Brevet FR2321600A1 — publié le 19770318

La présente invention concerne des blocs de propergol, a combustion interne, particulièrement destinés à la propulsion des fusées ou roquettes Les blocs de propergol de ce genre sont de forme cylindrique et comportent un ou plusieurs canaux parallèles à l'axe du bloc et traversant ce dernier. Ces blocs de propergol sont dits à combustion interne car ltallumage et la combustion s'effectuent à 1'intérieur de ces canaux. La surface latérale de ces canaux constitue la surface de combustion initiale du bloc. Pour les propulseurs comportant ce genre de bloc, on cherche généralement à obtenir la poussée la plus constante possible au cours de la trajectoire. Cette condition est réalisée lorsque la surface de combustion des blocs de propergol reste sensiblement constante On cherche d'autre part'à obtenir dans les blocs de propergol un taux de remplissage maximum, c'est-à-dire, un taux maximum de propergol par rapport au volume total du bloc, afin de ré- duire le plus possible l'encombrement du bloc. Il est d'autre part encore plus important, que les blocs de propergol aient un taux de résiduels de combustion aussi bas que possible. On appelle résiduel la portion du bloc qui nta pas encore brûlée au moment où la pression n'est plus suffisante pour un régime normal de fonctionnement : -il a été admis que ce point est franchi lorsque la surface de combustion a chuté au dessous de la moitié du maximum qu'elle atteint au cours de son évolution. Ces résiduels de combustion sont obtenus d'autre part lorsque l'épaisseur e de propergol appelée épaisseur de combustion a été consumée. Il est enfin particulièrement intéressant de pouvoir réaliser des blocs répondant aux conditions précitées présentant une épaisseur relative de combustion e/R variant suivant une large gamme de valeurs (e ayant la définition précitée) et R désignant le rayon du bloc cylindrique). Parmi les réalisations connues de bloc de propergol présentant en général un canal central aucune ne satisfait à la fois aux trois conditions précitées0 L présente invention vise précisément à fournir un bloc répondant ä ces conditions, Suivant 11 invention le bloc de propergol à combustion interne, de forme cylindrique, comportant plusieurs canaux parallèles à l'axe du bloc et traversant ce dernier, est caractérisé en ce que le bloc comporte au moins deux canaux symétriques par rapport à l'axe du bloc et séparés par une cloison centrée sur cet axe, dont l'épaisseur est partout au plus égale à l'épaisseur à la base, l'épaisseur relative de combustion e/R du bloc, R étant le rayon du bloc, étant comprise entre 0,11 et 0 > 32 environ. On a constaté qu'on pouvait ainsi obtenir un bloc de propergol présentant une surface de combustion sensiblement constante, un taux de remplissage élevé et un faible taux de résiduels pour des épaisseurs de combustion relative e/R comprises entre 0,11 et 0,32 environ. Le fait que les deux canaux soient symétriques par rapport à l'axe du bloc permet, en outre obtenir des poussées identiques de part et d'autre de la cloison, ce qui permet de réduire consi dérablement les contraintes de la cloison en fin de combustion. Dans une version préférée de l'invention, le bloc comprend au moins deux canaux symétriques par rapport au plan diamétral mé- diàn de la cloison centrale, la cloison étant limitée de part et d'autre par des faces sensiblement planes et le contour des canaux en section transversale â l'axe du bloc étant au moins en partie dentelé. Selon cette version, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque e/R est voisin de 0,28. Dans une autre version préférée de l'invention, la cloison du bloc est limitée de part et d'autre par deux surfaces sensible- ment cylindriques accolées suivant une génératrice commune, cons- tituant une arete de rebroussement, le contour des canaux en section transversale à l'axe du bloc comprenant un arc de cercle centré sur cet axe. Selon cette version, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque e/R est voisin de 0,25. Dans une troisième version préférée de l'invention, le bloc comporte quatre canaux symétriques par rapport au plan dia métrai médian de la cloison centrale. Dans cette réalisation la cloison centrale séparant deux des canaux du bloc est de préférence limitée par deux faces parallèles et le contour des canaux comprend avantageusement, deux arcs symétriques par rapport à un plan diamétral perpendiculaire au plan médian de la cloison, les centres de ces arcs étant situés à l'extérieur du bloc et déterminant deux cloisons d'épaisseur sensiblement constantes. Les performances optimales des blocs à 4 canaux répondant à la définition précitée sont obtenues quand e/R est égal à 0,15 environ. Dtautres particularités de l'invention apparattront encore dans la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : - la figure 1, est une vue schématique en section transversale d'un bloc de propergol conforme à l'invention, - la figure 2 représente la courbe de variation du périmètre de combustion du bloc de la figure 1, en fonction de l'épaisseur de combustion du bloc, - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1, d'un autre bloc de propergol, - la figure 4 représente la courbe de variation du périmètre de combustion du bloc de la figure 3, en fonction de l'épais- seur de combustion du bloc, - la figure 5 est une vue analogue à la figure 1, d'une troisième version de bloc de propergol, - la figure 6 représente la courbe de variation du périmètre de combustion du bloc de la figure 5, en fonction de l'épaisseur de combustion du bloc. Dans les réalisations des figures 1, 3 et 5, les blocs de propergol cylindriques conformes à l'invention, présentent en commun les caractéristiques suivantes t - ils comportent au moins deux canaux traversant le bloc, - ces canaux désignés par C1, C2 & la figure 1 C3, C4 & BR - ces canaux sont symétriques par rapport à l'axe passant par ce point 0, - deux au moins de ces canaux sont séparés par une cloison (D1 D2 ou D3) centrée sur l'axe 0, d'épaisseur égale à 2e (figure 3 et 4) ou légèrement inférieure à 2e (figure 1) et - une couronne périphérique H1, H2,-H3 d'épaisseur sensi blement égale & . Le profil de ces canaux et de ces cloisoIsest déterminé de façon å ce que la surface de combustion initiale qui correspond à la surface latérale des canaux soit voisine de la surface de combustion finale. Suivant l'invention on a constaté que cette condition pouvait eAtre réalisée lorsque l'épaisseur relative de combustion (e/R) était comprise entre 0,11 et 0,32 environ. Au-delà de ces limites, il est en effet, impossible d'obtenir un bloc de propergol répondant aux trois conditions suivantes t - surface de combustion sensiblement constante, - faible taux de résiduel et taux de remplissage élevé. De plus, pour des valeurs de e/R inférieures & à 0,11, lté- paisseur des cloisons séparant les différents canaux devient insuffisante. D'autre part pour des valeurs de e/R supérieures à 0,32, les taux de résiduels deviennent beaucoup trop importants. On va maintenant décrire de façon détaillée, les trois exemples de réalisation de blocs de propergol représentés aux figures 1, 3 et 5. Exemple I (voir figure 1) Dans cet exemple de réalisation, le bloc comporte deux canaux C1 et C2 symétriques par rapport au plan diamétral P passant par l'axe 0 du bloc. La cloison D1 séparant les deux canaux C1 et C2 est limitée de part et d'autre par des faces sensiblement planes et le contour des canaux est en partie dentelé. Dans la réalisation représentée les faces sont constituées par deux plans P3 et P4 formant entre eux un angle b inférieur & à 5 (voisin de 2,50 dans l'exemple considéré) et dont l'intersection I est située dans le plan P1 perpendiculaire au plan médian P de la cloison D1. Ce plan P1 est également un plan de symétrie pour chacun des canaux C1 et C2. La cloison D1 est ainsi rétrécie en son milieu.Ce rétrécissement permet de limiter la progressivité du périmètre de combustion et d'éviter que la cloison D1 se désagrège brusquement vers la fin de la combustion. Le contour de chacun des canaux C1 et C2 comporte 6 dents (E1, E2, E2 > E4, E5, E6) reliées les unes aux autres et ayant pour sommets S1, S2, S3, S4, S5, S6. Les sommets S2, S3, S4 et S5 de quatre d'entres elles sont situés sur un cercle (en pointillé) de rayon R-e, R étant le rayon du bloc ou de la section représentée à la figure 1, et e l'épaisseur de combustion. Les dents E1 et E 6 adjacentes à la cloison D1 ont leurs sommets S1 et S6 situés audelà du cercle précité. Cette disposition permet d'augmenter le périmètre de combustion initial du bloc et de réduire la progressivité du périmètre de combustion. Dans l'exemple décrit, les angles S1 0 S2 S2 0 S3, et S5 0 S6 désignés par a entre les différentes dents sont égaux à 270 et l'épaisseur de combustion relative e/R du bloc est égale à 0,28. La figure 2, représente la courbe de variation du périmètre de combustion Pc de ce bloc, en fonction de Itépaisseur de combustion e. On voit d'après cette courbe que le périmètre Pc est très peu progressif en fonction de e et s'écarte très peu du périmètre initial Po. Le bloc décrit en référence à la figure 1, présente encore les caractéristiques de combustion suivantes : Rapport de la section du bloc, résiduel exclu sur la section circulaire de meme diamètre (coefficient de remplissage) s 0,767. Taux de rws {iuel apporté a' la section totale du bloc 4,7 RI Rapport du illustre initial (Po) de combustion sur le périmètre final (Pf) (qui est aussi le rapport du périmètre maximum sur le périmètre minimum) = 1,077. Ces valeurs montrent par conséquent que le bloc décrit en référence à la figure 1, présente une surface de combustion très peu progressive, un taux de résiduel particulièrement faible et un coefficient de remplissage élevé. Bien entendu, on peut modifier le contour des canaux C1 et C2 en modifiant la valeur de e/R et le nombre de dents. On constate cependant que dans ce cas, les performances du bloc tendent à diminuer lorsqu'on s'écarte de la valeur e/R = 0 28. Les performances sont cependant encore acceptables lorsque e/R est compris entre 0,22 et 0,2. Exemple Il (voir figure 3) Dans cet exemple de réalisation, le bloc comporte deux ca naux C3 et C4 symétriques par rapport & à l'axe 0 du bloc. La cloi- son D2 séparant ces deux canaux C3 et C4 est limitée de chaque côté par deux surfaces cylindriques accolées suivant une génératrice commune constituant une arete de rebroussement. En section transversale, le contour de chaque canal C3 on C4 comprend 2 - un arc de cercle AB de rayon 2e et de centre C1 situé & BR ltextrémité A étant située à une distance e du contour extérieur C du bloc. - un arc de cercle BC de rayon 2e ayant pour centre le point B1 symétrique de B par rapport - & à O, le point C étant symé- trique de C1 par rapport à 0. - un arc de cercle AD de centre 0 et de rayon R-e. Les points D et C, extrémités de AD et BC sont reliés par un arc de cercle de rayon 2e > et dont le centre est symétrique de A par rapport à l'axe 0. Le contour de chaque canal C3 ou C4 comprend d'autre part une dent EFG, F et G étant situés sur l'arc AD, dirigée radialement vers ltaxe 0 du bloc. Cette dent EFG permet d'augmenter le périmètre de combustion initial du bloc, c'est-à-dire le périmètre des canaux C3 ou C4, en le rapprochant du périmètre de combustion final De part et d'autre de la dent EFG, sont situées deux encoches G de faible dimension pénétrant à l'intérieur du bloc. Les deux encoches G permettent également d'augmenter le périmètre de combustion initial et de diminuer le taux de résiduels On a représenté par des zones ponctuées S1 et S2 les rsi- duels de combustion obtenus avec ce bloc, comportant les encoches G précitées. Le résiduel S1 représenté en pointillé est le r-ési- duel obtenu en l'absence des encoches G. La surface de ce dernier est par conséquent nettement plus grande que la surface du résiduel S1. Le bloc de propergol tel que représenté & la figure 3 a une épaisseur relative de combustion égale à 0,25. La figure 4, représente la courbe de variation du périmètre de combustion Pc du bloc de lafigure 3, en fonction de ltépaisseur de combustion e. On voit d'après cette figure que le périmètre de combustion Pc du bloc s'écarte très peu du périmètre de combustion initial Po. La portion de la courbe en pointillés est relative à un bloc de même structure et de mimes dimensions mais dépourvu d'encoches G. Cette portion de courbe montre par conséquent que dans ce cas, le résiduel de combustion est plus important que lorsque les encoches G sont présentes. Le bloc décrit en référence à la figure 3, présente encore les caractéristiques de combustion suivantes s - Rapport de la section du bloc, résiduel exclu, sur la section circulaire de même diamètre (coefficient de remplissage) s 0,75. - Taux de résiduel rapporté à la section totale du bloc 4,6 %. - Rapport du périmètre final (Pf) de combustion sur le pé- rimètre initial (Po) : 1,15 (avec encoches G) 1,27 (sans encoches ) Ces valeurs montrent par conséquent que le bloc de propergol décrit en référence à la figure 3, présente une surface de combustion très peu progressive, un taux de résiduel particulière- ment faible et un coefficient de remplissage élevé. En modifiant le contour des canaux du bloc précité, on s1 écarte de la valeur 0,25 du rapport e/R. On constate que dans ce cas, les performances du bloc tendent à diminuer. Les performances du bloc sont cependant encore acceptables lorsque e/R est compris entre 0,18 et 0,29. A titre de variante, les arcs AB et BC et leurs symétriques par rapport à 0 peuvent raccordés par un arc de cercle de faible rayon (nettement inférieur à e) au lieu d'etre relié au point de rebroussement B, comme indiqué à la réalisation de la figure 3. Exemple III (voir figure 5) Dans cet exemple de réalisation, le bloc de propergol présente quatre canaux C5, C6, C7 et C8, symétriques par rapport au plan P passant par l'axe 0 du bloc. La cloison D3 séparant les deux canaux C5 et C6 est limitée par deux faces parallèles F1 et F2. Le contour des canaux C5 et C6 comprend deux arcs MN et M1N symétriques par rapport au plan diamétral P1 perpendiculaire au plan médian P de la cloison D3. Les centres I et I1 des arcs MN et M1 N sont situés à l'extérieur du bloc et l'intersection N des deux arcs MN et N1N est située sur le plan diamétral P. Dans la réalisation représentée, les centres de ces arcs sont situés sur des droites OI et OI1 formant avec le plan diamétral P un angle c voisin de 280 et les extrémités M et N de ces arcs sont situées à une distance sensiblement égale & e (épaisseur de combustion) du contour extérieur C du bloc. Les extrémités M et N des arcs MN et M1N sont reliées à la cloison diamétrale D3 par deux arcs parallèles au contour extérieur C du bloc. Le contour des deux autres canaux C7 et C8 comprend sur sa portion la plus proche du contour extérieur C, un arc de cercle W, centré sur l'axe 0 du bloc et ayant pour rayon (R-e). L'autre portion du contour des canaux C7 et C8 comporte un arc de cercle XX1 de rayon 2e centré sur le point d'intersection N des arcs MN et M1 N. Les extrémités X et X1 de cet arc XX1 sont prolongées par deux autres arcs de cercle XZ et X1Z1 centrés respectivement sur les centres I et I1 des arcs MN et M1N. Le contour des canaux C7 et C8 présente d'autre part une encoche G1 reliée à l'arc W1 par deux droites UW et U1W1 parallèles au plan médian P de la cloison D3. Les encoches G1 sont dirigées radialement vers le contour extérieur C du bloc et permettent d'augmenter le périmètre de combustion initial. La figure 6, représente la courbe de variation du périmètre de combustion Pc du bloc de la figure 5, en fonction de ltépaisseur de combustion e. Cette courbe montre que le périmètre de combustion Pc du bloc s'écarte très peu du périmètre de combustion initial Po. Le bloc de propergol de la figure 5, présente encore les caractéristiques de combustion suivantes t - Epaisseur relative de combustion (e/R) = 0,15, - Rapport de la section du bloc, résiduel exclu, sur la section circulaire de même diamètre (coefficient de remplissage) : 0,70 - Taux de résiduel rapporté à la section totale du bloc t 4,6 % - Rapport du périmètre final de combustion sur le périmètre ir.itial t '1,11 (avec encoches G1) 1,28 (sans encoches ) Ces valeurs, comme la courbe de la figure 6, montrent que le bloc de propergol de la figure 5, présente une surface de combustion très peu progressive et un taux de résiduel particulièrement faible. En modifiant le contour des canaux du bloc précité on s'écarte de la valeur 0,15 du rapport e/R. On constate que dans ce cas, les performances du bloc tendent à diminuer. Les performances du bloc sont cependant encore acceptables lorsque e/R est compris entre 0,12 et 0,18. La description des exemples précités de réalisations de blocs de propergol montre par conséquent, que lton peut réaliser des blocs presentant pour des vapeurs de e R comprises entre 0,11 et 0,32, et de préférence voisines de O,l;; 0,25 et Q,28, - une surface de combustion sensiblement constante, permettant d'obtenir une pousse pratiquement consta e au cours de la trajectoire d'un propulseur équipé de tels blocs, - un taux de remplissage (résiduel exclu) élevé (généralement supe- rieur à 0,75 %) permettant obtenir un encombrement réduit du bloc, - un taux de résiduels de combustion faible (généralement infé rieur à 5 %). Les blocs conformes à l'invention présentent encore cet avantage que le contour des canaux et des cloisons est tel qu'aucun élément n'est détaché de la couronne périphérique encours de com bustion Dans l'application prévue, & la réalisation d'un propulseur, les blocs conformes à l'invention sont fixés de préférence, contre la paroi interne du propulseur cylindrique par l'intermédiaire d'un inhibiteur de combustion, selon les techniques habituelles utilisées pour la fixation des blocs de propergol à combustion interne précédemment connus. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations qui viennent d'être décrites. On peut notamment modifier la structure et l'emplacement des encoches G ou G1. Ces dernières peuvent en particulier être ménagées sur les cloisons D1, D2 ou D3. Mais cette disposition affaiblit la solidité des cloisons. Il est par contre, doublement avantageux de ménager des trous de faible section traversant les cloisons qui séparent les canaux. Ces trous permettent en effet d'une part, d'augmenter la surface de combustion initiale du bloc, en réduisant par conséquent la progressivité de la surface de combustion et d'autre part surtout d'équilibrer les pressions des gaz de combustion entre les différents canaux de sections non identiques. REVENDIOI0NS 1. Bloc de propergol à combustion interne, de forme cylindrique, comportant plusieurs canaux parallèles à L'axe du bloc et traversant ce dernier, deux au moins de ces canaux étant symétriques l'un de l'autre pas rapport à l'axe du bloc, caractérisé en ce que ces deux canaux sont séparés par une cloison centrée sur l'axe dont llépaisseur est partout au plus égale à 1' épaisseur à la base et en ce que ces deux canaux sont symétriques par rapport au plan diamétral médian de ladite cloison centrale, l'épaisseur relative de combustion e/R du bloc, R étant le rayon du bloc, étant comprise entre 0,1t et 0,32 environ. 2. Bloc de propergol conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison est limitée de part et d'autre par des faces sensiblement planes et en ce que le contour des canaux, en section transversale à l'axe du bloc, est en partie dentelé t 3.Bloc de propergol conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la cloison est limitée de chaque caté par deux plans formant entre eux un angle inférieur à 50 et dont l'intersection est située dans un plan axial perpendiculaire au plan médian de la cloison et en ce que le contour des canaux comporte six dents dont les sommets sont situés au moins en partie sur un cercle de rayon (R-e) centré sur l'axe du bloc, ce bloc de propergol ayant une épaisseur relative de combustion e/R comprise entre 0,22 et 0,32. 4. Bloc de propergol à combustion interne, de forme cylindrique, comportant plusieurs canaux paralliles à l'axe du bloc et traversant ce dernier, deux au moins de ces canaux étant symétriques l'un de l'autre par rapport à l'axe du bloc, caractérisé en ce que ces deux canaux sont séparés par une cloison centrée sur cet axe, limitée de chaque ôté par deux surfaces cylindriques et convexes accolées suivant une génératrice commune et en ce que le contour de ces deux canaux comprend un arc de cercle centré sur l'axe du bloc, l'épaisseur relative de combustion e/R du bloc, R étant le rayon du bloc, étant comprise entre 0,11 et 0,32 environ. 5. Bloc de propergol conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le contour de chaque canal comprend a) un arc de cercle (bB) de rayon 2e et de centre (al) situé à une distance ldgèrement inférieure à (R-e), de l'axe (0) du bloc, 1' extrémité (B) étant située à une distance égale à e de l'ase (0) du bloc et l'extrémité (A) étant située à une distance e du contour extérieur du bloc) b) un arc de cercle (BO) de rayon 2e ayant pour centre un point (B1) symétrique de (B) par rapport à (0), le point (C) étant le symétrique de (1) par rapport à (0) c) un arc de cercle (dD) de centre (0) et de rayon (R-e) comportant au moins une saillie. 6. Bloc de propergol conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le contour de chaque canal comprend une dent en saillie par rapport à l'arc (AD), ce bloc ayant une épaisseur relative de combustion e/R comprise entre 0,18 et 0,29. 7. Bloc de propergol conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte quatre canaux symétriques deux à deux par rapport au plan diamétral moyen (P) de la cloison centrale. 8. Bloc de propergol conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que la cloison centrale, symétrique par rapport au plan médian (P) , est limitée par deux faces parallbles et en ce que le contour des deux canaux que cette cloison sépare comprend deux arcs (MN et X1N) symétriques par rapport au plan diamétral (P1) perpendiculaire au plan médian (P) et dont les centres sont situés à l'extérieur du bloc. 9. Bloc de propergol conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que l'intersection (N) des deux arcs (MN et NIN) est située sur le plan diamétral (P1) , les extrémités N et NI de ces arcs étant situées à une distance sensiblement égale à e du contour extérieur du bloc. 10. Bloc de propergol conforme à l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le contour des canaux ne délimitant pas la cloison centrale comprend un arc de cercle (vu1) centré sur l'axe du bloc et ayant pour rayon (R-e), et un arc de cercle (XI1) de rayon 2e centré sur le point d'intersection (N) des arcs (MN et MiN), les extrémités (x) et (X1) de cet arc étant prolongées par deux autres arcs de cercle (XZ) et (X1Z1) centrés respectivement sur les centres (I) et (II) des arcs (ME) et (M1N), ce bloc ayant une épaisseur relative de combustion e/R comprise entre 0,12 et 0,18. il. Bloc de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le contour des canaux présente, au moins une encoche pénétrant dans le bloc. 12. Bloc de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des trous traversant de part en part les cloisons constituées d'arcs de cercle.