Brevet FR2130040A1 — publié le 19721103

- 1 - La présente invention se rapporte à un système de refroidissement pour un moteur de fusée à haute pression et plus particulièrement à un système de refroidissement pour les chambres « à combustion et les dispositifs d'échappement renfermant les hautes pressions. Dans les moteurs de fusée à oxygène-hydrogène le système de refroidisseirent conventionel à régénération est limté 2 à une pression d'environ 140 kg/cm . Le nouveau système de refroi-disseneit selon l'invention peut être utilisé à des pressions considérablement au-dessus de cette limite. Suivant l'invention le moteur de fusée est caractérisé en ce que la chambre à combustion et la gorge du dispositif d'échappement sont formées par plusieurs lamelles disposées axiale-ment l'une sur l'autre , chaque lamelle étant annulaire et comprenant une rainure annulaire dans un côté en ce que des moyens de passage s'étendent de la rainure annulaire vers le bord intérieur de la lamelle et plsieurs passages axiaux s'étendent axialement à travers du bord extérieur des lamelles, les passages axiaux ayant des ouvertures reliées aux rainures annulaires pour doser le réfrigérant alimenté vers les rainures annulaires, et en ce que le réfrigérant est délivré vers les passages axiaux par plusieurs tubes s'étendant radialement vers l'intérieur d'une conduite placée autour du moteur de fusée. D'autres particularités de l'invention ressortiront de la description qui suit des modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est une représentation en coupe partielle d'un moteur de fusée avec une tête d'injection et représentant la chambre à combustion et la gorge du dispositif d'échappement formé par les lamelles. La figure 2 est une représentation d'un côté d'une lamelle utilisée dans la construction de la chambre à combustion etde la gorge du dispositif d'échappement selon la figure 1. La figure 3 est une vue de l'autre côté de la lamelle représentée dans la figure 2. La figure 4 est une représentation d'un autre mode de réalisation de la chambre à combustion et du dispositif d'échappé- 11627 2130040 - 2 - ment formé par les lan&les. La figure 5 est une représentation agrandie de la connexion entre la partie du dispositif d'échappement formée par les lamelles et une partie du dispositif d'échappement qui est refroidie par régénération. La figure 6 est une représentation agrandis de l'extrémité des lamelles au côté de la tête d'injection. La figure 7 est une représ entation agrandie et représente une ouverture de dosage formée dans une conduite de distribution pour alimenter les lamelles en réfrigérant. La figure 8 est une représentation en coupe patielle à travers de la chambre à combustion du moteur de fusée. La figure 9 est une représentation agrandie de la construction ou le réfrigérant entre dans les lamelles pour être distribué à travers de celles-ci; La figure 10 est une représentation agrandie de la construction ou la section convergente s'étend dans la section divergente. La figure 11 est une représentation agrandie partielle d'un autre mode de réalisation des lamelles. La figure 12 est une représentation partielle d'un côté d'une lamelle modifiée. La figure 13 est une représentation partielle suivant la ligne 13-13 de la figure 12. La figure 14 est une vue agrandie partielle des femelles et représente un anneau de déviation relié au bord intérieur des lamelles. Suivant la figure 1 le moteur de fusée comprend une paroi extérieure 2 essentiellement cylindrique, un élément de fermeture 4, un anneau de fixation 6 pour les lamelles et une paroi 8 du dispositif d'échappement. Ces éléments sont reliés ensemble par des boulons, mais il est évident que d'autres moyens de fixation appropriés peuvent être utilisés. L'élément de fermeture 4 comprend un rebord 10 qui est attaché au dispositif à entraîher. Le. centre du côté intériaur de l'élément de fermeture 4 comprend un alésage pour recevoir une tête d'injection 12. La tête d'injection comprend un élément 14 qui est vissé dans l'alésage de l'élément de fermeture. Une projection annulaire 16 s'étend de la face intérieure de 1162*7 2130040 - 3 - l'élément 14. Cette projection comprend une rainure annulaire 18. Plusieurs passages 20 s'étendent du côté extérieur de l'élément 14 vers le fond de la rainure annulaire 13. Une alimentation en oxygène est dirigée vers les passages 20 ca: une conduite 22 et un passage 24 disposé dans l'élément de fermeture 4. La projection annulaire 16 comprend un côté intérieur incliné 26 qui s'étend de la rainure 18 et définit le côté d'un alésage central, et un côté extérieur incliné 28 quis'étaû de la rainure 18 vers la surface annulaire 19. Une plaque poreuse 30 est placée dans l'alésage central de 3aprojection annulaire 16 et le bord 31 de la plaque 30 est parallèle par rapport à la surface inclinée intérieure 26 de la projection annulaire 16.La plaque 30 est reliée à l'élément 14 et elle est espacée de celui-ci d'une distance essentiellement égale à l'espace entre le bord de la plaque et la projection anruLaire 16. Des éléments d'espacement peuvent être prévus entre la plaque 30 et l'alésage central, ou des arrêts peuvent être prévus sur la plaque 30 ou l'élément 14. Une plaque poreuse annulaire 32 e±. placée autour de la projection annulaire 16 de sorte que le bord intérieur 33 de la plaque annulaire 32 soit parallèle par rapport à la surface inclinée extérieure 28 de la projection annulaire 16. La plaque annulaire 32 est fixée à l'élément de fermeture 14 et elle est espacée de celui-ci par des éléments d'espacement. La plaque 32 est également reliée à des projections 39 formées dans l'élément de fermeture 4 pour définir des ouvertures 37 entre les projections 39 qui servent pour passage comme décrit ci-dessous. La surface intérieure 30a de la plaque poreuse 30, l'ouverture de la rainure annulaire 18 dans la surface intérieure de l'élément 14 et la surface intérieure 32a de la plaque annlaire 30 sont placées dans le même plan que l'extrémité de l'élément de fermeture 14 placé contre la paroi cylindrique. Une chambre annulaire 34 dans l'élément de fermeture 4 est reliée à l'espace entre la plaque annulaire 32 et l'élément14 par les ouvertures37 mentionnées ci-dessus. Des passages 38 relient l'espace entre la plaque 30 et l'élément 14 à l'espace entre la plaque annulaire 32 et l'élé- en ment 14. Une alimentation/hydrogène est dirigée vers la chambre annulaire 34 par une conduite 36. L'hydrogène est ensuite délivré vers l'espace entre la plaque annulare 32 et l'élément 14 par les 11627 2130040 - 4 - ouvertures 37 qui s'étendent autour de 11 élément de fermeture 4, et ensuite vers l'espace entre la plaque 30 et l'élément 14 par les passages 38. La plaque sur la surface de la tête d'injection est formée d'une matière poreuse pourqutelle puisse être refroidie par 1'hydrogène. De cette description il résulte que deux anneaux d'hydrogène sont injectés de la surface de la tête d'injection suivant des chemins inclinés qui vont se contacter en un cercle espacé vers l'arrière de la rainure 18. Plusieurs lamelles 50 sont placées à l'intérieur de la paroi cylindrique 2 et sont reliées à l'anneau de fixation 6. Chaque lamelle est annulaire, et les lamelles ont le même diamètre extérieur. Les bords intérieurs des lamelles sont formés pour fournir la forme désirée de la chambre à combustion et de la gorge du dispositif d'échappement. Ces lamelles ont plusieurs ouertures autour de leurs bords extérieurs pour recevoir des boulons 40. Les boulons s'étendent à travers d'un collet 42 de l'anneau de fixation 6. Sur l'autre extrémité de la série des lamelles 50 un anneau 44 est prévu qui comprend un moyen d'étanchéité 46 s'appuyant contre la surface extérieure de la tête d'injection 12 à la plaque 32. Le moyen d'étanchéité 46 comprend un anneau métallique 49 et un anneau élastique 51. L'anneau élastique 51 est comprimé entre l'anneau 49 et l'anneau 44. Le bord extérieur de l'anneau 44 comprend des rainures 45 pour permettre un écoulement de l'hydrogène de la chambre annutlaire 34 vers la chambre 60 entre la surface intérieure de la paroi cylindrique 2 et la surface extérieure des lamelles 50. Une rainure annulaire 52 (voir la figure 2) est formée dans un côté de chaque lamelle 50. Des rainures 53 s'étendent entre la rainure annulaire 52 et le bord intérieur des lamelles. Ces rainures 53 ont la forme d'une développante de sorte que toutes les rainures puissent avoir la mêmelongueur à travers des lamelles et une grande longueur par rapport à leur rayon hydraulic. Comme représenté dans les figures 2 et 3 les rainures 53 sont coubées. Quatre passages de dosage 54 sont prévus entre la rainure annulaire 52 et le bord extérieur de chaque lamelle. Des rainures 53 sont égaiment formées dans l'autre.côté de chaque lamelle et s'étendent du bord intérieur de la lamelle vers l'extérieur d'une distance suf fisante pour entrer en communication avec la rainure annulaire 52 71 11627 2130040 - 5 - dans la lamelle adjacente. Les rainures en forme de développante formées dans les surfaces adjacentes des lamelles adjacentes se croisent, c'est-à-dire, les rainures dans une surface d'une lamelle s'étendent vers l'extérieur dans le sens des aiguilles d'une mon-5 tre et les rainures dans une surface adjacente d'une lamelle adjacente s'étendent vers l'extérieur dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. Les ouvertures 56 sont formées dans les lamelles entre la rainure annulaire 52 et le bord extérieur pour recevoir les boiïons 40. 10 La paroi du dispositif d'échappement 8 dans la figre 1 n'est pas refroidie, mais il est évident que des moyais de refroidissement appropriés peuvent êtœ utilisés pour refroidir la paroi 8 si nécessaire. Des systèmes de refroidissement connus sont par exemple le refroidissement ablatif et le refroidissement par 15 régénération. Dans la figure 1 les lamelles sont plates mais il est évident qu'on peut également utiliser d'autres lamelles par exemple des lamelles en forme de tjmc de cône. Comme mentionné ci-dessus, quand les lamêLles 50 sont 20 assemblées par les boulons 40 pour les serrer entre l'anneau 44 et le collet 42 de l'anneau de fixation 6, les bords intérieurs des lamelles définissent une chambre à combustion et la gorge d'un dispositif d'échappement. Dans le mode de réalisation représenté les lamelles sont prévues sur lalongueur de la chambre à combustion et 25 de la gorge du dispositif d'échappement, mais il est évida±. qu'elles peuvent être utilisées dans n'importe quelle section si le système de refroidissement de l'invention est désirable. Quand le moteur de fusée est mis en marche, l'hydrogène et l'oxygène sont injectés par la tête d'injection 14 vers l'intâieur de la chambre à combus-30 tion et sont allumés dans celle-ci. L'hydrogène coule également vers la chambre 60 et le courant de la chambre 60 est réglé par les passages de dosage sont arrangés suivant le courant de réfrigérant désiré en un point prédéterminé le long de la longueur de la chambre à combustion et du dispositif d'échappement formé par les lamelles. Si une forte alimentation est désirée les passages de dosage 54 peuvent être agrandis ou leur nombre peut être augmenté. Si une plus petite alimentation en réfrigérant est nécessaire, des passages 53 plus étroits peuvent-être utilisés ou leur nombre peut 11627 2130040 - 6 - être diminué. Après que le réfrigérant, dans ce cas l'hydrogène a été réglé par les passages 54 et se trouvent maintenant dans la rainure annulaire 52 d'une lamelle 50, le réfrigérant passe à travers des rainures courbées ou en forme de développante entre deux lamelles de la rainure 52 vers le bord intérieur des lamelles formant la paroi de la chambre à combustion et de la gorge du dispositif d'échappement. Ainsi, le réfrigérant refroidit les lamelles quand il passe à travers de celles-ci. Quand le réfrigérant sort des rainures 53 il se mélange.avec les gaz dans la chambre à combustion près de la paroi et fournit ainsi un autre effet de refroidissement en addition au refroidissement intérieur des lamelles. Les lamelles sont formées d'une manière à conductivité thermique éle\ée de sorte que la chaleur peut être conduite de la paroi vers la riainure. On a trouvé que le cuivre eât satisfaisant à cet effet. Il est noté que le courant qui refroidit le côté arrière d'une lamelle est réglé par les orifices de dosage différentes à celles qui règlent le courant du réfrigérant sur le côté avant de la lamelle. Pour enlever la chaleur d'une manière efficace les rainures doivent avoir une très grande longueur par rapport à leur rayon hydraulic. Avec l'utilisation des rainures en forme de déve-lôppante, on peut former des rainureslongues dans une lamelle ayant une petite largeur. Comme décrit ci-dessus les rainures 5 3 dans les surfaces adjacentes de deux lamelles s'étendent en directions opposées de sorte que les rainures d'une lamelle croisent les rainures de l'autre lamelle. Ce croisement des rainures fournit trois avantages importants, (1) l'enlèvement de la chaleur et considérablement amélioré ce qui est dû à l'augmentation de la turbulence, (2) l'obstruction en un point le long d'une des rainures n'a seulement un effet limité, et (3) il n'est pas nécessaire d'aligner les rainures dans une lamelle avec celles dans une autre lamelle adjacente. La paroi 8 du dispositif d'échappement est fixée par le collet 42 à l'anneau de fixation des lamelles. La surface intérieure de la paroi continue de la surface intérieure de la dernière lamelle 50. Le système de refroidissement décrit ci-dessus à été 116.27 2130040 - 7 - utilisé dans un moteur de fusée qui a été essayé à des pressions 2 2 2 2 de 185 kg/cm , 200 kg/cm , 220 - 221 kg/cm et 207 - 209 kg/cm . Ces essais ont été satisfaisants et on avait utilisé de l'hydrogène pour le réfrigérant. Les lamelles étaient fabriquées de cuivre et les rainires avaient une forme de développante. Dans la figure 4 un mode de réalisation modifié de la chambre à combustion et du dispositif d'échappement est représenté dans lequel la chambre à combustion, la section divergente de la gorge du dispositif d'échappement et la section convergente de la gorge du dispositif d'échappement sont formées par des lamelles 150 tandis.que la section arcLère du dispositif d'échappement est refroidie d'une manière conventionelle par régénération. Un système de refroidissement par régénération est représenté dans le brevet des E.U.A. No. 3.086.358. L'extrémité ouverte de la chambre est attachée au dispositif à entraîner par le moteur de sorte que la tête d'injection s'étend vers la chambre. Par exemple, la tête d'injection peut être formée par un élément 4 comme représenté dans la figure 1. Les lamelles formant la chambre à combustion et les sections de la gorge du dispositif d'échappement sont semblables aux lamelles représentées dans les figures 2 et 3 et ont les mêmes rainures (voir la figure 8). Les lamelles A forment l'intérieur de la chambre à combustion et les bords extérieurs des lamelles A défissent un cylindre qui est placé à l'intérieur d'une cage métallique 108 ayant des rebords 110 et 112 à leur extrémité avant et arrière. Les lamelles B forment un dispositif de distribution qui sera décrit ci-dessous. Les lamelles C sont placées dans la section convergente d'une cage métallique extérieure 114 et les bords extérieurs des lamelles C sont placés contre la cage 114. Les lamelles D forment un autre dispositif de distribution et les lamelles E formant la section divergente sont placées à l'intérieur de la cage métallique 114 avec leurs bords extérieurs pfecés contre la cage 114. La cage métallique 114 comprend des rebords 116 et 118 à son extrémité a-vant et son extrémité arrière. Des fils en fibre de verre précontraints 109 sont enroulés autour des cages 108 et 114 entre leur rebord avant et arrière. Comme représenté dans la figure 5, un écrou annulaire 120 est fixé à l'extrémité arrière de la cage IL4 et retient les la 11627 2150040 - 8 - melles 150 en position. Cet écrou ccmprend plusieurs passages 122 par lesquels un courant de réfrigérant est déchargé dans le dispositif d'échappement. La partie arrière 124 du dispositif d'échappement s'étend de l'extrémité arrière de la cage 114 et est refroidie par régénération. La partie 124 du dispositif d'échappement est formée par une cage 126 en aval de la section divergente et cette cage est fixée au rebord arrière 118 de la cage 114 par plusieurs boulons 128. La cage 126 comprend à son extrémité avant une conduite 130. Une autre conduite 132 est reliée à l'extrémité arrière de la cage 126 et cette conduite 132 est reliée à une conduite d'alimentation en réfrigérant 134. Une autre cage divergente 136 est attachée à la conduite 132 et s'étend de celle-ci vers l'ouverture arrière du dispositif d'échappement. La cage 126,1a conduite 132 et la cage 136 sont placées de sorte que les tubes de refroidissement 138 fixés sur la surface intérieure de ces éléments puissent former l'intérieur de la partie arrière 124 du dispositif d'échappement. Chaque tube comprend une section 138a qui a une extrémité en communication avec l'intérieur de la conduite 132 et qui s'étend en aval vers l'extrémité de la cage 136 où elle est fixée par une console 140. A la console 140 le tube est courbé et il comprend une section 138b qui est reliée à 11 intérieur de la conduite 130. Ainsi, le réfrigérant entrant dans la conduite 132 peut couler par les sections 138a des tubes de refroidissement et à travers les sections 138b des tubes de refroidissement qui sont en communication aec la conduite 130. La conduite 130 comprend deux coudes 142 (voir figure 4) qui s'étendent de la conduite 130. Chacun des ces coudes 142 a un rebord 144 à son etrémité libre. Comme représenté dans la figure 9, une conduite 152 est formée sur une plaque annulaire 154 qui est retenue entre le rebord 112 de la cage 108 et le rebord 116 de la cage 114. L'épaisseur de cette pique 154 correspond à la largeur des lamelles B. Plusieurs passages 156 s'étendent radialement à travers de la plaque 154 entre la conduite 152 et le bord intérieur de la plaque 154. Un tube 157 est placé dans chaque passage 156 et s'étend vers les rainures 52 des lamelles coopérantes. Les rainures annulaires 52 dans les quatre lamelles B sont reliées par plusieurs 11627 2130040 - 9 - 158 pour distribuer le réfrigérant d'une façon efficace. La conduite 152 comprend deux coudes 160 qui s'étendent de' la conduite 142 et chaque coude 160 a un rebord 162 à son extrémité libre. Chacun des rebords 144 des coudes 142 est relié au rebord 162 de l'un des deux coudes 160 par une conduite 164. De cette façon, le réfrigérant peut couler de la conduite 130 par les coudes 142, les conduites 164 et les coudes 160 dans la conduite 152. Le réfrigérant coule de la conduite 152 vers les lamelles 150 à travers les tubes 157. Le réfrigérant passe par les tubes 157 dans les rainures annulaires 52 des lamelles coopérantes et est distribué dans, les lamelles B. De ce point, le réfrigérant coule vers l'avant par plusieurs tuyaux 170 qui s'étendent jusquâ la première lamelle près du rebord 110. Le nombre de ces tuyaux dépend du courant de réfrigérant désiré et comme représenté dans les figures 6 et 7, ces tuyaux règlent le courant du réfrigérant vers les lamelles 150 par des orifices de dosage. Si un orifice est formé le long de la longueur d'un tuyau, il est formé par une ouverture 172 dans la paroi du tuyau; et si un orifice est formé à l'extrémité d'un tuyau il est formé par un bouchon 174 ayant une ouverture 176. Tous les tuyaux peuvent avoir la même longueur, ou une longueur différente avec l'extrémité placée dans la région où la dernière ouverture de dosage est nécessaire. Si un grand nombre de tuyaux est utilisé chaque tuyau peut alimenter différentes lamelles. Par exemple, si on utilise 20 tuyaux autour de la chambre à combustion et 40 lamelles, chaque tuyau peut avoir un orifice de dosage et les orifices de dosage des tuyaux différents sont alors disposés en un point différent le long de la longueur des tuyaux pour alimenter des paires de lamelles successives. Si on a seulement 10 tuyaux et 40 lamelles, deux orifices de dosage peuvent être formés dans chaque tuyau à des points différents le long de sa longueur pour alimenter deux paires de lamelles. De nouveau, les ouvertures snt dimensionnées pour obtenir le courant désiré dans une région particulière le long de la chambre à combustion ou de la section de la gorge du dispositif d'échappement. Dans la région d'un trou de dosage 172 formé dans le tuyau, une ouverture 178 est formée dans une des deux lamelles adjacentes de sorte que l'ouverture 172 ne puisse pas être obstruée 11627 2130040 - 10 - par une partie de la lamelle. Gomme représenté dans la figure 8, les rainures annulaires 180 des lamelles sont élargies au point de passage du tuyau à travers les lamelles, de sorte que le réfrigérant puisse former un anneau complet. Les bords extérieurs des lamelles ont des raiures axiales 190 qui sont alignées axialement le long de la longueur pour former plusieurs passages d'échappement. Ces passages d'échappement sont prévus sur la longueur entière des lamelles et sont en communication avec l'intérieur du dispositif d'échappement erïhre l'écrou 120 et l'extrémité de la cage 114 au point 182. Le réfrigérant coule également à partir des lamelles B vers l'arrière par plusieurs tuyaux 210. Un groupe de lamelles D est formé au point convergent-divergent et ces lamelles D forment la communication du courant entre les extrémités arrières des tuyaux 210 et les extrémités avants des tuyaux212. Les tuyaux 212 distribuent le réfrigérant vers les lamelles 150 dans la section divergente et vers les passages 122 dans l'ecrou 120. Dans la figure 11, les rainures 52 formées dans un côté des lamelles sont tournées au point 51 de sorte que ces rainures sont parallèles par rapport aux rainures coopérantes dans une lamelle adjacente. De cette façon le réfrigérant peut être injecté dans la même direction vers 1'intérieur de la chambre à combustion ou du dispositif d'échappement par les rainures 53. Les figures 12 et 13 représentent un autre mode de réalisation des lamelles 50A qui ont dans chaque surface une série de plusieurs rainures annulaires 43 en forme de V. Dans les côtés adjacents de deux lamelles 50A les rainures sont formées de sorte que les projections entre les rainures sur un côté s'étendent dans les rainures sur le côté de la lamelle adjacente. Ceci fournit un passage long en zig-zag avec des ouvertures annulaires dans la surface de la chambre à combustion, la section de la gorge du dispositif d'échappement ou la paroi du dispositif d'échappement. Ces rainures 43 sont arrangées pour décharger le réfrigérant vers l'arrière. Les ouvatures 41 peuvent être utilisées pour doser le courant du réfrigérant vers les passages. Des fils 45 sont utilisés pour séparer les parties intérieures des lamelles et les parties extérieures des lamelles, sont espacées par des moyens d'espacement 47. D'autres moyens d'espacement peuvent aussi être utilisés. 71 11627 2130040 - 11 - La figure 14 représente le bord extérieur de trois lamelles 50 et l'ouverture des rainures dans le "bord intérieur des lamelles est dirigée dans une direction quelconque. Un anneau 300 est fixé au bord intérieur de chaque lamelle et cet anneau com-5 prend une partie avant arrondie et une projection arrière qui s'étend d'une distance plus grande que la profondeur de deux rainures courbées ou en forme de développante qui se trouvent directement en aval de l'anneau. Ainsi, le courant du réfrigérant est dirigé vers l'arriére . L'anneau 300 peut être fabriqué de nickel, 10 peut être monté par serrage à chaud à la la:nelle en cuivre et peut être lié au cuivre par diffusion. 11627 2130040 - 12 - Il E 7 E K D I C A T I O I, S 1. Moteur de fusée comprenant une cliambre s combustion et une gcrge d'un dispositif d'échappement, caractérisé en ce que la chambre s combustion et la gorge du dispositir d'échappement sont formées par plusieurs lamelles disposées axialement l'une sr l'autre, chaque lamelle étant annulaire et comprenant une rainure annulaire dans un côté, en ce que des moyens de passage s'étendent de la rainure annulaire vers le bord intérieur de la lamelle et plusieurs passages axiaux s'étendent axialement à travers du bord extérieur des lamelles, les passages axiaux ayant des ouvertures reliées aux rainures annulaires pour doser le réfrigérant alimenté vers les rainures annulaires, et en ce que le réfrigérant est délivré vers les passages axiaux par plusieurs tubes s'étendant radialement vers l'intérieur d'une conduite placée autour du moteur de fusée. 2. Moteur de fusée suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures sont dimensionnées pour obtenir le courant désiré en un point particulier le long de la chambre à combustion. 3. Moteur de fusée suivant une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les ouvertures des passages axiaux alimentent une ou plusieurs rainures annulaires. caractérisé en ce que les tubes sont disposés en amont de la gorge du dispositif d'échappement et en ce que les passages axiaux s'étendent vers l'avant et vers l'arrière des tubes. 4 Moteur de fusée suivant une des revendications 1 à 3