Brevet FR2108969A1 — publié le 19720526

l'invention concerne une chambre de combustion de fusée de faible débit massique pour deux ou plusieurs carburants liquides et/ou gazeux destinés à produire un jet de gaz, notamment de faible ou très faible poussée. 5 Les très petits moteurs-fusées sont utilisés pour comman der les satellites, des fusées et des armes guidées. Ils servent également d'étage de base pour un générateur à gaz destiné à produire un gaz de travail, tel qu'il est utilisé dans les moteurs auxiliaires servant à entraîner des turbines. 10 les chambres de combustion des types les plus variés, connues jusqu'à ce jour pour cette utilisation, avaient un domaine d'utilisation limité, surtout à cause des problèmes de refroidissement, de préparation des mélanges et de résistance à la rupture sous charge permanente. Notamment en ce qui concer-15 ne les poussées ou les débits massiques très faibles, inférieurs à 0,5 kp, il n'existe pas de moteurs-fusées fonctionnant sur la base de systèmes à deux pu plusieurs carburants, car il n'avait pas encore été possible de résoudre le problème du refroidissement . 20 L'objet de l'invention est de procurer une chambre de combustion pour de très petits moteurs-fusées servant à commander des satellites,des fusées et des armes guidées et à produire des gaz dans des générateurs de gaz de petit débit massique ; il importe avant tout dans ce cas de résoudre le problème du refroidissement, c'est-à-dire d'assurer une évacuation suffi-25 santé de la chaleur au col de la tuyère, qui est la partie du moteur-fusée la plus fortement exposée à la chaleur. Oe but est atteint conformément à l'invention par une chambre de combustion dans laquelle le rayon de la partie antérieure de la chambre de combustion qui comporte la tuyère de détente est un multiple du plus petit rayon du col de la tuyère 30 et dans laquelle l'injection du carburant s'effectue tangentiel— lement sur la paroi interne du cylindre par un ou plusieurs ajutages, de sorte que les carburants glissent en tournant sur la paroi interne de la chambre de combustion, sans qu'il se produise de composantes axiales de vitesse et la refroidissent 35 en formant un film, sous l'action des forces centrifuges; après être arrivés au contact l'un de l'autre, ces carburants brûlent et la chambre de combustion est traversée radialement de l'extérieur vers l'intérieur en direction de la tuyère de détente T BAD ORIGINAL 70 38521 2 2108969 située au centre. Dans une telle chambre de combustion, la densité du courant de chaleur est maximale, et en conséquence le danger que le col de la tuyère ne se perce est également maximal. 5 Dans un^éhambre de combustion conforme à l'invention, dans laquelle le rayon de la partie antérieure de la chambre de combustion comportant la tuyère de détente est un multiple du plus petit rayon du col de la tuyère, la chaleur dégagée à la tuyère est dirigée d'abord radialement vers l'extérieur, dans 10 la partie antérieure de la tuyère, autour du bord antérieur de la chambre de combustion dans la zone des ajutages d'injection prévus dans la partie cylindrique de la chambre de combustion. Dans la zone de ces ajutages d'injection et sur la péri- 15 phérie de la paroi intérieure de la chambre, la chaleur dégagée par la tuyère est transmise aux carburants déjà injectés et qui sont en rotation sur la paroi cylindrique sous l'action des forces centrifuges. Les principales caractéristiques de l'invention sont 20 décrites à l'aide du dessin, qui représente plusieurs exemples de réalisation, dessin sur lequel : - la figure 1 est une coupe longitudinale à travers une chambre de combustion conforme à l'invention ; - la figure 2a montre une coupe transversale de la 25 chambre de combustion de la figure 1 au niveau de la ligne A/A, et - la figure 2b est une coupe transversale correspondante d'une chambre de combustion selon la figure 1, comportant trois buses d'injection tangentielles ; 30 - la figure 3 est une coupe transversale de la chambre de combustion de la figure 1 au niveau de la ligne B/B ; - la figure 4 montre un autre exemple de réalisation d'une chambre de combustion dans laquelle l'injection des carburants s'effectue à plusieurs niveaux ; 35 - la figure ' 5 montre une chambre de combustion conique ; - la figure 6 montre également une chambre de combustion conique dans laquelle l'injection s'effectue- également à plusieurs niveaux ; - la figure 7 montre une chambre de combustion hémisphé- 40 rique ; COPY 70 38521 3 2108969 - la figure 8 montre une chambre de combustion sphérique ; - la figure S montre un autre exemple de réalisation d'une chambre de combustion dans laquelle l'injection du carburant s'effectue à plusieurs niveaux ; 5 - la figure 10 est une coupe longitudinale à travers une autre forme de réalisation de l'invention ; - la figure 11 montre une chau.bre de coidbustion à gradins se rétrécissant vers l'arrière et comportant plusieurs niveaux d'injection ; et 10 - la figure 12 montre enfin une courte longitudinale à travers un autre exemple de réalisation conforme à l'invention d'une chambre de combustion âa fusée dont le volume de combustion a sensiblement la forme d'une lentille. La chambre de combustion de fusée des figures 1 à 3 est 15 constituée par xm volume de combustion cylindrique 1, une paroi postérieure plane 2 et une paroi antérieure 3 comportant la tuyère 5. Conformément à l'invention, le diamètre du col 8 de la tuyère 5 située au centre de la paroi antérieure de la chambre de combustion est beaucoup plus petit que le diamètre de la paroi 20 antérieure 3 où est logée la tuyère. L'enveloppe cylindrique 4 est traversée par deux buses d'injection 6 et 7 en vis-à-vis par lesquelles sont injectés tangentiellement à la périphérie les différents composants au carburant. On obtient ainsi que les composants du carburant glissent d'abord le long de la paroi 25 interne du cylindre et refroidissent celle-ci avant de se mélanger entre eux et de réagir l'un avec l'autre. On peut dans ce cas prévoir deux ou plusieurs buses d'injection au i^êiue niveau, comme le montrent les figures 2a. et 2b. Sur les figures 1 et 3, le trajet du courant de chaleur 30 dans la .artie antérieure de la paroi de la chambre de combustion est représenté au moyen de flècnes. Co„^ e on le voit, la chaleur dégagée à la tuyère est d'abord guidée radialement vers l'extérieur autour du bord antérieur de la chambre de combustion dans la zone des buses d'injection dans la partie cylindrique 35 de la cha...L»re de combustion. Je là, la chaleur est transmise aux carqurants d-j;.. injectés et on rotation sur la _.,aroi interne cylindrique. Ou fait de l'écoulement radial non linéaire de la chaleur dans la paroi antérieure de la tuyère dont le diamètre est beau— '4-0 coup- plus grand que le diamètre du col de la tuyère, cet écoule— COPY BAD ORIGINAL 70 38521 2108969 ment de la chaleur est d'autant plus approprié que le diamètre du col de la tuyère en tant que tel est plus petit, c'est-à-dire que la poussée ou le débit massique du moteur sont plus faibles. Grâce à' cette disposition conforme à l'invention des 5 chambres de combustion, on obtient un refroidissement particulièrement simple et sûr, notamment au col de la tuyère le plus exposé à la chaleur, cette méthode présentant des avantages particulièrement importants par rapport à toutes les méthodes de refroidissement connues jusqu'alors. Naturellement, il est 10 avantageux d'utiliser un matériau ayant une conductibilité élevée de la chaleur, tel que l'or, pour la fabrication de la chambre de combustion, mais l'on peut en principe utiliser également tous les matériaux usuels. Dans un autre exemple de réalisation, les buses d'injec-15 tion 6,7 sont disposées à plusieurs niveaux (figure 4), et elles injectent par paires dans le volume de combustion les composants du carburant, sans qu'il se produise des composantes axiales de vitesse, dans le même sens ou dans des sens alternativement opposés. 20 La disposition de plusieurs paires de buses à des niveaux différents du volume de combustion 12 de forme allongée présente l'avantage que, pour régler là poussée ou le débit massique, les buses d'injection disposées à différents niveaux peuvent être arrêtées ou ^ises en marche individuellement, de façon simple, 25 à l'aide de soupapes individuelles 17. La figure 5 montre un exemple de réalisation dont le volume de combustion 14 va en se rétrécissant coniquement en direction de la tuyère de détente. Les flèches montrent le circuit d'écoulement des carburants injectés. Les différents compo-30 sants du carburant sont injectés tangentiellement dans un plan proche de la paroi antérieure 3 de la chamure de combustion 14, et ils s'écoulent hélicoïdalement sous forme de film liquide ou gazeux sur la paroi interne de la partie supérieure 16 du volume de combustion, du fait de la forme particulière de ce volume de 35 combustion et de l'action de la force centrifuge ; les différents composants du carburant se mêlent intimement et réagissent complètement l'un avec l'autre avant leur sortie dé la tuyère 5, du fait de leur temps de séjour prolongé dans le volume'de combustion. On obtient ainsi un très bon rendement du iiioteur. 40 La figure 6 contre une chambre de combustion avec un COP^ BAD ORIGINAL 70 38521 5 2108969 volume de combustion 18 en forme de cône inversé et comportant des buses d'injection 6,7 disposées à différents niveaux 20, qui injectent dans le même sens, ou alternativement en sens ' opposé, les composants du carburant, tangentiellement dans la 5 chambre de combustion. Dans cette forme de réalisation également, on peut facilement régler la poussée ou le débit massique par l'ouverture ou la fermeture individuelle des buses d'injection. La figure 7 montre une chambre de combustion avec un 10 volume de combustion hémisphérique 22, dans lequel l'injection des composants du carburant s'effectue également tangentiellement dans la zone de la paroi antérieure 3 qui comporte la tuyère, et, dans ce cas également, on obtient le refroidissement conforme à l'invention. 15 La figure 8 montre une chambre de combustion dont le volume de combustion 24 est sphérique et dont l'injection s'effectue tangentiellement dans la partie antérieure de la tuyère; le refroidissement conforme à l'invention est également obtenu. Dans une autre forme de réalisation conforme à l'inven-20 tion, la chambre de combustion (figure 9) est constituée par plusieurs segments 26 en forme de tonneaux, et l'injection de carburant s'effectue egalemen^è. plusieurs niveaux 28 ; on obtient également les avantages cités en liaison avec la figure 6 d'un réglage facile de la poussée et du débit massique, et du refroi-25 dissement conforme à l'invention. La figure 10 montre une forme de réalisation'comportant une chambre de combustion 1 avec injection de carburant 6, 7 tangentielle, et une deuxième chambre de combustion 30 montée à la suite, avec également une injection tangentielle 11, 13 du car-30 burant. Dans ce cas, la tuyère 32, qui relie les chambres de combustion 1 et 30 est calculée conformément à l'invention, de telle sorte que le diamètre de la partie antérieure 3 de la première chambre de combustion 1, qui comporte la tuyère de détente 32, soit un multiple du plus petit diamètre du col 8 de 35 la tuyère. Les gaz chauds sortant de la chambre de combustion 1 reçoivent à nouveau dans la deuxième chambre de combustion 30 du carburant qui est injecté dans le volume de combustion 30 par les buses 11 et 13, et ceci dans un rapport non stoechiométrique; 40 de ce fait, les gaz chauds sortant de la première chambre de copy 70 38521 2108969 combustion 1 sont fortement refroidis. À la place du carburant supplémentaire, ou bien en supplément à ' ce dernier, on peut également injecter dans le volume de co:a oust ion 30 un produit approprié pour refroidir les gaz chauds sortant de la chambre - 5 de combustion 1. Dans- ce cas, l'injection "doit toujours avoir lieu au voisinage de la paroi 3 qui comporte la tuyère de détente 32, afin d'obtenir ainsi un refroidissement"supplémentaire du col de tuyère 8, qui est le plus fortement exposé à la chaleur; Les flèches indiquent, comme dans la figure 1, le 10 trajet de l'écoulement de la chaleur dans la zone de la tuyère de détente 32. La figure 11 montre une coupe longitudinale à travers une chambre de combustion qui va en se rétrécissant vers l'arrière, ce rétrécissement s'effectuant en gradins et chaque gradin 15 36 comportant des buses d'injection séparées 6, 7, qui peuvent être également ouvertes ou fermées individuellement, ce qui procure une large plage de réglage de la poussée ou du débit massique. Enfin, la figure 12 montre une coupe longitudinale à 20 travers un moteur-fusée conforme à l'invention dont la chambre de combustion 38 a sensiblement la forme d'une lentille et qui comporte une tuyère d'angle 40. COPY 70 38521 7 2108969 - REVENDICATIONS - 1.- Chambre de combustion de fusée pour deux ou plusieurs carburants liquides et/ou gazeux, caractérisée en ce que le diamètre de la paroi antérieure de la chambre de combustion qui comporte la tuyère est un multiple du plus petit diamètre du col 5 de la tuyère et en ce que les carburants sont injectés-tangentiellement sur la paroi interne de la chambre de combustion sans composante axiale de vitesse. 2.- Chambre de combustion de fusée selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'injection des carburants s'effectue 10 à plusieurs niveaux le long de la partie cylindrique de la paroi de la chambre de combustion. • 3.- Chambre de combustion de fusée selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'injection de carburant qui s'effectue tangentiellement à des niveaux différents s'effec- 15 tue dans le même sens. 4.- Chambre de combustion de fusée selon les Revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'injection de carburant, qui s'effectue tangentiellement à différents niveaux, s'effectue dans des sens alternativement opposés. 20 5._ Chambre de combustion de fusée selon l'une des reven dications précédentes', caractérisée en ce que l'injection de carburant s ' effectuant aux différents niveaux peui/être arrêtée ou mise en marche. 6.- Chambre de combustion de fusée selon la revendication 25 i, caractérisée en ce que la chambre de combustion se rétrécit coniqueraent en direction de la tuyère de détente. 7.- Chambre de combustion de fusée selon les revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la chambre de combustion s'élargit coniqueraent en direction de la tuyère de détente. 30 8.- Chambre de combustion de fusée selon Iles revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la chaxabre de combustion s'élargit en formant des gradins en direction de la tuyère de détente. 9.- Chaxabre de combustion de fusée selon la revendication .1, caractérisée en ce que la chambre de conbustion est hémisphé- 35 rique. 10.- Chambre de combustion de fusée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chaiibre de combustion est sphérique. 11.- Jhaubre de combustion de fusée selon les revendica 70 38521 8 2108969 tions 2 à 5, caractérisée en ce que la chambre, de combustion est constituée par plusieurs segments en'forme de tonneau et en ce que chaque segment comporte une paire de buses d'injection tangentielles. 5 12.- Chambre de combustion de fusée selon'la revendica tion 1, caractérisée en ce que le volume de combustion a sensiblement la forme d'une lentille. 13.- Chambre de combustion de fusée selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une deuxième 10 chambre de combustion est montée à la suite de la première et en ce que l'on prévoit pour chaque chambre de combustion une injection tangentielle individuelle de carburant au voisinage de la cloison de séparation entre les .deux chambres de combustion.