Brevet FR2161794A1 — publié le 19730713

L'invention est relative à des perfectionnements aux dispositifs pour amortir les fluctuations de débit et de pression dans les canalisations de transport d'ergols liquides des moteurs-fusées mettant en oeuvre au moins une phase liquide, c'est-à-dire les moteurs-fusées à ergols liquides et les moteurs-fusées hybrides. Le fonctionnement de ces moteurs est souvent affecté par le phénomène nocif connu sous le nom d'effet POGO. Ce phénomène est en général déclenché par une fluctuation de poussée qui excite les modes propres de vibration de l'ensemble de la structure à laquelle appartient le moteur, lesquelles vibrations provoquent à leur tour des oscillations de pression qui naissent dans les conduites d'alimentations en ergols et dans la chambre de combustion et dont la fréquence correspond le plus souvent au premier mode longitudinal,de ladite structure. Le foyer devient le siège de fluctuations périodiques de débit et de poussée de gaz de combustion dont les composantes en phase contribuent à augmenter l'amplitude des vibrations.Bien que les systèmes dynamiques mis en oeuvre ne soient pas linéaires, les perturbations peuvent rapidement diverger et gravement affecter le fonctionnement du moteur et le comportement de la charge utile. Etant donné la complexité et la non-linéarité des lois qui régissent l'effet POGO, il est extrêmement difficile de calculer ses conséquences et de prévoir des remèdes au stade de la conception des fusées et l'on s'est déjà ingénié à réaliser des dispositifs d'amortissement qui puissent être mis en place sur des fusées déjà réalisées sans pour autant exiger des remaniements du matériel et des modifications des performances. On a cherché avant tout à modifier les fréquences propres des dispositifs d'alimentation pour les éloigner des fréquences propres de vibrations des structures en agissant sur la pression des réservoirs ou sur la section des canalisations ou encore en branchant sur les canalisations des dispositifs amortisseurs. I1 convient, dès maintenant, sans entrer dans le détail de l'analyse des phénomènes, de rappeler que les fréquences propres d'un élément d'un système de canalisations de circulation de liquides dépendent, entre autres paramètres - d'un coefficient L dit d'inertie, caractérisé par une relation de la forme L = h dans laquelle A est l'aire de la section de la veine liquide dans l'élément considéré et h est la dénivellation ou différence d'altitude des sections terminales de l'élément.Comme les éléments de canalisations d'alimentation sont le plus souvent parallèles à l'axe longitudinal de la fusée et comme celle-ci est en général en position quasi-verticale lors du lancement, cette dénivellation peut être considérée comme égale à la longueur de l'élément considéré - d'un coefficient R dit de résistance, fonction croissante des pertes de charge dans l'élément, - d'un coefficient C dit de capacité fonction des déformations élastiques de l'ergol et des parois. Parmi les dispositifs mis en oeuvre pour éliminer l'effet POGO en agissant sur les fréquences propres de vibration des canalisations, les plus utilisés, parce que les plus simples, visent à agir sur l'un des paramètres précités - soit en accroissant l'inertie du circuit par insertion d'un élément qui allonge le parcours de l'ergol, tel par exemple le tronçon de canalisation recourbé représenté schématiquement par la figure 1 et qui est destiné à être placé à l'intérieur d'un réservoir d'alimentation. On voit que la bride de sortie I du réservoir 2 supporte par sa face interne la crosse 3 qui agit par allongement du circuit. Le liquide circule dans le sens indi qué par les flèches et s'écoule par la canalisation de sortie 4. - soit en augmentant la capacité du circuit en branchant latéralement sur une canalisation un accumulateur qui augmente le volume de liquide mis en jeu et qui absorbe les fluctuations de débit au moyen d'un dispositif à défor mation élastique soumis à la pression de l'ergol. De tels accumulateurs sont schématisés par les figures 2, 3 et 4 qui comportent tous trois une capacité annexe 5. Le dispositif à déformation élastique est constitué par une bulle 6 de gaz non condensable, ou par un piston 7 appuyé sur un ressort 8, ou encore par un soufflet élastique étanche 9. Ces dispositifs de l'art antérieur ne sont pas exempts d'inconvénients. Les éléments de canalisation recourbés ou crosses sont relativement encombrants, peu rigides et, à moins qu'on ne les renforce par des nervures extérieures augmentant l'encombrement et surtout le poids, ils peuvent être le siège de modes de vibrations supplémentaires qui nuisent à l'effet d'amortissement recherché. Quant aux accumulateurs latéraux, ils sont parfois difficiles à loger en raison du peu d'espace disponible et risquent de constituer des balourds provoquant des vibrations de flexion des canalisations. En outre, on n'est pas toujours certain, étant donné la vitesse élevée de circulation du liquide, qu'ils jouent pleinement leur rôle car, agissant transversalement par rapport à la direction de circulation, ils peuvent introduire dans l'écoulement des dissymétries gênantes. L'objet de l'invention est de fournir des dispositifs d'amortissement des genres précités qui ne présentent pas ces inconvénients et qui, en particulier, soient rigides et peu encombrants, qui agissent dans la direction même de l'écoulement, et qui présentent en outre l'avantage de permettre une grande souplesse d'optimisation par l'action combinée des parametres dont il a été question ci-avant. Le dispositif selon l'invention comporte essentiellement, interposés sur le trajet du liquide, un élément de canalisation de forme tubulaire et un élément de canalisation en forme de capuchon qui coiffe l'une des extrêmités et la paroi extérieure de l'élément tubulaire, et des moyens pour maintenir les deux éléments en une position relative telle qu'ils constituent deux passages consécutifs pour le liquide, l'un cylindrique et l'autre annulaire, dans lesquels le liquide circule dans des sens opposés. On va poursuivre la description de différents modes de réalisation de l'invention en se référant aux figures 5 à 8, dont - la figure 5 est une coupe d'une forme de réalisation de l'invention, - la figure 6 une coupe d'une autre forme de réalisation, - la figure 7 une coupe d'un accumulateur pouvant équiper les formes de réali sation précitées, - la figure 8 une coupe d'un autre accumulateur. On se réfère d'abord à la figure 5 qui représente un dispositif selon l'invention conçu pour être monté à l'intérieur d'un réservoir d'alimentation et placé en amont de la canalisation de sortie. La bride de sortie l du réservoir 2, prolongée par la tubulure d'alimentation 4, supporte par sa face interne le tronçon de tubulure 10 lui-même coiffé par le capuchon Il qui repose sur la face interne de la bride 1 par des entretoises 12 ménageant un passage entre ladite face interne et la base du capuchon. L'ergol circule dans les directions repérées par les flèches. Comme le montre la figure, les différentes pièces sont conformées pour réduire les pertes de charge lors des changements de direction. La tubulure 10 et le capuchon 11 offrent donc à l'ergol deux voies consécutives de passage, l'une cylindrique et l'autre annulaire, dans lesquelles l'ergol circule dans des sens opposés. On conçoit que le dispositif de la figure 1 peut être réalisé avec des éléments compacts, peu encombrants, extrêmement rigides et donc peu susceptibles de provoquer des modes dangereux de vibrations. La figure 6 représente un dispositif selon l'invention prévu pour être monté à la sortie d'un réservoir d'alimentation ou inséré dans une canalisation d'alimentation. Le dispositif comporte - une tubulure amont 14 prolongée par un manchon 15, - une tubulure aval 4 pénétrant dans le manchon 15, - un capuchon 11 inséré à l'intérieur du manchon 15 et coiffant la tubulure 14, - des entretoises 16 liant le capuchon il et le manchon 15. L'ergol circule dans les sens indiqués par les flèches. Le dispositif permet d'accrottre l'inertie du circuit entre les tubulures 4 et 14. Il peut aussi être monté sur la paroi externe d'un réservoir 2, représenté en pointillés, la tubulure 14 étant alors supprimée. On voit que le dispositif de la figure 6 permet d'interposer sur le trajet de l'ergol trois voies d'écoulement concentriques, l'ergol circulant dans des sens opposés dans les voies adjacentes. Ce dispositif est compact, peu encombrant, rigide et ne provoque aucun balourd latéral. L'écoulement est absolument symétrique. Mais l'invention permet en outre de combiner dans un même dispositif les actions d'une modification de l'inertie du circuit et d'une modification de sa capacité. A titre d'exemple, la figure 7 montre une coupe d'un accumulateur à soufflet qui peut être monté dans le dôme d'extrémité du capuchon 11 des dispositifs des figures 5 et 6 et qui agit sur l'écoulement d'une façon absolument symétrique, à la différence des accumulateurs latéraux de l'art antérieur tels que ceux des figures 2, 3 et 4. Le piston 17 coulisse dans l'alésage de l'ex- trémité cylindrique 110 du capuchon 11. La pression de l'ergol l'appuie contre l'une des faces du soufflet élastique 18 munie d'un téton de centrage sur le piston 17. Le soufflet est rempli de gaz sous pression par l'orifice 19 muni d'un clapet à bille 20. Il prend appui par son autre face contre la cloison 21 du dôme 22 qui se visse sur l'extrémité 110. En fonctionnement, les fluctuations de pression de l'ergol sont amorties par les déplacements du piston 17 sur lequel le soufflet 18 exerce une réaction élastique. Cette figure, ainsi que la suivante, n'est qu'une représentation schématique dans laquelle ont été supprimés certains éléments technologiques du domaine connu tels que les joints d'étanchéité. La figure 8 est une coupe d'une autre variante d'accumulateur à volume élastique qui peut coopérer avec le dispositif des figures 5 ou 6. Le dôme du capuchon 11 est lui-même surmonté d'une coiffe 23, montée par filetage, et dont la paroi interne délimite avec la paroi externe du dôme du capuchon un espace 24 rempli d'un gaz sous pression non condensable. L'espace 24 communique avec le passage de liquide délimité par le capuchon 11 et la tubulure 4 par des orifices 25 ménagés à la périphérie du capuchon. L'invention peut évidemment comporter des accumulateurs à volume élastique autres que ceux représentés par les figures 7 et 8 tels par exemple que les accumulateurs à piston et ressort du genre de celui de la figure 3. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour l'amortissement des fluctuations de débit dans les canalisations de transport d'ergols liquides de moteurs-fusées, caractérisé en ce qu'il est constitué par un élément de canalisation de forme tubulaire, par un élément de canalisation en forme de capuchon qui coiffe l'une des extrémités et la paroi extérieure de l'élément tubulaire et par des moyens pour maintenir lesdits éléments en une position relative telle qu'ils définissent deux voies consécutives de passage, l'une cylindrique et l'autre annulaire, dans lesquelles l'ergol circule dans des sens opposés. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément de canalisation en forme de manchon entourant l'élément en forme de capuchon et jointif avec l'élément tubulaire et des moyens pour maintenir ledit élément en forme de manchon et ledit élément en forme de capuchon en une position relative telle qu'ils définissent en outre une troisième voie de passage. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la paroi de l'élément en forme de capuchon comporte une partie mobile sollicitée, sur une face, par la force de pression de l'ergol et, sur l'autre face, par la contre-force d'un moyen de rappel élastique. 4 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une coiffe fixée sur l'extrémité fermée du capuchon et délimitant autour dudit capuchon une cavité contenant un gaz en communication avec ergol par des orifices traversant la paroi du capuchon.