Brevet FR2068765A1 — publié le 19710903

i 2068765 La présente invention concerne des perfectionnements aux tuyères de moteurs à réaction et elle concerne plus particulièrement, mais nom exclusivement, une tuyère basculante pour moteur-fusée. Les problèmes posés par les températures et les pressions très élevées de 5 fonctionnement provoquées par le jet propulsif à l'intérieur du carter et de la ttt» yère d'un moteur de fusée rendent très difficile la réalisation pratique d'une tuyè*. re à basculement universel* La présente invention a pour but de réaliser une tuyère qu'on puisse faire basculer en tous sens, dans des conditions de température et de pression élevées, et par des mqyens n'augmentant pas indûment le poids total du mo-10 teur, relativement peu encombrants et ne consommant qu'une faible puissance* L'invention atteint ce but au moyen d'un canal d'éjection de moteur à réaction comprenant : un carter ayant une surface portante incurvée servant d'assise à une surface complémentaire d'une tuyère basculant en tous sens traversée, en cours de fonctionnement, par un jet propulsif, des joints étanches entre les deux surfaces, 15 des organes de commande faisant pivoter ladite tuyère par rapport audit carter, une tuyauterie amenant un réfrigérant et / ou un lubrifiant auxdites surfaces, et des or*-ganes actionnés par pression appliquant, en cours de fonctionnement, une pression hydraulique à une pièce fixée à ladite tuyère de façon à réduire ou à éliminer les frottements s'opposant à son basculement sous l'influence dudit jet propulsif* 20 De préférence, lesdits organes actionnés par pression comportent un fias-» que annulaire fixé sur ladite tuyère, en contact étanche et glissant avec une cavité définie «tenn ladite surface portante de façon à la diviser en deux chambres aimo» laires, et des organes amenant un fluide de pression à l'une desdites chambres* De préférence, le fluide de pression sert également de réfrigérant et / 25 ou de lubrifiant, ladite tuyauterie étant alimentée en fluide de pression à partir d'une desdites chambres* Lesdits organes de commande peuvent comporter au moins un piston joint à ladite tuyère* Ledit piston, ou chacun des pistons, peut être soumis à la pression exer-. 350 cée par ledit fluide de pression* Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, l'une desdites chambres annulaires est divisée en une pluralité de segments équi-angulairement espacés, séparés les uns des autres par des parois montées chacune de façon pivotante sur ledit carter et reliées audit flasque de façon à pouvoir glisser par rapport à lui, 35 lesdits segments définissant entre eux des chambres de pression, et des organes é— tant prévus pour alimenter sélectivement en fluide de pression une ou plusieurs desdites chambres, de façon à faire basculer à volonté ladite tuyère, lesdites chambres segmentaires et lesdits organes d'alimentation constituant lesdits organes de con*» -mande* 40 En variante, lesdites parois peuvent être constituées par des doigts 70 38353 2 2068765 pourvus chacun de pivots à rotule coulissant dans des gorges circanférencielles correspondantes du carter. Les organes de commande peuvent comprendre un tiroir distributeur coonan» dant l'arrivée de fluide de pression à l'une desdites chambres. De préférence, le carter fait partie d'un moteur de fusée, le fluide de pression étant l'agent propulseur dudit moteur. Lesdites surfaces peuvent être partiellement sphériques. Le domaine de l'invention comprend également un moteur-fusée équipé d'un canal d'éjection tel que décrit ci-dessus. On décrira maintenant l'invention, à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale d'un canal d'éjection pour moteur fusée selon la présente invention ; - la figure 2 est un schéma d'un système de commande associé au canal d'éjection de la figure 1 ; - la figure 3 est une coupe axiale à plus grande échelle pratiquée dans la figure 4 représentant une variante de canal d'éjection selon la présente invention ; - la figure 4 est une vue en perspective du canal d'éjection de la figure 3 laquelle le carter a été enlevé pour plus de clarté ; et - la figure 5 est un schéma d'un système de commande destiné aux canaux d'éjection des figures 3 et 4. Sur les dessins, et plus spécialement sur les figures 1 et 2, on voit un canal d'éjection 10 pour moteur-fusée comprenant un carter tabulaire 11 délimitant une partie de la chambre de combustion de la fusée. L'extrémité aval du carter 11 a la forme d'un palier de roulement 12 ayant une surface portante concave, partiellement sphérique, et dans lequel peut basculer en tous sens urne ttçyère convergente-di-vergente 13 ayant à son extrémité amont une surface périphérique externe de forme partiellement sphérique complémentaire de la surface portante du palier 12; Bien qu'une seule tuyère 13 ait été représentée, il doit être entendu qu'il peut s'en trouver un groupe. Le palier 12 est pourvu d'une paire de gorges annulaires axLalement espar-cées l'une de l'autre dans chacune desquelles est placé un joint d'étanchéité annulaire constitué par une bague circulaire 14. Entre les deux anneaux 14, le palier 12 est pourvu d'une cavité annulaire 15 dont la paroi extérieure radiale a une forme partiellement sphérique. La cavité 15 est disposée de façon à pouvoir être alimentée en fluide de pression par un orifice d'entrée 16 communiquant avec la cavité 15. TJn évent 17 la fait communiquer avec l'atmosphère pour permettre l'évacuation des fixités de fluide de pression au-delà d'un joint 18 placé à l'èrtrémité radiale externe d'un flasque annulaire 19 s1étendant radialement depuis la tuyère 13 avec laquelle elle est d'une seule pièce; Le 70 38353 3 2068765 flasque 19 agit donc à la manière d'un piston se déplaçant dans un cylindre défini par la cavité 15» Le flasque 19 divise la cavité 15 en deux chambres annulaires 20 et 21, la chambre 20 communiquant directement avec l'orifice d'entrée 16. Le carter 11 est pourvu d'une console 26 sur laquelle est monté au moins 5 un organe de commande 27 du type à piston permettant de modifier l'inclinaison de l'axe de la tuyère 13 sur l'axe longitudinal 25 du carter 11. Si l'organe de commande 27 est à double action, il suffira d'un seul organe pour incliner et faire pivoter la tuyère 13» mais si l'appareil est équipé d'organes de commande à simple action, tels que celui représenté, il faudra en disposer deux, diamétralement opposés, 10 autour de la tuyère. On notera que l'organe de commande 27 comprend un piston 28 monté par ro-tule à une extrémité d'une tige de piston 29 dont l'autre extrémité est articulée par rotule en 30 à la tuyère 13. Sur la figure 1, les connexions des entrées et des sorties de fluide de pression avec l'organe de commande 27 ne sont pas représentées. 15 Si on se reporte au palier 12, on verra que la chambre 20 communique par un conduit 32 avec une gorge annulaire 33 placée dans le palier 12 sur sa surface portante. Par conséquent, par un choix judicieux du fluide de pression, ce dernier peut non seulement servir à exercer une pression hydrostatique sur le flasque 19 dans la chambre 20, mais encore servir de réfrigérant et / ou de lubrifiant pour les 20 surfaces incurvées en contact du palier 12 et de la tuyère 13» On comprendra qu'en cours de fonctionnement un jet propulsif à haute température et à pression élevée s'écoulera dans l'intérieur creus de la tuyère 13 ce qui aura pour effet d'engendrer un frottement s'opposant à tout pivotement de cette dernière. Cependant, en admettant le fluide de pression à une pression convenable 25 dans la chambre 20, l'effet du jet propulsif qu'on vient de signaler peut être sub-stantiellement réduit ou éliminé, puisque la pression hydrostatique régnant dans la chambre 20 et agissant sur le flasque 19 s*opposera à celle exercée par le jet propulsif sur la partie convergente de la surface interne de la tuyère 13» De plus, le conduit 32 permet au fluide de servir aussi de réfrigérant et / ou de lubrifiant pour 30 améliorer l'efficacité et la durée de service de la tuyère 13» Si on se reporte maintenant plus spécialement à la figure 2, on. y voit un initiateur 40 raccordé à un réservoir de carburant 41 contenant un combustible de propulsion tel qu'on propergol, et dans lequel est logé un piston 42 à surface différentielle» 35 En aval du réservoir 41 se trouve un clapet 44, une soupape régulatrice d'écoulement 45 et un générateur de gaz 46. La soupape 45 est aussi raccordée, par une canalisation 47, à celui des côtés du réservoir de carburant 41 dans lequel se trouve la face du piston 42 qui a la plus grande surface. Une dérivation 48 prend -aaissance entre le clapet 44 et la soupape régulatrice 45 et conduit à un tiroir 50 40 qui sera décrit plus en détail par la suite; 70 38353 4 2068765 L'extrémité aval du générateur de gaz comporte deux dérivations 51 et 52 raccordées, respectivement» à un réservoir d'osydant 53 et à un réservoir de combustible 54i A l'extrémité aval de chacun de ces réservoirs se trouve un clapet 55 ou 56 laissant passer le fluide dans la chambre de combustion 60 du moteur-fusée» 5 Le tiroir 50 est commandé" par un solénoïde 61 ou peut être actionné par un moteur» XL comporte quatre pistons 62 à 65 montés sur une tige commune 66 et qui commandent respectivement les canalisations de sortie 67» 68 respectivement raccord» dées aux organes de commande 27 placés sur des côtés diamétralement opposés du carter 11; Le circuit de retour des organes de commande 27 n'est pas représenté sur la 40 figure 2» De plus, une dérivation 49 part de la canalisation 48 pour envoyer à la chambre 20 du fluide destiné à équilibrer la pression® On voit donc sur la figure 2 que le propergol fourni à la chambre de combustion 60 d'un moteur-fusée sert aussi de fluide de pression pour la chambre 20 pour s'opposer aux efforts de frottement engendrés par le jet propulsif» et qu'en outre, le propergol sert aussi à réfrigé-15 rer et / oa lubrifier les surfaces portantes du palier 12 et de la tuyère 13 en contact l'une avec l'autre; lïi lieu de faire passer le propergol liquide par la canalisation 48 pour gagner la chambre 20 et l'entrée du tiroir 50» on peut utiliser le gaz comme fluide de pression en le prélevant sur la canalisation 52 par un circuit 48', indiqué en 20 pointillé» qui le conduira aux organes de commande 27 et à la chambre 20; Si on se reporte maintenant aux figures 3 à 5 dans lesquelles les pièces eorrespanâantes portent les mêmes chiffres de référence, on voit que les organes de commande externes 27 ont été éliminés et que le dispositif comporte une tuyère 13 basculant en tuas sens, actionnée de l'intérieur, et équilibrée par pression» 25 Le dispositif d'équilibrage pneumatique de la tuyère au moyen d'un flas que solidaire 19 et de chambres de pression 20» 21 » dans cette variante, est assez semblable à celui de la forme d'exécution précédente et ne sera pas décrit à nouveau en détail; Il faut cependant faire remarquer que la chambre annulaire 20 est subdi» 30 visée en quatre -chambres 70» par exemple, au moyen de quatre doigts 71 sphériquement incurvés» équi-sngulairement écartés les uns des autres. Ces doigts 71 sont nettement visibles sur la figuré 4» Les doigts 71 sont fixés, en aval du flasque annulaire 19» à la surface portante externe de la tuyère 13 qui est pourvue de fentes 73 fl»"" lesquelles ils 35 pénètrent pour empêcher celle-ci de se déplacer circonférentiellement par suite d'une différence de pression entre deux chambres adjacentes données 70, ainsi que cela apparaîtra plus clairement par la suite. En outre, le flasque 19 est également pour*-vu de fentes 75, essentiellement axiales, dans lesquelles les doigts 71 peuvent pénétrer, de façon à permettre à la tuyère 13 de décrire des mouvements angulaires coifr-40 plets» 70 38353 5 2068765 A l'extrémité aval de chaque doigt 71 se trouve un pivot à rotule 76 logé dans l'une des gorges partiellement circonférentielles 77 du palier 12. De cette façon, la chambre pressurisée 20 sur la face arrière du flasque 19 se trouve divisée en quatre chambres 70 pouvant recevoir chacune du fluide à une 5 pression différente et amorcer ainsi de l'intérieur le pivotement de la tuyère 13. Si on se reporte maintenant à la figure 5, on voit que le système de commande qui y est représenté ressemble à celui du système de la figure 2 et seules les différences seront décrites# La soupape 45 ji est un détendeur inséré entre le réseiw voir de carburant unique 41 et le générateur de gaz 46 et, comme précédemment, une 10 dérivation 48 conduit le propergol à un tiroir 50 actionné, dans cette variante, par un moteur 80. Le tiroir 50 est muni de deux pistons 62* et 63* et possède une dérivation 81 alimentant le conduit 32 débouchant dans le collecteur annulaire 33 entre la face portante interne de la tuyère 13 et le palier 12. Un autre conduit 85 va du conduit 32 à chaque fente 75 pour refroidir et lubrifier les doigts. 15 Bien qu'un seul tiroir 50 soit représenté sur la figure 5 : il y en a deux en fait, ayant chacun, ses propres conduits de distribution 67*, 68* raccordés chacun à l'un des quatre segments ou chambres 70. H est facile de comprendre que, dès que la résistance dûe au frottement est vaincue et que le fluide de pression est expulsé d'une chambre donnée 70, le ou 20 les tiroirs 50 peuvent revenir à la position neutre pour permettre la poursuite du fonctionnement. La position vectorielle de la tuyère sera maintenue si chacune des chambres 70 est également alimentée en fluide de pression. On obtient un déplacement autour de quatre axes à 45° l'un de l'autre en évacuant le fluide de pression d'une des chambres 70 ou de deux chambres 70 adjacentes. Comme dans le précédent mode de 25 réalisation, des pointillés indiquent les circuits utilisés quand le fluide de pression est gazeux et non liquide. On voit donc que les modes de réalisation préférés décrits ci-dessus perw mettent de réaliser un canal d'éjection dont la tuyère 13 peut basculer en tous sens de façon satisfaisante malgré les conditions de température et de pression élevées 30 en cours de fonctionnement, et dont la durée de service sera prolongée. En outre, le propergol sert également de réfrigérant, de lubrifiant, de fluide de pression pour équilibrer les pressions sur la tuyère basculante et enfin, dans la variante des figures 3 à 5, il sert également à faire tourner la tuyère 13. On voit en outre que les fuites de fluide propulsif entre les paliers et 35 les surfaces complémentaires de la tuyère sont pratiquement éliminées, que l'échauf-fement de ces paliers et de ces surfaces est évité, ce qui permet d'utiliser des ma*» tériaux ordinaires pour les bagues 14, et, en ce qui concerne la première variante, que l'effort exigé des organes de commande est considérablement réduit, ce qui permet une commande vectorielle précise. 40 Un autre avantage des modes de réalisation de l'invention représentés 70 38353 6 2068765 est que tout fluide d'étanchéité s'écoulant entre les paliers et les surfaces complémentaires est ensuite injecté dans l'intérieur de la chambre de combustion à l'extrémité amont de la tuyère où il constituera une couche limite à l'intérieur de la tuyère, l'effet de cette couche limite sera de refroidir l'intérieur de la tuyère 5 elle-même et de la protéger contre le jet propulsif, ce qui peut être très important quand le jet contient des éléments corrosifs» En outre, comme le fluide d'étanchéité est un agent de propulsion, sa circulation peut être synchronisée avec la succession des temps d'allumage du moteur, rendant ainsi superflu tout autre système de commande du fluide d'étanchéité» 10 Bien que la description et les dessins portent sur une tuyère convergente divergente, celle-ci pourra être, bien entendu, de forme annulaire et purement convergente» 70 38353 7 2068765 REVENDICATIONS 1» Ensemble de tuyère pour moteur à réaction caractérisé en ce qu'il comprend un carter ayant une surface portante incurvée servant d'assise à une surface complémentaire d'une tuyère susceptible de basculer en tous sens, traversée en cours de fonctionnement par un jet propulsif ; des joints étanches entre lesdites surfaces; des organes de commande faisant basculer ladite tuyère par rapport audit carter ; une tuyauterie amenant un réfrigérant et / ou un lubrifiant auxdites surfaces ; et des organes actionnés par pression appliquant, en cours de fonctionnement une pression hydraulique à une pièce fixée à ladite tuyère de façon à réduire ou à éliminer les frottements s'opposant à son basculement sous l'influence dudit jet propulsif. 2. Ensemble de tuyère selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits organes actionnés par pression comportent un flasque annulaire fixée sur ladite tuyère en contact étanche et glissant avec une cavité définie dans ladite surface portante de façon à diviser ladite cavité en deux chambres annulaires, et des organes amenant un fluide de pression à l'une desdites chambres. 3. Ensemble de tuyère selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide de pression sert également de réfrigérant et / ou de lubrifiant, ladite tuyauterie étant alimentée en fluide de pression à partir d'une desdites chambres. 4. Ensemble de tuyère selon l'une quelconque des revendications précédentes prises séparément caractérisé en ce que lesdits organes de commande comprennent au moins un piston joint à ladite tuyère. 5. ensemble de tuyère selon la revendication 4» caractérisé en ce que ledit piston, ou chacun des pistons, est soumis à la pression exercée par ledit fluide de pression. 6. Ensemble de tuyère selon les revendications 2 ou 3 prises séparément, caractérisé en ce qu'une desdites chambres annulaires est divisée en une pluralité de segments équi-angulairement espacés, séparés les uns des autres par des parois montées chacune à pivot sur ledit carter et reliées audit flasque de façon à pouvoir glisser par rapport à celui-ci, lesdits segments définissant entre eux des chambres de pression, des organes étant prévus pour alimenter sélectivement en fluide de pression une ou plusieurs desdites chambres de pression de façon à faire basculer à volonté ladite tuyère, lesdites chambres segmentaires et lesdits organes d'alimentation constituant lesdits organes de commande. 7. Ensemble de tuyère selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites parois sont constituées par des doigts pourvus chacun de pivots à rotule coulissant dans des gorges circonférentielles correspondantes du palier» 8» Ensemble de tuyère selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 prises séparément, caractérisé en ce que les organes de commande comprennent un tiroir distributeur commandant l'arrivée de fluide de pression à l'une desdites chambres» 9. Ensemble de tuyère selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 pri— 70 38353 8 2068765 ses séparément, caractérisé en ce que le carter fait partie d'un, moteur-fusée, le fluide de pression étant l'agent propulseur dudit moteur» 10i Ensemble de tuyère selon l'une quelconque des revendications précédera tes prises séparément, caractérisé en ce que lesdites surfaces portantes ou paliers sont partiellement sphériques»