Brevet FR2277982A1 — publié le 19760206

La présente invention a pour objet un propulseur monochambre à tuyère libre, et, plus particulièrement, un propulseur dans lequel il se produit deux régimes de combustion, l'un correspondant à la phase d'accélération et l'autre à la phase de croisière. En effet, la mission de la plupart des roquettes et/ou des engins auto-propulsés, comporte une phase d'accélération destinée à amener l'engin à une vitesse donnée à partir d'un point fixe qui est le canon ou rampe de lancement, et une phase de croisière pendant laquelle ledit engin doit étre maintenu à la vitesse donnée aussi longtemps que possible. Les solutions adoptées différant selon l'utilisation opérationnelle de l'engin et résultant d'un compromis entre les impératifs de cotit et de masse pour une mission donnée, on a cherché à concevoir des propulseurs dans lesquels la séquence des phases soit réalisée dans les conditions les plus avantageuses.C'est ainsi que l'on a été amené à abandonner les propulseurs à plusieurs étages ou à générateur de gaz, susceptibles de développer sur le culot de l'engin une contrepression dans un tube de lancement, pour s'orient vers les propulseurs comportant soit une chambre unique de combustion prolongée par une tuyère fixe, avec deux régimes de combustion différents, soit deux chambres de combustion distinctes 1 'une de 1 'autre et prolongées chacune par une tuyère fixe, la plus petite tuyère traversant la chambre de combustion comprenant l'ergol d'accélération et débouchant dans le divergent de la tuyère de plus grande section. Toutefois, ces deux solutions présentent des inconvénients. La première solution est mal adaptée à la phase croisière qui fonctionne avec un mauvais rendement dA à une section de col de tuyère trop grand et une pression de combustion trop basse vis-à-vis du haut niveau réalisé en phase d'accélération. La deuxième solution, si elle permet un meilleur rendement pendant la phase croisière, présente néanmoins l'inconvénient majeur de comporter d'une part une cloison rigide de séparation entre les deux chambres de combustion et, d'autre part, une rallonge de tuyère ce qui entrain une complication de la réalisation et un supplément de masse non largable. Compte-tenu de ces difficultés, on a proposé récemment un propulseur comportant une seule chambre de combustion dans laquelle sont disposés deux blocs d'ergol de configuration différente pour Btre aptes à assurer 3a phase d'accélération puis la phase de croisière, la chambre de combustion étant prolongée par une tuyère fixe dont le col ou le divergent sont susceptibles d'être au moins partiellement obturés afin de réduire la section de passage des gaz de combustion pendant la phase de croisière. Cette réduction de section peut autre obtenue soit par un col mobile télécommandé qui s encastre dans le col de la tuyère fixe afin de diminuer la section de passage des gaz dans le col, lesdits gaz étant ensuite canalisés par le divergent de la tuyère fixe avant d'être évacués hors du propulseur, soit par un pointeau externe mobile et télécommandé, muni de bras de support et susceptible d'autre disposé dans l'axe de la tuyère fixe de manière à réduire la section du col de la tuyère et le passage dans le divergent, les gaz circulant autour dudit pointeau.Toutefois, cela nécessite l'utilisation d'un générateur de puissance pour déplacer le col ou le pointeau mobiles et un dispositif de télécommande apte à commander ledit déplacement entre les deux phases d'acclération et de croisière, de façon que les organes mobiles soient en place dès le début, ces moyens auxiliaires alourdissant le propulseur de façon prohibitive. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités et de proposer un propulseur dans lequel le changement de col de tuyère pendant la phase de croisière a lieu sans modification sensible de poids et sans qu'il soit fait appel à des organes externes de commande. A cet effet, il est du type comportant une enceinte prolongée par une tuyère fixe et dans laquelle est disposé un ergol solide, un organe susceptible de se déplacer dans un moyen de guidage afin de réduire la section de passage des gaz de combustion dans ladite tuyère fixe, et est caractérisé en ce que l'organe mobile est constitué par une tuyère libre de plus faible section que la tuyère fixe et qui est fixe pendant la phase d'accélération, et qui est libérée sous l'effet des forces induites lors de la transition de la première phase d'accélération vers la phase de croisière. De ce fait, on constate que la tuyère libre offre le minimum de surface apparente durant la phase d'accélération et le maximum de surface apparente pendant la phase de transition entre les phases d'accélération et de croisière. De plus, elle est maintenu en place par un organe de retenue contre l'effet d'entrstnement des pressions dynamiques à l'allumage et contre l'effet inertiel de l'accélération. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la tuyère libre comporte des orifices de passage des gaz de combustion de l'ergol produisant l'accélération et en ce qu'elle comporte une partie cylindrique de centrage et une partie cylindrique de plus petit diamètre susceptible de s'engager à force dans le col de la tuyère fixe, la partie de raccordement entre lesdites parties cylindriques présentant une forme analogue au convergent de ladite tuyère fixe. Ceci permet, lorsque la tuyère libre est libérée, une translation aisée vers l'arrière et un encastrement dans la tuyère fixe en position centrée, et d'assurer le fonctionnement de la phase de croi sière à haute pression sans fuite et sans déviation de poussée. Selon une autre caractéristique, le divergent de la tuyère libre est, pour la position en butée, relativement éloigné du col de la tuyère fixe. Gracie à cette disposition, on peut réaliser la tuyère fixe avec un col métallique en raison de la brève durée de la phase d'accélération et du fait que ladite tuyère n'est plus utilisée pendant la phase de croisière. Par ailleurs, on peut ainsi avoir un rapport de section sortie divergent sur col, de la tuyère libre, adapté à la haute pression de combustion. Selon une autre caractéristique, la tuyère libre est susceptible de se déplacer dans un moyen de guidage constitué par un cylindre perforé logé à l'intérieur du bloc d'ergol d'accélération et centré entre les blocs d'ergol d'accélération et de croisière au moyen de bras s'appuyant sur la paroi interne du propulseur. Cela permet de positionner et de maintenir la tuyère libre pendant la phase accélérée, de guider la tuyère libre jusqu'à son centrage dans la tuyère fixe et de laisser passer les gaz brûlés lors de la phase d'accélération. Selon une autre caractéristique, le bloc d'ergol d'accélération présente un canal central étoilé, la surface extérieure dudit bloc étant inhibée, tandis que le bloc d'ergol de croisière est un bloc plein à combustion frontale et de meme composition que ledit bloc d'ergol d'accélération. Un avantage réside dans le fait que le bloc d'accélération ne brille radialement que par le canal central étoilé, la surface extérieure étant inhibée, tandis que le bloc d'ergol de croisière étant à combustion frontale, on est en présence d'un bloc de compacité maximale réduisant ainsi considérablement la longueur du chargement et on a une durée de combustion accrue, très favorable à une réduction de l'impulsion totale nécessaire à la phase de croisière. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront à la lecture de la description donnée ci-dessous à titre indicatif, mais non limitatif, ainsi que du dessin annexe, sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe du propulseur suivant l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe schématique du propulseur, la tuyère libre étant en position de butée. Le propulseur comporte un corps (1) métallique ou en un autre matériau approprié et dont l'intérieur constitue la chambre de combustion (2) qui est prolongée par une tuyère fixe (3), comportant un col (6) et un divergent (7). Dans la chambre de combustion (2) sont disposés deux blocs d'ergol (4) et (5). Le bloc d'ergol d'accélération (4) présente dans son axe longitudinal un canal étoilé cylindrique (12) du type connu ce qui permet, après allumage par des moyens connus en soi et non représentés, de briller radialement depuis le centre vers la périphérie, le diamètre libre du canal étant supérieur au diamètre du col (6) de la tuyère fixe (3) tandis que la longueur dudit bloc (4) étant déterminée par l'impulsion totale nécessaire à la phase d'accélération. La surface extérieure du bloc d'accélération (4) est inhibée par un inhibiteur approprié (8), une enveloppe de calage (9) étant interposée entre la paroi interne du corps (1) et le bloc d'ergol d'accélération (4).Le bloc d'ergol de croisière (5) est plein et brille de façon frontale dans la masse de façon à réduire considérablement la longueur dudit bloc (5) et d'avoir une durée de combustion accrue, très favorable à une réduction de l'impulsion totale nécessaire à la phase de croisière. De plus, les blocs d'ergol (4) et (5) sont de mEme composition, ce qui évite les moyens d'une séparation physique entre eux comme cela s'imposait dans les propulseurs de 1'art antérieur. Ainsi, notamment, sont éliminées les interférences sur les vitesses de combustion et les éjections d'imbrAlés en fin de combustion. Dans le canal du bloc d'ergol d'accélération (4) est disposé un moyen de guidage constitué par un cylindre (10) comportant des orifices (11) ménagés sur toute sa périphérie, de façon à permettre aux gaz brillés émis tout le long du canal (12) durant la combustion du bloc d'accélération (4), de traverser ledit cylindre pour Btre évacués par la tuyère fixe. Le cylindre perforé (10) est centré dans l'intervalle (13) des deux blocs d'ergol (4) et (5) par des bras (14) s'appuyant sur la paroi interne du corps (1), et présente un diamètre sensiblement égal à celui du col (6) de la tuyère fixe (3). Dans le cylindre perforé (10) est fixée une tuyère libre (15), l'organe de fixation tel qu'un pion (16) ou autre moyen équivalent étant susceptible d'entre cassé par un poussoir (17) pour libérer ladite tuyère libre. Le poussoir (17) compore une partie cylindrique (18) logée au moins en partie dans le cylindre perforé (10) de façon à btre guidé dans son déplacement et un rebord annulaire (19) logé dans l'intervalle (13) entre les blocs d'ergol (4) et (5). La tuyère libre (15) comporte à l'avant une partie cylindrique (20) de centrage dans le cylindre perforé (10) et à l'arrière une partie cylindrique (21) de diamètre plus faible et prolongée par une partie tronçonique (22) qui est susceptible de s'engager, à force, dans le col (6) de la tuyère fixe (3). Entre les deux parties cylindriques (20) et (21), la partie de raccordement (23) présente un profil géométrique identique à celui du convergent (24) de la tuyère fixe (3). La tuyère libre interne comporte, dans son profil interne, une partie convergente (25), un col (26) en graphite et un divergent (27), la position relative de la section de sortie (28) par rapport à celle (29) de la tuyère fixe (3) est déterminée par la condition du non recollement du jet des gaz sur les parois du divergent (7) de la tuyère fixe (3). Enfin, la tuyère libre (15) comporte dans sa partie cylindrique (20), des orifices (30) ménagés en regard d'orifices (lla) de plus grande section que les orifices (11) du cylindre perforé, pour le passage des gaz brûlés. Le fonctionnement du propulseur selon l'invention est le suivant Par des moyens connus en soi et non représentés, le bloc d'ergol d'accélération est allumé et brille radialement, les gaz brûlés étant évacués par la tuyère fixe (3). Durant cette première phase d'accélération, la tuyère libre (15) est maintenue en place grâce au pion de retenue (16), ainsi que le poussoir (17) par les forces qui s'exercent de droite à gauche suivant les flèches F1. Au changement de phase, soit quand le bloc d'ergol de croisière est allumé par les gaz brûlés évacués par les orifices (lla) et (20), un effet de vidange se crée et induit une force F2, dirigée de gauche à droite, sur la tuyère libre (15) et également sur le poussoir (17) qui augmente le phénomène de libération de ladite tuyère libre (15) en venant buter sur le pion (16) et casser ce dernier s'il ne l'a pas déjà été par suite des forces induites. De ce fait, la tuyère libre (15) se déplace dans le cylindre perforé (10) et vient terminer sa course dans la tuyère fixe (3) (figure 2). Ainsi, la force d'entratnement de la tuyère libre résulte de l'action des différences de pression s'exerçant entre l'amont et l'aval de la tuyère libre (15) qui s'appliquent sur la surface frontale apparente de ladite tuyère libre (15).Cette surface est déterminée en fonction de l'effort nécessaire au dépassement du seuil de retenue de la tuyère libre, lequel seuil de retenue est calculé avec un coefficient de sécurité vis-à-vis de la combinaison des efforts d'inertie sous l'accélération maximale du propulseur et des efforts d'entrainement aérodynamique de ltécoulement en phase d'accélération. La synchronisation entre le changement de régime et la mise en mouvement de la tuyère libre est assurée d'une manière directe par le phénomène physique lui-meme et la position initiale de la tuyère libre (15) dans le cylindre perforé (10) détermine la valeur de la différence de pression amont-aval et, par suite, la force d'entranement de la tuyère libre, et la vitesse d'impact à l'arrivée en butée, la position de la paroi frontale de sortie de la tuyère libre (15) par rapport à la paroi frontale de sortie de la tuyère fixe étant telle que les gaz de combustion du bloc de croisière ne viennent pas buter sur les parois du divergent de la tuyère fixe. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, mais en couvre au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1) Propulseur monochambre à tuyère libre, du type comportant une enceinte prolongée par une tuyère fixe et dans laquelle est disposé un ergol solide, un organe susceptible de se déplacer dans un moyen de guidage afin de réduire la section de passage des gaz de combustion dans ladite tuyère fixe, et caractérisé en ce que l'organe mobile est constitué par une tuyère libre de plus faible section que la tuyère fixe et qui est fixe pendant la phase d'accélération et qui est libérée sous l'effet des forces induites lors de la transition de la première phase d'accélération vers la phase de croisière. 2) Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère libre comporte des orifices de passage des gaz de combustion de l'ergol produisant l'accélération. 3) Propulseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la tuyère libre comporte une partie cylindrique de centrage et une partie cylindrique de plus petit diamètre susceptible de s'engager, à force, dans le col de la tuyère fixe, la parte de raccordement entre lesdites parties cylindriques présentant une forme analogue au convergent de ladite tuyère fixe. 4) Propulseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le divergent de la tuyère libre est, pour la position en butée, relativement éloigné du col de la tuyère fixe. 5) Propulseur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tuyère libre est susceptible de se déplacer dans un moyen de guidage constitué par un cylindre perforé logé à l'intérieur du bloc d'ergol d'accélération. 6) Propulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cylindre perforé est centré entre les blocs d'ergol d'accélération et de croisière au moyen de bras s'appuyant sur la paroi interne du propulseur. 7) Propulseur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le diamètre du cylindre perforé est sensiblement égal au diamètre du col de la tuyère fixe. 8) Propulseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que organe de libération de la tuyère libre est constitué par un poussoir logé au moins en partie dans le moyen de guidage, ledit poussoir comportant un rebord annulaire logé entre les blocs d'ergol d'accélération et de croisière. 9) Propulseur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la tuyère libre est fixée pendant la phase d'accélération au moyen d'un pion de retenue susceptible d'entre détaché sous l'impact du choc produit par le poussoir. 10) Propulseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc d'ergol d'accélération présente un canal central étoilé, la surface extérieure dudit bloc étant inhibée, tandis que le bloc d'ergol de croisière est un bloc plein à combustion frontale et de méme composition que ledit bloc d'ergol d'accélération.