Brevet FR2266806A1 — publié le 19751031

L'invention concerne un propulseur -fusée à flux non dérivé constitué, pour l'essentiel, par une chambre de pré combustion destinée à produire des gaz propulseurs riches en combustible ou riches en oxygène selon que l'on y introduit soit la totalité du combustible soit la totalité de 11 oxygène et seulement une partie de l'oxygène o du combustible, par deux turbines séparées mécaniquement l'une de l'autre, recevant en série par un canal les gaz propulseurs produits dans la chambre de précombustion et actionnant respectivement des pompes à ergols par l'intermédiaire de leur arbre, et par une chambre principale de combustion destinée à produire des gaz propulseurs branlés en proportion stoechiométrique pour une tuyère de poussée montée en aval, la chambre de combustion principale recevant les gaz d'échappement des turbines, dans lesquels on introduit la deuxième fraction de l'ergol qui a été brûlé dans la chambre de précombustion en mélange non stoechiométrique. Dans la construction des propulseursfusée comme dans tous les moteurs à combustion, le rapport de pression ou bien la pression préalable régnant dans la chambre de combustion est un des paramètres décisifs pour la puissance de la chambre de combustion ou du rendement en puissance du processus de combustion. Le procédé à flux non dérive se distingue avantageusement par le fait que, même dans la plage des pressions extrêmement élevées de la chambre de combustion, l'impulsion spécifique croît quand les pressions dans la chambre de combustion augmntentencore,ce qui est à l'oppo- sé de ce qui se passe avec le procédé à flux dérivé.La théorie et la pratique de la technique des fusées ont fait connaître qu'avec les propulseurs- usées à flux dérivé qui constitue encore le type due propulseur-fusée le plus employé, il existe une caractéristique de rendement propre au principe du courant dérivé qui donne le maximum pour une pression d'environ 100 atm dans la chambre de combustion, mais diminue ensuite avec des pressions dans la chambre de combustion plus élevées.Les raisons de cet inconvénient du procédé à flux dérivé résident dans le fait que pour le flux dérivé les gaz propulseurs soutirés de la chambre de combustion de la fusée ou produits dans des chambres de combustion auxiliaires à température relativement basse pour l'alimentation des turbines servant à actionner les pompes à ergols sont déjà détendus dans les turbines à une pression très en dessous de celle régnant dans la chambre de combustion principale. Ces gaz turbinés à faible température et sous faible pression ne peuvent alors titre détendus - si même la chose est possible - dans des tuyères de poussée auxiliaires qutavec un très mauvais rendement.Quand les pressions dans la chambre de combustion montent ou sont extrêmement élevées, la fraction d'ergol à dériver devient forcément plus grande en raison de la puissance croissante des pompes ou turbines et de ce fait le rendement global du propulseur s'en ressent défavorablement. Comme un propulseur-fusée à flux non dérivé ne présente pas cet inconvénient en raison du montage en série de la chambre de précombustion, des turbines pour l'entraînement des pompes à ergols et d'une chambre de combustion principale avec tuyère montée en aval, et comme ce système amène avec lui des améliorations de rendement s'étendant jusqu'aux plus hautes pressions de la chambre de combustion , le principe à flux non dérivé trouve une application toujours plus grande dans les propulseurs-fusées dont on exige des puissances spécifiques extrêmement élevées. Des propulseurs-fusées à flux non dérivé sont déjà connus dans différentes conceptions. C'est ainsi que le brevet allemand 977 815 présente un propulseurfusée à flux non dérivé fonctionnant à l'oxygène liquide et à l'hydrogène liquide et comportant deux chambres de précombustion à deux arbres, l'une des chambres de précombustion produisant des gaz propulseurs riches en oxygène et l'autre des gaz propulseurs riches en combustible qui alimentent respectivement une seule turbine avec parallélisme entre les deux écoulements, l'une des turbines actionnant la pompe à oxygène liquide, par l'intermédiaire d'un arbre central et l'autre turbine actionnant la pompe à hydrogène liquide par l'intermé diaire d'un arbre creux coaxial à l'arbre central mentionné ci n dessus.Les deux courants gazeux parallèles l'un par rapport à l'autre parviennent alors dans la chambre principale de combustion placée derrière dans la direction axiale, où ils brûlent en mélange stoechiométrique pour être ensuite éjectés à travers une tuyère placée en aval en créant une impulsion. En outre, le brevet allemand 1 626055 décrit un propulseur-fusée à flux non dérivé et à une seule chambre de précombustion produisant des gaz propulseurs riches en hydrogène qui actionnent au moins deux turbines montées en série dans le sens de l'écoulement et disposées axialement l'une derrière l'autre. Ces turbines sont séparées mécanique- ment l'une de l'autre et entraînent les pompes à ergols par l'intermédiaire respectivement d'un arbre central et un arbre creux coaxial au précédent. le courant gazeux passant à travers les turbines parvient alors après la dernière turbine dans la chambre de combustion principale dans laquelle on amène la deuxième fraction de l'oxygène de façon à réaliser dans cette chambre une combustion stoechiométrique. les deux conceptions connue précitées des propulseurs-fusées à flux non dérivé ne comportent qu'un axe principal de construction sur lequel sont situés, en un groupage axial, les pompes à ergols, les deux chambres de précombustion ou la chambre de précombustion unique, les turbines et la-chambre de combustion principale avec tuyère de poussée. I1 est bien connu que les turbines à gaz et les pompes à ergols aussi bien des propulseurs aérobies que des propulseurs-fusées anaérobies du type à flux non dérivé doivent tourner à rande vitesse pour obtenir des caractéristiques de fonctionnement raisonnables et spécifiquement favorables. En conséquence, les arbres d'entraînement de pompes tournent aussi à ces vitesses élevées. Or on sait par les études théoriques mécaniques sur les vibrations que les arbres tournant à grande vitesse ont tendance à avoir des vibrations propres lorsqu'ils sont longs et surtout lorsque le diamètre est faible par rapport à la longueur, ce qui oblige à traverser les zones de résonance dangereuses lors de la mise en vitesse des propulseurs. Pour situer, a priori, les vitesses de rotation de résonance au-dessus des vitesses de rotation de marche ou pour désamorcer le passage de ces zones de résonance, dans la mesure où celles-ci se situent encore dans les 11- mites des vitesses de rotation de marche, on exécute les arbres d'entraînement des compresseurs avec un grand diamètre, quand il s'agit de la construction des turbo-propulseurs à gaz à deux ou plusieurs arbres et avec compresseurs- haute et basse pression séparés mécaniquement l'un de l'autre. La structure des compresseurs axiaux à plusieurs étages dont le diamètre intérieur de tambour augmente d'étage en étage répond à ce type de construction.Ainsi les arbres d'entraînement de compresseurs peuvent aussi avoir une structure qui les rende insensibles aux vibrations. Cette tendance constructive antivibratoire ne peut pas autre mise en pratique ou seulement dans une faible mesure sur les propulseurs-fusées à flux non dérivé décrits plus haut avec système d'entraînement d'arbre coaxial pour les pompes à combustible avec passage à travers la chambre de précombustion, attendu que les raccordements entre les arbres et les rotors de pompes ne peuvent pas, pour des raisons constructives être exécutés avec -grand diamètre sur une grande longueur.Pour cette raison les conceptions en question des propulseurs-fusées à flux non dérivé et à deux arbres coaxiaux sont ou bien sensibles aux vibrations ou bien onéreuses en ce qui concerne les arbres de sorte qu'on perdrait à nouveau le mode de construction élancé théoriquement nécessaire du fait du grand diamètre d'arbre obligatoire dans la pratique. De plus, la chambre de précombustion doit autre exécutée sous la forme d'une chambre de combustion en couronne, car on ne peut pas utiliser l'espace central de la chambre de combustion, ce qui conduit à nouveau à un plus grand diamètre de la chambre de précombustion. La revue américaine spécialisée "Flight International, 26 aoflt 1971, pages 329 à 332" décrit par ailleurs l'engin dit "Space shuttle Main engine" de la firme Rocketdyne. Avec cet engin, on a prévu deux chambres de précombustion disposées sur deux axes principaux placés l'un à côté de l'autre en vue de la fabrication de gaz propulseurs riches en hydrogène. Axialement derrière chaque chambre de précombustion tourne l'une des turbines alimentées par les gaz propulseurs (sortant de la chambre) pour l'entraînement d'une pompe à ergols, respectivement l'hydrogène liquide ou l'oxygène liquide.A partir de chaque turbine de chambre de précombustion, un canal de gaz d'échappement ou canal d'admission conduit à la chambre de combustion principale, dans laquelle on introduit la deuxième fraction d'oxygène On a prévu donc deux canaux de gaz d'échappement de turbines qui conduisent à la chambre de combustion principale, laquelle est située avec la tuyère de poussée sur un troisième axe principal de construction. L'objet de l'invention est, par conséquent, pour un propulseur-fusée à flux non dérivé et à deux arbres et ne comportant qu'unie seule chambre de précombustion et deux turbines tournant en série relativement à l'écoulement des gaz propulseurs sortant de la chambre de précombustion et servant à l'entraînement des pompes à ergols, de réaliser un dispositif de construction plus simple, mieux disposé et moins volumineux que les modes de réalisations connus 7 tout en étant simplifiés, du point de vue de l'écoulement et insensible en ce qui concerne les problèmes de vibration des pièces tournantes, c'est-à-dire de proposer une conception qui réunisse les avantages des réalisations connues des propulseurs-fusées à flux non dérivé, mais qui permette en même temps de supprimer les difficultés mécaniques inhérentes à la rotation et de satisfaire aux exigences imposées sans mise en oeuvre de moyens constructifs importants. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que les éléments essentiels d'un propulseurfusée à flux non dérivé , à savoir ; la chambre de précombustion, les deux turbines, les deux pompes à ergols avec leurs arbres d'entraînement et la chambre de combustion principale avec tuyère de poussée sont disposés les uns derrière les autres sur deux axes principaux de construction- s'atendant l'un à c3té de l'autre à une certaine distance, et sont agencés respectivement en un groupage coaxial comportant successivement si on le regarde à partir d'un plan de référence imaginaire situé derrière le propulseur, la chambre de précombustion, la turbine haute pression et une pompe à ergol placées sur le premier axe principal de construction et la chambre de combustion principale avec tuyère de poussée, la turbine basse pression et autre pompe à ergol placées sur le deuxième axe principal de construction. Avec un tel mode de réalisation on obtient un profil favorable du trajet d'écoulement de la turbine haute pression à la turbine basse pression, si, selon une autre particularité de l'invention, la turbine haute pression et la turbine basse pression se trouvent à la même hauteur ou presque à la même hauteur en regardant à partir du plan de référence. Cette disposition des deux turbines offre, en effet, le trajet d'écoulement le plus court possible entre la turbine haute pression et la turbine basse pression lorsque, conformément à l'invention, la chambre de sortie de la turbine haute pression et la chambre d'entrée de la turbine basse pression sont, pour le passage des gaz propulseurs, reliées par un canal d'écoulement rectiligne se développant perpendiculairement aux deux axes principaux de construction. La conception du propulseur devient simple et rationnelle du point de vue constructif lorsque les deux axes principaux de construction sont, conformément à l'invention, situés dans un même plan de construction et sont parallèles l'un par rapport à l'autre. En associant selon l'invention la pompe à hydrogène liquide à la turbine haute pression, on obtient l'avantage d'une diminution de pression relativement plus im portante dans cette dernière du fait que la masse de l'hydrogène nécessaire est plus grande et que cet hydrogène est porté à une pression plus élevée que l'oxygène. Cette particularité entraîne comme autre avantage qu'on peut utiliser l'hydrogène comme fluide d'étanchéité pour les paliers d'arbre de la pompe à oxygène vis-à-vis de l'ergol "oxygène" d'une part et des gaz propulseurs riches en hydrogène , d'autre part. On empêche ainsi que l'oxygène s'échappant de la pompe à oxygène parvienne dans la chambre d'admission de la turbine remplie de gaz riches en hydrogène, ce qui pourrait avoir pour conséquence des élévations dangereuses de la température de ces gaz propulseurs et une destruction de la turbine basse pression. Dans un mode de réalisation avantageux selon l'invention, l'échappement ou sortie de la turbine haute pression et l'admission de la turbine basse pression sont réalisés sous la forme de corps de révolution et sont coaxiaux par rapport aux axes de construction respectif; . Le canal d'écoulement se trouvant entre ledit échappement de turbine et ladite admission de turbine est alors constitué par un tube cylindrique dont l'axe longitudinal coupe les deux axes principaux de construction. Le groupage conforme à l'invention des éléments principaux d'un tel propulseur-fusée est mécaniquement plus fiable que les modes de réalisation connus avec disposition coaxiale et passage d'arbres d'entraînement assez longs à travers la chambre de précombustion pour les deux pompes à ergols et apporte en plus une économie des frais de construction par rapport à l'autre réalisation connue avec deux chambres de précombustion. En plus l'agencement en "constellations" conforme à l'invention des éléments principaux entraîne un raccourcissement des canalisations des gaz propulseuns gazeux.Ces deux facteurs, une seule chambre de précombustion et des canalisations de gaz propulseurs plus courtes avec deux arbres (de transmission) disposées l'un à côté de l'autre à une certaine distance, permettent d'escompter une amélioration de rendement et une puissance massique plus favorable. L'invention sera mieux comprise à l'ai- de de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé représentant, en coupe longitudinale partielle , un propulseur-fusée à flux non dérivé. Le propulseur-fusée à flux non dérivé conforme à l'invention présente deu: axes principaux de construction À et B. Sur l'axe principal A et en regardant à partir d'un plan de référence E, on remarque, disposées coaxialement les unes derrière les autres, une chambre de précombustion } une turbine haute pression 2 et une pompe à combustible , en 1 t occurrence à hydrogène liquide. La pompe 3 est entraînée par la turbine haute pression 2 à l'aide d'un arbre relativement court 4. L'admission 5 dans la pompe a lieu en avant et axialement. Sur le deuxième axe de construction principal B et en regardant à partir du plan de référence E, on remarque également disposées coaxialement les unes derrière les autres, la chambre de combustion principale 6 avec la tuyère de poussée 7, une turbine basse pression 8 et une deuxième pompe à combustible 9 , en l'occurrence à oxygène liquide. L'admission 10 dans cette pompe 9 a aussi lieu en avant et axi alement. En aval de la turbine haute pression 2, se trouve un échappement 11 de turbine en forme de corps de révolution disposé coaxialement à l'axe principal de construction A et en amont de la turbine basse pression 8 se trouve une admission 12 de turbine en forme de corps de révolution disposée coaxialement à l'axe principal de construction B. Entre l'échappement 11 et l'admission 12 de turbine s 'étend un canal d'écoulement cylindrique droit 13 pour les gaz propulseurs dont l'axe longitudinal d coupe perpendiculairement les axes principaux de construction A et B La turbine haute pression 2 et la turbine basse pression 8, vues depuis le plan de référence E, se trouvent à peu près à la mtme hauteur h. L'hydrogène liquide pompé par la pompe 3 s'écoule dans la chambre de précombustion 1 en passant par la conduite 14 traversant la paroi de la tuyère de poussée 7 et de la chambre de combustion principale 6 en vue de leur re- froidissement. Une fraction de l'oxygène liquide est également amenée par la pompe 9 et par l'intermédiaire d'un branchement 15a dans la chambre de précombustion 1 ou s' élabore de cette manière un carburant gazeux riche en hydrogène pour les deux turbines 2 et 8 . Après la turbine basse pression 8 les gaz d'échappement s'écoulent dans la chambre principale de combustion 6 et la tête d'injection 6a reçoit la deuxième fraction de l'oxygène par un deuxième branchement 15b. C'est alors que dans la chambre de combustion principale a lieu une combustion stoeciqmétrique à des températures très élevées. RVENI > ICÀT IONS 1. Propulseur-fusée à flux non dérivé constitué pour l'essentiel par une chambre de précombustion destinée à produire des gaz propulseurs riches en combustible ou riches en oxygène selon que l'on y introduit soit la totalité du combustible soit la totalité de l'oxygène et seulement une fraction de lloxybène ou du combustible, par deux turbines séparées mécaniquement l'une de l'autre, recevant l'une après l'autre par un canal les gaz propulseurs produits dans la chambre de précombustion et actionnant par leur arbre respectif des pompes à ergols, et par une chambre de combustion principale destinée à produire des gaz propulseurs brûlés en proportion stoechiométrique pour une tuyère de poussée montée en aval, la chambre de combustion principale recevant les gaz d'échappement des turbines dans lesquels on introduit la deuxième fraction de l'ergol qui a été brûlé dans la chambre de précombustion en mélange non stoechiométrique, caractérisé par le fait que les éléments précités du propulseur sont disposés les uns derrière les autres sur deux axes principaux de construction s'étendant l'un à cEté de l'autre à une certaine distance et sont agencés respectivement en un groupage coaxial comportant successivement, si on les regarde à partir d'un plan de référence imaginaireplacé derrière le propulseur, la chambre de précombustion, la turbine haute pression et une pompe à ergol placées sur le premier axe principal de construction et la chambre de combustion principale avec tuyère de poussée, la turbine basse pression et la deuxième pompe à ergol placées sur le deuxième axe principal de construction. 2. Propulseur-fusée à flux non dérivé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que si c regarde à partir du plan de référence imaginaire la turbine haute pression et la turbine basse pression se trouvent à la même hauteur ou à peu près à la meAme hauteur. 3. Propulseur-fusée à flux non dérivé suivant les oevendicationsl et 2, caractérisé par le fait que la sortie pour les gaz d'échappement sortant de la turbine haute pression et l'admission pour les gaz propulseurs entrant dans la turbine basse pression sont, pour le passage de ces gaz propulseurs , reliées par un canal d'écoulement rectiligne perpendiculaire aux deux arbres principaux de construction. 4. Propulseur-fusée a' flux non dérivé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les deux axes principaux de construction sont situés dans un misme plan de construction et sont parallèles l'un à l'autre. 5. Propulseur-fusée à flux non dérivé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la pompe prévue sur le premier axe principal de construction débite de l'hydrogène liquide et que la pompe prévue sur le deuxième axe de construction débite de l'oxygène liquide 6. Propulseur-fusée à flux non dérivé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la sortie pour les gaz d'échappement sortant de la turbine haute pression et l'admission pour les gaz propulseurs entrant dans la turbine basse pression présentent une forme de révolution et sont coaxiales par rapport aux axes principaux de construction respectifs et que le canal d'écoulement entre la sortie de turbine et l'admission de turbine est formé par un tube droit cylindrique dont l'axe longitudinal coupe les deux axes principaux de construction. 7. Propulseur-fusee à flux non dérivé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'admission vers les pompes à ergols se trouve respectivement devant ces pompes et s'effectue axialement.