Brevet FR2312660A1 — publié le 19761224

L'invention est relative aux moteurs-fustes comportant une charge propulsive solide de forme sphérordale, c'est-à-dire une charge propulsive solide présentant, soit la forme exacte d'une sphère, soit une forme de révolution voisine de celle d'une sphère, ce qui serait le cas, notamment, de deux demi-sphères opposées par leurs plans diamétraux et raccordes par un tronçon cylindrique de même diamètre et de faible longueur, ou encore d'un ellipsolde dont le grand axe et le petit axe présenteraient des longueurs assez voisines. Et elle concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, parmi ces moteurs-fusées à charge propulsive solide sphérordale, ceux destinés à équiper, soit en tant qu'étages propulseurs (en particulier de lancement), soit en tant que dispositifs auxiliaires (en particulier des dispositifs stabilisateurs, ou de guidage, ou générateurs de couples), des engins aériens et/ou spatiaux et notamment des engins de ce genre à hautes performances. On sait qu'il y a intérêt, danse domaine technique des moteurs-fusées à charge propulsive solide, à satisfaire d'une fa çon générale (c'est-à-dire quelle que soit la forme de la charge propulsive), dans la plus grande mesure possible, un certain nombre de critères bien classiques parmi lesquels on peut citer, notamment, un indice de construction réduit, l'indice de construction étant k rapport entre la masse des structures du moteur-fusée (éléments inertes) et la masse globale dudit moteur-fusée (masse de structure + masse de la charge propulsiv4, un coefficient de remplissage élevé, en vue de réduire, pour des performances données, les dimensions du moteur-fusée, l'absence ou la réduction à unefaible valeur de "résiduels", c'est-à-dire de portions de la charge propulsive demeurant imbrûlées au stade final de fonctionnement du moteur-fusée, la simplicité de fabrication du moteur-fusée (y compris sa charge propulsiv6, la sécuritd de fonctionnement dudit moteur-fusée et, notamment, la bonne résistance mécanique de sa charge propulsive aux accélérations longitudinales et aux vibrations en période de fonctionnement, l'obtention de la neutralité (poussée constante) pour certaines applications, et une grande souplesse d'utilisation permettant au constructeur de jouer dans une gamme étendue sur la durée de combustion de la charge propulsive du moteur-fusée, par le seul choix de la nature et de la géométrie de ladite charge propulsive. Ces critères ont retenu depuis longtemps l'attention des specialistes et ils ont généralement été satisfaits dans une large proportion dans le domaine des moteurs-fusées à charge propulsive cylindrique, domaine auquel appartient la majeure partie des moteurs-fusées actuellement opérationnels. Cette réussite dans le domaine des moteurs-fusées à charge propulsive cylindrique peut s'expliquer par le fait que les problèmes geométriques posés par l'élaboration d'une charge propulsive cylindrique sont des problèmes simples relevant d'une geometrie à deux dimensions (géométrie plane) qui est suffisante pour déterminer la section transversale d'une charge propulsive cylindrique, la définition du volume de ladite charge cylindrique résultant alors d'une simple translation longitudinale de sa section transversale. De plus, la bonne tenue mécanique d'une charge propulsive cylindrique vis-à-vis des accélérations et vibrations longitudinales est relativement aisée à obtenir du fait qu'une telle charge peut être fermement maintenue entre des butées longitudinales avant et arrière capables d'encaisser efficacement les contraintes engendrées dans la charge propulsive lors du fonctionnement du moteur-fusée. Par contre, lorsqu'on passe dans le domaine des moteursfusées à charge propulsive sphéroSdale (domaine intéressant en raison des indices de construction réduits qu'il permet d'obtenir), les choses se compliquent sérieusement du fait que la conception de la charge propulsive relève alors d'une géométrie à trois dimensions (géométrie dans l'espace), le volume d'une charge propulsive à contour sphéroïdal ne pouvant evidemment être déterminé par une simple section diamétrale de ladite charge. On conçoit, dans ces conditions, que la satisfaction des critères évoqués précédemment est beaucoup plus difficile à réaliser dans le domaine des charges propulsives sphéroSdales que dans le domaine des charges propulsives cylindriques, ce qui explique ddns une large mesure le retard et la lenteur des développements actuels en matière de moteurs-fusées à charge propulsive solide sphéroidale, malgré les avantages connus inhérents à la configuration-sphérordale de leur charge propulsive. L'invention a précisément pour objet de procurer un mo- teur-fusée à charge propulsive solide sphéroRdale satisfaisant, plus complètement que ceux réalisés jusqu'à ce jour, les divers critères (rappeles ci-dessus) souhaitables d'une façon générale pour un oteur-fusée à charge propulsive solide. Le moteur-fusée à charge propulsive solide selon l'invention colporte essentiellement une enveloppe externe de forme sphé- roSdale abritant une charge propulsive solide constituée d'une seule sorte de propergol (donc dotée d'une vitesse de combustion spécifique) et présentant une cavité interne communiquant avec au moins une tuyère propulsive solidaire de la susdite enveloppe externe le susdit oteur-fusée étant caractérisé en ce que la susdite charge propulsive solide comporte essentiellement, d'une part, une portion périphérique d'épaisseur constante prédéterminée pour une tuyère donnée en fonction de la vitesse de combustion du propergol choisi et de la durée de fonctionnaient prévue pour le noteur-fusée, cette portion périphérique présentant la même forme sphéroSdale que l'enteloppe externe du moteur-fusée de façon à s'appliquer intimement par sa paroi extérieure contre la paroi intérieure de ladite enveloppe externe, et, d'autre part, une portion interne symétrique par rapport à l'axe de poussée du moteur-fusée, raccordée à la paroi intérieure de la susdite portion périphérique d'épaisseur constante et faisant saillie dans la cavité interne de la charge propulsive solide tout en respectant la communication de ladite cavite interne avec la susdite tuyère propulsive, la susdite portion interne présentant des formes et dimensions telles, compte tenu éventuellement d'une inhibition partielle de sa surface d'allumage, que la durée de combustion de cette portion interne soit approximativement au moins égale à la durée de combustion de la susdite portion périphérique d'epaisseur constante. On conçoit qu'un tel moteur-fusée à charge propulsive solide de forme sphéroïdale permettra effectivement de satisfaire dans une large mesure et simultanément les critères fon damentaux dont il a éte question précédemment. En effet, la conception de la charge propulsive en une portion périphérique sphéroidale d'épaisseur constante et en une portion interne de même composition à symétrie axiale et à même durée de combustion que ladite portion périphérique, permettra bien d'obtenir un moteur-fusée, à faible indice de construction en raison même de sa configuration sphéroidale, à coefficient de remplissage élevé en raison de l'utilisation de partie de la cavité interne de sa charge propulsive pour loger la portion interne de ladite charge, à résiduels réduits du fait que les temps de combustion respectifs de la portion periphdrique externe et de la portion interne de la charge sont approximativement au moins les mêmes, de fabrication simple en raison de la symétrie de sa-charge propulsive par rapport à son axe de poussée, symétrie autorisant la fabrication de ladite charge par coulée en deux blocs avant et arrière présentant un plan de raccordement transversal diamétral, d'un fonctionnement sûr et d'une bonne résistance aux accelerations longitudinales et aux vibrations du fait de l'implantation de la portion interne de la charge dans la portion pé périphérique de ladite charge elle même frettée en toutes directions par l'enveloppe sphéroldale du moteur-fusée, à obtention possible de la neutralité par une configuration appropriée de la portion interne de la charge propulsive en fonction de ltépaisseur prédeterminee de la portion périphérique de ladite charge, et à grande souplesse d'utilisation du fait qu'il suffit, pour faire varier la durée de combustion, de jouer sur la nature du propergol et sur la susdite épaisseur prédeterminée. On va indiquer, maintenant, un certain nombre de dispo sitiops complémentaires de l'invention auxquelles on peut avantageusement avoir recours pour la mise en oeuvre de la disposition principale explicitée précédemment. Suivant une première disposition complémentaire, relative à l'obtention de la neutralité du moteur-fusée, tenant compte du fait que la surface de combustion de la portion périphérique de la charge propulsive présente une évolution progressive, on agence la portion interne de ladite charge propulsive de façon que l'évolution de sa surface de combustion présente un caractère dégressif compensateur. Une deuxième disposition complémentaire, visant au même but (obtention de la neutralité) consiste, lorsque la géométrie de la charge propulsive laisserait subsister certains résiduels de faible importance, à remplacer les volumes locaux de propergol correspondant à ces résiduels par un matériau inerte, la présence de tels noyaux de matériau inerte de faible importance ne grèvant que de façon négligeable l'indice de construction du moteur-fusée. Suivant une troisième disposition complémentaire de l'invention, une partie au moins de la portion interne de la charge propulsive solide est constituée par une pluralité de protubérances d'épaisseur constante centrées dans des plans diamétraux et réparties en couronne et de façon régulière autour de l'axe de poussée du moteur fusée, présentant chacune une face interne regardant ledit axe de poussée et deux faces latérales parallèles raccordant cette face interne à la paroi intérieure de la portion périphérique de la charge propulsive, lesdites faces latérales parallèles étant écartées l'une de l'autre d'une distance égale au double de l'épaisseur constante de la susdite portion périphérique et la susdite face interne pouvant étire inhibée ou non suivant les nécessités de la loi de poussée recherchée. Suivant une quatrième disposition complémentaire de l'invention, la portion interne de la charge solide propulsive est constituée en partie par une colonne cylindrique d'axe confondu avec l'axe de poussée et raccordée à l'hémisphère avant de la portion périphérique de la susdite cnarge solide propulsive, ladite colonne cylindrique, dont la tranche libre peut être in vinée ou non suivant les nécessités de la loi de poussée recher chée, présentant un diamètre égal au double de l'épaisseur constante de la susdite portion périphérique. Suivant une cinquième disposition complémentaire de l'invention, une partie au moins de la portion interne de la charge propulsive solide est constituée par un disque annulaire orienté perpendiculairement à l'axe de poussée du moteur-fusée et situé au niveau du plan équatorial de la susdite cnarge, le susdit disque présentant une épaisseur constante égale au double de l'épaisseur constante de la portion périphérique de la charge propulsive solide et une perforation centrale de section suffisante pour autoriser un libre écoulement du flux gazeux engendré, lors du fonctionnement du moteur-fusée, dans la partie de la cavité interne de la charge située en avant de ce disqueainulaire d'épaisseur constante. Suivant une sixième disposition complémentaire de l'invention, épaisseur constante de la portion périphérique de la charge propulsive est comprise entre 0,20 R et 0,35 R et de préférence entre 0,25 R et 0,30 R, R étant le rayon de la susdite charge propulsive. Pour illustrer les diverses dispositions dont il vient être question, on va décrire maintenant deux modes de réalisation préférés en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels, les figures 1 et 2 représentent, respectivement en coupe axiale et en coupe transversale par un plan équatorial selon II- II figure 1, un moteur-fusée sphérique à charge propulsive solide et à une seule tuyère établi conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, les figures 3 et 4 représentent, dans les mêmes conditions que les figures 1 et 2, une variante de ce premier mode de réalisation suivant laquelle le moteur-fusée est sphérordal (tron çon intermédiaire cylindrique) et comporte deux tuyères, la figure 4 étant une coupe transversale selon IV-IV figure 3, et les figure 5 et 6 représentent, toujours dans les mêmes conditions que les figures 1 et 2, un deuxième mode de réalisation d'un moteur-fusée sphérique à charge propulsive solide et à une seule tuyère établi conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention, la figure 6 étant une coupe transversale selon VI-VI figure 5. Sur ces figures 1 à 6, les mêmes nombres de référence désignent les mêmes éléments. Le moteur-fusée représenté figures 1 et 2 comporte essentiellement une enveloppe externe sphérique 1 abritant une charge propulsive solide constituée d'une seule sorte de propergol (poudre propulsive composite classique, aluminisée par exemple et présentant une cavité interne 2 communiquant avec une tuyère propulsive 3 fixée à l'arrière de l'engin par l'intermédiaire d'un porte-tuyère 4 isolant au point de vue thermique. Cela étant et conformément à certaines dispositions de l'invention, on constitue essentiellement la susdite charge propulsive monocomposition par, d'une part, une portion périphérique sphérique Sa présentant une épaisseur constante e fonction de la durée de fonctionnement désirde, compte tenu pour une tuyère donnée de la composition du propergol qui détermine sa vitesse de combustion, d' autre part, une colonne cylindrique 5b, d'axe confondu avec l'axe de la tuyère 3, raccordée à la paroi intérieure de l'hémisphère avant de la portion périphérique 5a et présentant une- tranche arrière libre S1 qui peut être inhibée ou non, le diamètre de ladite colonne Sb étant égal à 2e et sa longueur au moins égales 2e si la tranche libre S1 n'est pas inhibée, et, d'autre part enfin, une pluralité (par exemple quatre) de protubérances 5c d'épaisseur constante 2e, centrées sur des plans diamétraux et réparties régulièrement en couronne autour de la colonne cylindrique 5b, la face interne S2 de ces protubérances 5c pouvant être inhibée ou non. De préférence, l'ensemble de la charge propulsive ainsi constituée est réalisé (par coulée) en un bloc avant et un bloc arrière raccordés suivant leur plan équatorial, les faces de raccordement desdits blocs pouvant être inhibées ou non et certaines au moins des protubérances Sc pouvant être supprimées dans le bloc arrière. A titre d'exemple, on peut signaler que, pour un moteurfusée de ce type d'un diamètre de l'ordre de 50 cm dont la charge propulsive comporte une portion périphérique Sa dune épaisseur de l'ordre de 7,5 cm, une colonne cylindrique 5b d'une longueur de l'ordre de 28 cm et quatre protubérances 5c d'une hauteur de l'ordre de 7 cm, on a obtenu un coefficient de remplissage voisin de 0,90 et, avec une pression de combustion voisine de 75 bars, des temps de combustion compris entre 5 et 20 secondes suivant la composition du propergol utilisé. Quant à la neutralité, elle est respectée sans précautions spéciales à 3 ou 4 X. Les légers résiduels apparaissant dans la portion périphérique 5a en regard des protubérances 5c peuvent etre supprimés en les remplaçant, de manière connue, par un matériau inerte. Les figures 3 et 4 représentent une variante du précédent mode de réalisation, différant de ce dernier en ce que, la forme générale du moteur-fusée est sphérordale, l'enveloppe 1 étant formée de deux calottes hémisphériques opposées par leurs plans équatoriaux et raccordées par un court tronçon cylindrique de même diamètre, l'éjection des produits de la combustion s'opère par deux tuyères 3 disposées de part et d'autre de la colonne 5b qui règne de l'avant à l'arrière de la cavité interne 3 de la charge propul sive, et deux des protubérances 5c, diamétralement opposées, sont interrompues dans la moitié arrièrè de la charge propulsive comme clairement visible figure 3. Les figures 5 et 6 représentent un autre mode de réalisation d'un moteur-fusée à charge propulsive solide sphérique conforme à l'invention, ce mode de réalisation différant de celui illustré figures 1 et 2, en ce que la portion interne de la charge propulsive est constituée par un disque annulaire 5d, d'épaisseur 2e, situé au niveau du plan équatorial de la charge et orienté perpendiculairement à l'axe de poussée du moteur-fusée. Ce disque 5d présente une perforation centrale 6 de section suffisante pour autoriser un libre écoulement du flux gazeux engendré, lors du fonctionnement du moteur-fusée, dans la partie avant, en forme de calotte sphérique, de la cavité interne 2 de la charge propulsive, la paroi latérale délimitant cette perforation 6 participant à la surface de combustion de l'ensemble de ladite charge propulsive. Une telle charge propulsive à disque annulaire équatorial 5d peut avantageusement être réalisée (par exemple par coulée avec noyau fusible) en deux parties hémisphériques avant et arrière raccordées suivant leur plan équatorial, de préférence avec interposition d'un inhibiteur rigide 7 à perforation centrale correspondant à la perforation 6 du disque annulaire 5d, cet inhibiteur améliorant la résistance de ce disque aux accélérations longitudinales, plus particulièrement en fin de combustion. Il y a lieu de noter que l'on pourrait, en vue d'éliminer le très faible résiduel subsistant au niveau du plan équatorial de la charge, remplacer l'inhibiteur 7 dont il vient d'être question au moins partiellement par une plaque métallique à perforation centrale augmentant localement la vitesse de combustion au niveau du susdit plan équatorial. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiê1; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment celles ou la portion interne de la charge propulsive sphéroldale présenterait une géométrie différente de celles représentées sur les dessins, sous réserve seulement que cette géométrie différente permette néanmoins d'obtenir, approximativement au moins, le même temps de combustion pour la portion interne et pour la portion périphérique de la charge. REVENDICATIONS 1. Moteur-fusée à charge propulsive solide comportant essentjel- lement une enveloppe externe (1) de forme sphérordale abritant une charge propulsive solide constituée d'une seule sorte de propergol (par conséquent dotée d'une vitesse de combustion spécifique) et présentant une cavité interne (2) communiquant avec au moins une tuyère propulsive (3) solidaire de la susdite enveloppe externe (1), le susdit moteur-fusée étant caractérisé en ce que la susdite charge propulsive solide comporte essentiellement, d'une part, une portion périphérique (Sa) d'épaisseur constante prédéterminée (pour une tuyère donnée) en fonction de la vitesse de combustion du propergol choisi et de la durée de fonctionnement prévue pour le moteur-fusée, cette portion périphérique (Sa) présentant la même forme sphéroïdale que l'enveloppe externe (1) du moteur-fusée de façon à s'appliquer intimement par sa paroi extérieure contre la paroi intérieure de ladite enveloppe externe (1), et, d'autre part, une portion interne (5b, 5c ou 5d) symétrique par rapport à l'axe de poussée du moteur-fusée, raccordée à la paroi intérieure de la susdite portion périphérique d'épaisseur constante (5a) et faisant saillie dans la cavité interne (2) de la charge propulsive solide tout en respectant la communication de ladite cavité interne (2) avec la susdite tuyère propulsive (3), la susdite portion interne présentant des formes et dimensions telles, compte tenu éventuellement d'une inhibition partielle de sa surface d'allumage, que la durée de combustion de cette portion interne soit approximativement au moins égale à la durée de combustion de la susdite portion périphérique d'épaisseur constante (Sa > . 2. Moteur-fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce que partie au moins de la portion interne de sa charge propulsive solide est constituée par une pluralité de protubérances (5c) d'épaisseur constante, centrées sur des plans diamétraux et réparties en couronne et de façon régulière autour de l'axe de poussée du moteur-fusée, présentant chacune une face interne (S2) regardant ledit axe de poussée et deux faces latérales parallèles raccordant cette face interne à la paroi intérieure de la portion périphérique (Sa) de la charge propulsive, lesdites faces latérales parallèles dtant écartées lune de l'autre d'une distance égale au double de l'épaisseur constante de la susdite portion périphérique C5a) et la susdite face interne (S2) pouvant être inhibée ou non suivant les nécessités de la loi de poussée recher chiée. 3. Moteur-fusée selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractéris en ce que la portion de sa charge solide propulsive est constituée en partie par une colonne cylindrique (5b) d'axe confondu avec l'axe de pousse et raccordée à lthémis- phère avant de la portion périphérique (Sa) de la susdite charge solide propulsive, ladite colonne cylindrique (Sb), dont la tranche libre (S1) peut être inhibée ou non suivant les nécessités de la loi de poussée recherchée, présentant un diamètre égal au double de l'épaisseur constante de la susdite portion périphérique (Sa). 4. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que partie au moins de la portion interne de sa charge propulsive solide est constituée par un disque annulaire (Sd) orienté perpendiculairement à l'axe de poussée du moteur-fusée et situé au niveau du plan équatorial de la susdite charge, le susdit disque présentant une épaisseur constante égale au double de l'épaisseur constante de la portion périphérique (5a) de la charge propulsive solide et une perforation centrale (6) de section suffisante pour autoriser un libre écoulement du flux gazeux engendré, lors du fonctionnement du moteur-fusée, dans la partie de la cavité interne (2) de la charge située en avant de ce disque annulaire d'épaisseur constante (sud). 5. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur constante de la portion périphérique de sa charge propulsive est comprise entre 0,20 R et 0,35 R et de préférence entre 0,25 R et 0,30 R, R étant le rayon de la susdite charge propulsive.