Brevet FR2012723A1 — publié le 19700320

La présente invention a pour objet une chambre de combustion avec tuyère d'éjection pour des moteurs-fusées à pro-pergol liquide, se composant d'un ensemble de base "chambre de combustion-tuyère d'éjection" qui présente des canaux de refroidis-5 sement ininterrompus recouverts par la paroi extérieure et traversés par au moins l'un des ergols* Sans les moteurs-fusées à propergol liquide, il est généralement d'usage, pour refroidir la paroi de la tuyère d'éjection et de la chambre de combustion, d'introduire au moins 10 l'un des ergols participant au processus de combustion dans les canaux de refroidissement longitudinaux ménagés dans les parois de la tuyère d'éjection et de la chambre de combustion, le dit ergol étant introduit à l'extrémité arrière de la tuyère d'éjection, grtee à un distributeur annulaire, et s'écoulant vers l*avant du 15 moteur où il est recueilli dans un collecteur annulaire et amené à la tite d'injection de la chambre de combustion* Du point de vue et de la combustion et de la construction, un moteur-fusée représente un ensemble complexe pour lequel il convient de respecter des spécifications ayant souvent des incidences oontraires et qui 20 doivent ttre optimalisées lors de l'étude et de la construction d'un tel moteur* Le procès thermique qui se déroule généralement dans un moteur-fusée sous des températures extrtmes, exige des différences de pression élevées en vue d'obtenir un rendement élevé. Comme il n'existe pas, jusqu'à cette,date, de matériaux-ou de métaux 25 appropriés permettant de résister sans protection aux températures extrêmement élevées régnant dans la chambre de combustion, il faut veiller à évacuer très rapidement la chaleur produite* fle.rtle est assumé par le réfrigérant circulant dans les canaux et ayant pour fonction de maintenir dans les limites acceptables la tempé-30 rature moyenne de la paroi délimitant la chambre de combustion et la tuyère d'éjection, afin de garantir pour ladite paroi, une résistance mécanique suffisamment élevée* Bans les modes de réalisation connus, la limite supérieure de la résistance mécanique est rapidement atteinte en ce qui concerne la température et la pres-35 sion, et cela pour des raisons technologiques et constructives. C'est ainsi que l'on atteint rapidement une limite interdisant tout accroissement de la température en vue d'un rendement amélioré du processus de combustion dans les chambres de combustion en acier, comportant des canaux de refroidissement moulés ou usinés 40 recouverts d'une enveloppe extérieure soudée en acier, car, en BAD ORIGINAL 69 23021 2 2012723 raison de la faible conductivité thermique de l'acier, la chaleur emmagasinée entraîne rapidement une surchauffe du matériau dont la résistance à chaud diminue très rite pour des températures croissantes» Four maîtriser les températures très élevées régnant 5 dans les chambres de combustion, il est déjà connu de réaliser la chambre de combustion et la tuyère d'éjection à partir d*un serpentin de cuivre à spires jointives et d'assembler les spires juxtaposées par une soudure au cuivre ou encore un brasage* En procédant de cette façon, il existe toutefois le risque que la multitude 10 des points de jonction des différentes spires tubulaires expesées directement à la flamme, soit sollicitée trop fortement du point de vue thermique* Se plus, il est connu de prévoir, sur la surface extérieure d'une ébauche de chambre de combustion réalisée à partir d'un grand nombre de segments individuels soudés ou brasés, des 15 canaux de refroidissement et de recouvrir ces derniers d'un fil enroulé à spires jointives ou encore d'une enveloppe extérieure en tftle d'acier, et de relier ultérieurement par soudage ou brasage cette enveloppe avec la'multitude de nervures limitant latéralement les différents canaux cLe refroidissement. En procédant de cette 20 façon, la fabrication s'avère difficile en ce sens qu'il est pratiquement impossible de rapporter l'enroulement extérieur ou encore l'enveloppe extérieure exactement sur les nervures et obtenir «n • assemblage soudé ou brasé impeccable dé toutes les surfaces de contact de l'enveloppe extérieure et de toutes les faces extérieures 25 ou frontales des différentes nervures* 11 n'est donc pas possible d'éviter avec certitude, lorsque le moteur-fusée fonctionne à plein rendement, que la soudure ne cède à un endroit présentant un défaut, ce qui entraînerait la destruction totale de la chambre de combustion* En. plus de la pression intérieure proprement dite régnant 30 dans la chambre de combustion, celle-ci est sollicitée, en ce qui concerne la parei de la chambre de combustion et de là tuyère, par la différence entre la pression de l'ergol circulant dans les ca-naux dé refroidissement (pression d'injection) et la pression régnant à l'intérieur de la chambre de combustion voire dans la 35 tuyère et qui diminue en progressant de l'avant vers l'arrière, de manière à n'Stre que faiblement supérieure à la pression ambiante lorsque l'on considère l'extrémité arrière' de la tuyère1'd'éjection. Cette pression différentielle agii en effet"sur la paroi"intérieure de la chambre de combustion et de là tuyère formée par ï'ëbàuoh® -40 et'cela notamment'dans* lè3 zones entre les nervures *àè façon que bad original 69 23021 3 2012723 las différentes sections de la paroi intérieure sont sollicitées •n flexion, l'effort étant dirigé radialement rers l'intérieur* Far ailleurs l'assemblage de la surface extérieure des différentes nervures et de la face intérieure de la paroi limitant extérieure-5 ment la oftambre de combustion et la tuyère est sollicité par la pression différentielle précitée en traction, ce qui Conduit aux inconvénients précités dans les constructions usuelles où des poiats faibles sont pratiquement inévitables* 11 appartient à la présente invention de pallier 10 les inconvénients précités que présentent les chambres de combustion et tuyères d'éjection réalisées de façon connue, «b & eré«r -avec de s moyens simples, une chambre de combustion avec tuyère d'éjection qui, de par sa conception, puisse résister avec certitude aux pres-sions extrêmement élevées existant dans les chambres de combustion 15 ou constituées par les pressions d8injectien et aux températures extrêmement élevées régnant dans lesdites chambres de combustion* Four obtenir la résistance mécanique recherchée, la présente invention, propose de réaliser l'ébauche de l'ensemble chambre de combustion-tuyère d'éjection sous la forme d'un élément 20 monobloc en cuivre exempt d'oxygène ou encore en un matériau présentant sensiblement les mêmes propriétés, tel que l'argent ou le molybdène, et de recouvrir les canaux de refroidissement usinés dans cet élément par une enveloppe obtenue par électrodépositioa* En procédant comme il est décrit ci—dessus, on a la 25 certitude d'obtenir partout une liaison impeccable et sftre entre la surface extérieure des différentes nervures et la face interne de la paroi extérieure l'ensemble chambre de combustioa-tuyère d'éjection. Par ailleurs, l'électrodéposition représente en soi une méthode éprouvée, bon marché et parfaite du point de vu» tech-30 nologique pour réaliser la paroi extérieure* On obtient une liaison optimale lorsque,suivant une caractéristique de l'invention, la paroi extérieure est réalisée à partir du même matériau que l'ébauche* Selon une £Utre possibilité, on peut également utiliser pour l*él»ctroà£$âs±tion de la paroi extérieure, un matériau ayant une 35 résistance mécanique élevée, tel que par exemple le nickel, qui forme avec le cuivre une liaison galvanoplastique suffisamment sûre. Four obtenir des conditions particulièrement avantageuses en ce qui concerne l'évacuation de la chaleur, l'assemblage sftr de l'élément de base et de la paroi extérieure ainsi que la résistance 40 mécanique globale, on réalise l'ensemble chambre de combustion— BAD ORIGINAL 69 23021 4 20]272; tuyère d'éjection à partir 4'via* ë'JiiUiixa réalisée es cuivre exempt d'oxygène, ou en un «ataria» â.juivaû.Gi*», «ei que l'ar^eat c-w le aolybdèn'fcg sur lequel on rapporte, par éieccrotiépositien, mE.6 eou---ohe intermédiaire de faible épaisseur, agalkiaent faite de- cui?r« ^ «xeapt deoxygène ou d'un matériau équivalent tel que l'argent eu le molybdène, une épaisse anveloppa de preaaion en nickel eu un matériau similaire préaeataai des propriétés mécaniques élevées étant ensuite rapportées par élecîrodéposition sur cette couche intermédiaire. Sa employant le a*.t£riau psar l'éfeaueàe ©t la î§ eov.eiie iaternédi&ire, an a 1a eiir.iti.d& quo sst d«us periiot «ona-;" assemblées de façon absoluasat sltr© pis lea.ro surfae®^ da ©catae?» respectives qui sont relatiTausat a-roitea» Par ailleurs9 1 «&*▼«-.Ujp* de prescion qui entoure la aauîii© intermédiaire sur lé;qvuel"e aile prend appui sa tcua -pelâts soutient la coi'cit® iator-nédiaire î5 4e fa§®a &boolum«Et parfaite «t garantit do c-a fait, *2* &3SGBblagc à l'épretnro- • doc â£e&isures de le, dits. e^-.oàe si des aeirvnree de 1$ébauche» Suivant une autre caractéristique de l'invention, ©a fait varier l*épai3seur de la paroi intérieure de la ehanbre de âô combustion et de la tuyère - o«*est-à~d.irs selle de la paroi de l'ébauche - dans le 33aa longitudinal on fonction des différentes contraintes theraiquea et par presoiaa u® produisant slaas les dif«« f'érâ&tes ssaaas 4e la chambre de eealjustiaa et do la tuyère d'éjection - las contraintes par pser«les ?£*v.\tas4 4®s- différoaees qmi H5 eziataat antre la pression. lu fluide réfricar-aat dans les e&aaux de refroidissement et la pression dans la chaabre de oembustiea #m la tuyère d'éjection - de se rte que le. faroi intérieure, voire lo fond des canaux de refroidissement, 39 trouve ftre le pins aiace à l'endroit du coi de tuyèr©» alors que l'épaisseur a sa plu.» graa-de valeur dans la zone arrièrs d« la tuyère d'éjection et une valeur moyenne dans la zone constitués par la ehaabr® de combustion. L'épaisseur d@ la paroi intérieure est far conséquent preportiea-nello au diaaètr® qui varia tout au 1oag d® est ensemble* ïïn ensemble chambre de ooabmstioa-tuyère d'éjection 35 réalisé coaforaé&snt à la présente iaveatlmit prâseate l«s avantagea suivants 3 I© suivre exeapt -itilisé oemae aatériaa ne garantit aas asulsseRt de pa? .ne thermique échanges theraiquee de valeur aaxiaala entre l'ébauche foraa&t la 40 parti® intérisure te la chambra de eoafeustionp qui est ezpesée bad original 69 23021 5 20Î2723 directement à la flamme, «t le fluide réfrigérant, mais il est par aillenrs pratiquement insensible à l*agression chimique des ergols pendant le fonctionnement et à celle ayant lieu pendant les différentes opérations de fabrication telles que le soudage et le bra-5 sage, pour pallier le phénomène d'oxydation» De plus, l'électrodé-position de l'enveloppe garantit un contact intime et stlr pour toutes les surfaces de contact de l'enveloppe et des nervures de l'ébauche qui. ne sont pas exposées directement aux gaz de combustion, mais qui sont directement en contact avec le fluide réfri— 10 gérant* De plus, l'épaisseur variable de la paroi intérieure de la chambre de combustion et de la tuyère d'éjection, voire du fond des canaux de refroidissement, tient respectivement compte des contraintes auxquelles sont soumises la chambre de combustion et la tuyère, et cela de façon optimale, étant donné que les épais-15 seurs de la paroi sont spécialement adaptées aux différences des pressions localement différentes sur toute la longueur de la chambre de combustion et de la tuyère* Ces pressions différentielles dont la valeur varie selon la zone dans laquelle on se trouve, résultent, comme il a déjà été dit, du fait que la pression des 20 gaz de combustion ou gaz propulsifs diminue progressivement jusqu'à atteindre la pression ambiante, en progressant dans la ohambre de combustion vers l'extrémité de la tuyère, alors que la pression de refoulement du fluide réfrigérant ne diminue que faiblement en progressant de 1'extrémité de la tuyère jusqu'à l'avant de la 25 chambre de combustion* 11 en résulte, dans la zone arrière de la tuyère d,éjection, que la paroi intérieure de la tuyère voire le fond des différents canaux de refroidissement est soumise à une pression maximale, depuis la partie intérieure des canaux dé refroidissement, qui sollicite ici les fonds en flexione A cela 30 s'ajoute encore, en raison du diamètre maximal que l'ensemble présente à cet endroit, que la largeur des canaux de refroidissement est également maximale, ce qui fait que la sollicitation en flexion est également maximale. Conformément à l'invention,, on tient avantageusement compte de ce fait, en faisant en sarte que l'épaisseur 35 du fond des canaux de refroidissement y est maximale* Dans la zone du col de tuyère où. le fond des canaux est soumis à une pression moyenne, l'épaisseur est, toutes proportions gardées, la plus faible et on tient avantageusement compte du fait que la largeur des canaux y est minimale-.Le fait que 40 l'épaisseur de la paroi intérieure de la tuyère d'éjection voire BAO ORIGINAL 69 23021 s 2012723 du fond, des canaux de refroidissement soit minimale dans la zone du col, tient avantageusement compte des circonstances données en ce sens que, ru l'épaisseur relativement faible de la paroi dans cette zone la plus chaude de l*ensemble chambre de combustion-tuyère 5 d'éjection, l'évacuation de la chaleur atteint des valeurs maximales L'épaisseur moyenne que présente le fond des canaux de refroidissement dans la zone de la chambre de combustion proprement dite permet d'avoir une résistance mécanique optimale, en ce ce sens que la largeur des canaux de refroidissement présente une 10 valeur moyenne pour une pression différentielle relativement faible et une température très élevée régnant dans la chambre de combustion* four mieux comprendre l'objet de l'invention, en va en décrire, à titre indicatif et non limitatif, u> mode de réalisais tion représenté sur le dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'une chambre de combustion et de sa tuyère d'éjection* - les figures 2 à 4, représentent respectivement des coupes 11 - II, III - III, et IY - IV de la figure 1. 20 - la figure 5, représente un mode de réalisation particulier de la paroi de l'ensemble chambre de combustion-tuyère d'éjection* L'ensemble chambre de combustiom-tmyère d'éjection, comprend essentiellement un élément de base ou ébauche 1 réalisée avec du cuivre exempt d'oxygène* Cette ébauche peut Stre préfabri-25 quée de façon classique par matriçage d'un bloc de cuivre (éerouis-sage) et soumis à un usinage de finition avee enlèvement de copeaux* Bans l'ébauche 1 sont ensuite ménagés des canaux de refroidissement longitudinaux 2 qui sont de ce fait séparés par des nervures 3» Four réaliser l'enveloppe (enveloppe de recouvrement 4) ayant pour 30 fonction de fermer extérieurement les canaux de refroidissement 2, ces derniers sont remplis d'une masse électriquement oonduotrieo à bas point de fusien* L'enveloppe 4 qui est de préférence également réalisée à partir d'un cuivre exempt d'oxygène est ensuite rapporté par électrodéposition, suite à quoi la masse de remplissage 35 est évacuée en la faisant fondre* On a ainsi la certitude que l'enveloppe 4 est assemblée en tous points avec les faces extérieures des nervures 3 séparant les différents canaux de refroidissement* La paroi intérieure de la chambre do combustion et de la tuyère d'éjection ou encore les parois 1a, 1b, 1 •- . bad original 69 23021 7 2012723 de refroidissement 2» sent conçues de façon que 1*épaisseur x de la paroi la de 1-ébauche 1 est la plus faible dans la zone du col de tuyère (fig* 3) où l'épaisseur des canaux de refroidissement 2 est minimale, que l'épaisseur y de la paroi »b a une râleur moyenne 5 dans la zone de la chambre de oombustion proprement dite où la lar-geur des canaux de refroidissement 2 présente également une râleur moyenne et que l'épaisseur s de la paroi l£ est maximale dans la zone arrière de la tuyère d'éjection où la largeur des canaux do refroidissement est également maximale en raison du plus grand dia-10 aètre que l'ensemble chimbre de combustion-tuyère d'éjection présente à cet endroit» Conformément à la figure 5» en se contente de rapporter par électrodéposition» sur l'ébauche 1 en cuivre exempt d'oxygène, une couche intermédiaire 5 relativement mince qui est 15 également réalisée en cuirre exempt a'oxygène* Sur cette coucho intermédiaire 5» ozjrapporte ensuite par électrodéposition une enveloppe de pression 6 relativement épaisse en nickel ou en un matériau équivalent ayant des caractéristiques mécaniques très élevées, pour résister à la pression intérieure élevée régnant dans la cham-20 bre de combustion* BAD ORIGINAL 69 23021 3 2012723 KlffSîMCâf 10MS Chambre de coafeustiea atê» tuyère &s£jeetioa poar dss aotsurs-fuséos à propergol liquide» se&gssaaat un éliseat de base @oaa*iu à ka okaab re de eombustisa et u la tayèru «t g ras est a&t des Ej saaattx de refreidisseaeat iaiat«rroapua qui ss&t recouverts par «ae parei extérieure et dans lesquels eiroals au «oiaa laua les ergels» oar&ùtérisé» par le fait que l'éléaont bas* ou ébauche ®st réalisé è*ua seul te&ast âms âa oulrra sEsap* d'oxygè&s eu ma aatés?iau équivalent tel ouc lsargo&$; «a 1& &eXykdoae et qn® la XQ paroi extérieure est rapportée par éloetradép^sitioa* 2e) Chanfere de ceafeustioa aTee tuyère dséjectlen suivant la reveadicatiea 1» caractérisé® par la fait que la pas& cstério'âffe sagport.é© par éleetrodépcsitisa est égalt»aei*t réalisée à partir â*ua cuivre exeapt â*esygëa« ta «aeore S£aa aa^Sriau 3e} Gkaasre de coafcustien avec Suysre d*éjectioa suivaut la revend!catiea 19 caractérisée par le fait q«© la paroi excérismre rapportée par éleatrodéposition est ea nickel» 4°) Gkaabre de coabustion av©e tuyère d^éjestiaa suivant 30 la revendication .1» caractérisés par le fait ciH8*»& rapports par 5e) Gkaafere de oeabustion avee tuyère d*éjeetiea suivant mue quelconque des revendications 1 à 4» caractérisée par le fait qu*0a fait varier sur tout® la longueur l'épaisseur de la paroi 3° intérieure de l'eus saisie ehaabre de ceabustien-tuyère d'éjection^ voire la paroi de l'ébauche*, en fonction des différentes centrais.» tes tkoraiquea et par pression se produisant âaaa les âHfféremtes zones d® la ekaabre et de la tuyère - les centra.is.tes par pressiez résultant de® différencies qui existent enl-rs la pregsi®» du -5e' fluide réfsigêr&a'fe Êaas les emas 4* refrG-iditseiaeat ofc la pres«« stem âaas la ehaafers de eoœbuatica (cote x,t figo 3)t alors que l'épaisseur aeeuse sa plus forte va- 40 . -* BAD ORIGINAL 69 21021 9 2012723 leur dans la sone arrière de la tuyère (cote z9 fig. 4) et «ne ▼aleur moyenne dans la zone de la chambre de oembustion propreoient dite (eote y, fig* 2). BAD ORIGINAL