire 2, joint par sa face frontale avec cette dernière. La face frontale correspondante de la charge peut le cas échéant être isolée afin de ne pas brûler, ce qui fausserait 35 l'effet d'étranglement exercé par l'anneau 7. L'extrémité intérieure 6a du corps 6 de 1"inflammateur comporte une espèce de tamis 10 formé par une collerette percée de nombreux trous 10a et livrant passage aux gaz propulsifs vers une chambre annulaire 11 donnant sur la sortie 12 de la chambre de combustion,, 40 Le jet de 1'inflammateur 5 jaillit à travers 1'intérieur 69 08456 e 2004463 I de la charge 2 en mettant fin à la charge primaire 4» les gaz d'allumage de cette dernière se partagent en un courant intérieur Zi et un courant extérieur Ze» les courants de gaz d'allumage Zi et Ze enflamment res-5 pectivement la surface intérieure 15 et la surface latérale extérieure 16 de la charge 2. L'anneau d'étranglement 7 a pour effet d'obliger à passer par la fente annulaire 14 entre la surface extérieure 16 de la charge 2 et la face intérieure 13 de la paroi la de la chambre de combustion une part relativement 10 forte des gaz d'allumage qui, sans lui, gagnerait, elle aussi, ditectement la sortie 12 de la chambre de combustion par le trajet de moindre résistance offert par l'espace intérieur Io Après que les gaz d'allumage aient mis feu à la surface intérieure 15, et éventuellement aussi à la surface latérale exté-15 rieure 16, de la charge 2, l'anneau d'étranglement 7 oblige en outre une part U des gaz propulsifs produits par la combustion de la surface intérieure 15 à passer, en même temps que les gaz éventuellement déjà produits par la combustion de la surface extérieure 16, à travers la fente annulaire 14 sous la forme 20 d'un courant partiel Ge, et à contribuer ainsi à allumer cette même surface 16 ou à la maintenir en combustion par élévation de la température. Le courant partiel sortant réellement de l'espace intérieur I par les fenêtres 9 est désigné par Gi» On a traité, dans le préambule, la question du choix 25 de la matière constitutive de l'anneau d'étranglement 7 et des différents modes de fonctionnement ainsi possibles,, Dans la réalisation conforme à la fig» 2, l'anneau d'étranglement 17 est en matière combustible» Il est revêtu sur toute sa surface d'une couche isolante incombustible 18, en 30 sorte que le courant partiel intérieur Gi ne peut pas l'enflammer» Un fil d'allumage 19 isolé par une couche inhibitrice incombustible est en prise dans la masse combustible de l'anneau d'étranglement 17 et s'étend de là jusque dans la fente annulaire 14, où. il porte à son extrémité libre une sonde de tem-35 pérature 20 inflammable» Lorsque le courant partiel extérieur Ge atteint une température assurant l'allumage, la mise et le maintien en combustion de la surface latérale extérieure 16 de la charge 2, la sonde de température 20 s'enflamme et allume par l'intermédiaire du fil 19 la masse combustible de l'anneau 40 d'étranglement 17, ainsi éliminé après avoir rempli sa tSche. 69 08456 2004463 S'il faut s'efforcer ainsi d'obtenir rapidement l'écoulement direct, vers la sortie de la chambre de combustion, de tous les gaz propulsifs produits par la combustion de la surface intérieure 15 une fois qus l'on est assuré également 5 de l'allumage et du maintien en combustion de la surface extérieure 16, c'est afin d'éviter d'inutiles pertes de courant dans la fente annulaire 14» Le tarnis 10 sert à retenir les fragments éventuellement détachés de la charge 2 jusqu'à leur combustion complète, 10 afin de ne pas risquer de détériorer un récepteur de gaz placé en aval, tel qu'une turbine à organes mécaniques délicats. Il est en outre destiné à abaisser par prélèvement de chaleur la température très élevée des gaz propulsifs à une valeur de régime admissible pour la turbine» Son action de refroidissement 15 -provoque aussi la précipitation de la suie et des autres impuretés sur lui-même. Dans l'exemple de la fig. 3, on a conservé pour les parties non modifiées par rapport aux fig. 1 et 2 les mêmes références numériques que sur ces dernières. Mais il est à no-20 ter que la charge 2 forme, dans sa masse même, un rétrécissement 21 à son extrémité de sortie» A la différence de la surface intérieure cylindrique 15 de cette charge, la surface intérieure 22 audit rétrécissement 21 est profilée en étoile. Sur la fig. 4, le rétrécissement 31 est le fait d'un 25 corps distinct inséré dans la charge proprement dite et constitué par une masse de propergol à combustion plus rapide que celle de ladite charge. Dans le cas de la fig. 5, l'extrémité de sortie de la charge 2, en son état initial, est rétrécie progressivement 30 jusqu'à fermeture complète. Cette partie étant fortement concave vers l'intérieur, sa zone centrale, de moindre épaisseur brûle, en premier lieu et rapidement, de part en part pendant la phase initiale de la combustion, avant que"la pleine pression ne puisse s'établir dans l'espace intérieur I et détruire 35 par éclatement la charge 2 vers son extrémité de sortie» Le rétrécissement 21 ou 31 oblige, comme l'anneau d'étranglement 7 sur les fig» 1 et 2, une relativement forte part des gaz d'allumage et une certaine part U des gaz propulsifs à parcourir la fente annulaire 14, d'où les mêmes consé-4^ quences f-.vor^bles que âan.s le cas desdites fig. 1 et 2. La ORDINAL 69 08456 8 2004463 forme paraboloïdale du rétrécissement 21 ou 31 donne un meilleur "engagement" du jet de 1'inflammateur 5» Dans la réalisation conforme à la figure 5» tous les gaz d'allumage et, de même, tous les gaz propulsifs provenant 5 du volume intérieur I sont obligés de parcourir la fente annulaire 14 , et de longer la surface latérale extérieure 16 de la charge 2 pendant la phase d'allumage et éventuellement aussi la phase initiale de la combustion» L'extrémité de sortie de la charge 2 étant initialement fermée en 41, 1'inflammateur 5 10 doit bien entendu être placé, de manière connue, du même côté de ladite charge que la charge primaire 4» BAD OR*GiNAL 69 03456 9 2004463 REYEBDICAIIOIS 1. Procédé d'allumage uniforme des surfaces latérales intérieure et extérieure d'un bloc tubulaire de propergol, dénommé ci-après charge, dans lequel les gaz d'allumage d'au moins 5 une charge primaire amorcée-par un inflammateur mettent feu aux-dites surfaces en les longeant en direction de la sortie de la chambre de combustion, procédé caractérisé par le fait que l'on étrangle le trajet direct du courant partiel intérieur de gaz, dirigé de l'espace intérieur de la charge vers la sortie de la 10 chambre de combustion, afin d'augmenter le débit du courant partiel extérieur, passant entre la surface latérale extérieure de ladite charge et la paroi de la chambre de combustion<> 2» Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'en cas de relativement longue durée de combustion 15 -de la charge, on ne maintient l'étranglement du courant partiel intérieur de gaz que pendant la phase d'allumage et la phase initiale de la combustion de ladite charge. 3» Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'on ne maintient l'étranglement du cou-20 rant partiel intérieur de gaz que pendant une durée fixée à l'avance et correspondant à la durée d'Inflammation - sorte de retard d'allumage accru - à laquelle il faut s'attendre pour la surface latérale extérieure de la charge dans les conditions de fonctionnement données» 25 4. Procédé selon les revendications 1 à 3 caracté risé par le fait que l'on détruit progressivement l'étranglement du courant partiel intérieur de gaz» 5. Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'on commande en fonction de la températu- 30 re du courant partiel extérieur de gaz 1'.étranglement du courant partiel intérieur. 6. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 5 caractérisé par le fait qu'il comporte un anneau d'étranglement percé de fenêtres d'écoulement et join- 35 tif par rapport à la face frontale de sortie de la charge. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que le diamètre moyen, c'est-à-dire à rai-épaisseur, de l'anneau d'étranglement correspond approximativement à celui de la charge. 40 8. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon une 69 08456 2004463 ou plusieurs des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'anneau d'étranglement est constitué par une matière combustible ou fusible0 Se Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon une 5 ou plusieurs des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'anneau d'étranglement, constitué par une matière combustible, est recouvert sur toute sa surface par une couche isolante incombustible et sa masse combustible est reliée par un fil d'allumage à au moins une sonde de température inflam-10 mable qui est placée dans le courant extérieur de gaz, à la sortie de la fente annulaire entre la charge et la paroi de la chambre de combustion et qui prend feu lorsque ledit courant extérieur atteint une température garantissant,quoi qu'il arrive, l'allumage et le maintien en combustion de la surface la-15 térale extérieure de la chargeo 10o Dispositif selon une ou plusieurs des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'anneau d,étran-glement est placé dans l'extrémité intérieure d'un corps portant 1'inflammateuro 20 11. Dispositif selon la revendication 10 caractérisé par le fait que l'anneau d'étranglement comporte pour sa fixation une partie en forme de moyeu enfoncée dans l'extrémité intérieure du corps porteur de 1'inflammateur, lequel corps présente à hauteur dudit moyeu une collerette servant de tamis de 25 passage aux gaz propulsifs» 120 Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que la charge tubulaire forme elle-même à l'extrémité de sortie de son espace intérieur un rétrécissement ou une fermeture tels qu'ils subsis-30 tent au moins pendant la phase d'allumage ou la phase initiale de combustion et ne disparaissent que progressivement<> 13» Dispositif selon la revendication 12 caractérisé par le fait que le rétrécissement de l'extrémité de sortie de l'espace intérieur, par ailleurs cylindrique, de la charge est 35 lui-même réalisé à la manière d'une charge perforée en forme d'étoileD 14. Dispositif selon les revendications 12 ou 13 caractérisé par le fait qu'un bloc spécial de propergol constitué par une matière chimique brûlant plus rapidement que celle 08456 2004463 de la charge proprement dite est inséré dans l'extrémité de sortie de l'espace intérieur de ladite charge et forme le rétrécissement de cette même extrémité. 15o Dispositif selon les revendications 12 à 14 ca-5 ractérisé TJt.r le fait que le rétrécissement de l'extrémité de sortie de l'espace intérieur de la charge est paraboloïdal. BAD ORIGINAL