Brevet FR2370864A1 — publié le 19780609

La présente invention concerne un système de commande du vecteur de poussée à tuyère mobile pour un moteur à réaction dans lequel un ensemble de tuyère est fixé de façon mobile à une -chambre de combustion à l'aide d'une articulation sphérique. Afin de contrôler la direction d'un moteur à réaction, différents moyens ont été proposés pour changer la direction du vecteur de poussée produit par le moteur. Dans les systemes à tuyère fixe , ceci est réalisé en intercalant un élément de construction dans le flux des gaz d'échappement. Une autre solution prévoyait un ensemble de tuyère mobile dans lequel l'axe de la tuyère est tourné par rapport à l'axe du moteur pour produire le changement nécessaire du vecteur de poussée. Ces deux solutions ont toutes les deux certains avantages et désavantages et leur utilité dans une situation particulière quelconque dépend des exigences générales de la mission.La forme la plus simple d'un ensemble de tuyère mobile devrait être un joint sphérique dans lequel la tuyère est munie d'une partie sphérique adaptée pour être reçue dans un socle sur le boîtier du moteur. Des dispositifs de commande hydraulique ou mécanique pourraient être prévus alors pour déplacer la tuyère dans une position quelconque désirée, ce qui est connu dans l'art. Tandis que l'idée générale d'utiliser une articulation sphérique a été envisagée, voir par exemple le brevet des E.U.A. 3302885 du 7 février 1967 ou le brevet des E.U.A. 3102390 du 3 septembre 1963, cette simplicité générale d'une articulation sphérique n'a pu être atteinte en pratique. Tel qu'on peut le voir dans ces brevets d'invention, on a trouvé que les avantages d'unie articulation sphérique sont compromis par la nécessité d'une protection de l'articulation elle-meme contre l'environnement extremementstile produit par les gaz de combustion chauds. Ainsi des joints et isolations compliqués ont été nécessaires pour protéger l'interface entre les éléments mobiles de l'articulation sphérique contre cet environnement hostile pour éviter les défàillances qui ce seraient produites, si ces éléments étaient exposés aux gaz de combustion chauds. Ainsi, par exemple, la sphère et le socle de l'articulation sphérique du brevet des E.U.A. 3302885 ne forment pas des éléments de construction du joint. Par contre ils sont portés sur la structure toroïdale qui est bouchée à l'aide d'un joint contre les gaz de combustion chauds qui passent entre la tuyère et la structure recevant le socle. Similairement, la sphère et le socle du brevet des E.U.A. 3102390 glissent l'un par rapport à l'autre et fournissent un support de construction pour l'articula- tion, mais on évite que les gaz de combustion n'atteignent cette zône en utilisant un mécanisme d'étoupage compliqué. Le but de la présente invention est de fournir une articulation sphérique pour la tuyère mobile d'un moteur à réaction qui ne présente pas les ddsavantages des constructions similaires connues et qui peut fonctionner même si l'interface de l'articulation est exposé aux gaz de combustion chauds. Selon l'inventionUn/earticulation sphérique pour un moteur à réaction à tuyère mobile peut être produite dans laquelle le socle et la sphère sont directement opposés aux gaz de combustion chauds, si les constructions de la sphere et du socle sont fabriquées d'une matière choisie du groupe formé par le graphite et les composés carbone-carbone. La notion "composé carbone-carbone" utilisée ici sert à désigner une structure dans laquelle des fibres de carbone graphitées sont enfouies dans une matrice graphitée et ses matières sont disponibles auprès de différents producteurs sous plusieurs formes.Ces matières disponibles diffèrent l'une de l'autre primairement dans l'orientation des fibres dans la matrice et existent avec des orientations à deux dimensions, trois dimensions ou plus élevées, qui fournissent des produits ayant des propriétés de construction différentes Ces propriétés sont bien décrites par les producteurs. Vu les charges de compression auxquelles l'articulation selon l'invention est primairement exposée, l'orientation des fibres n'est pas critique et pour les buts de l'invention le composé carbone-carbone a une orientation quelconque des fibres dans la matrice. Le terme "graphite" comprend le graphite ordinaire, ainsi que le graphite pyrolytique. Le graphite pyrolytique a de meilleures propriétés thermiques et mécaniques et est préféré dans les modes de réalisation de l'invention exigeant ces propriétés. Le graphite ordinaire est préféré, si les frais, plutôt que la performance, sont les critères décisifs dans la construction du moteur. A part de permettre l'élimination des joints et isolatio5,qui sont normalement utilisés pour protéqer les articulations universelles contre les gaz de combustion chauds, les éléments de l'articulation universelle selon l'invention peuvent être fabriqués avec des tolérances beaucoup plus grandes que celles utilisées dans les constructions connues. Ceci est dû au fait que la matière graphitique tend à être auto-lubrifiante, et en plus, aprèsapplication d'une charge de compression, tend à coller, rendant ainsi lisse toute surface rugueuse ou surface non ronde de l'articulation. Ces matières de la technique connue tendent cependant à adhérer à des points quelconques de l'interface. Les joints universels connus exigent par exemple des tolérances de l'ordre de grandeur de 0,05 mm, les surfaces étant exactes à les l'intérieur de 0,025 mm.Pour/matières de la présente invention, les tolérances peuvent être approximativement d'un ordre de grandeur plus a.randesavec des jeux de l'ordre de grandeur de 0,5 mm, exacts à l'intérieur de 0,25 mm. La faculté de pouvoir exposer l'interface de l'articulation sphérique aux gaz de combustion pendant la durée de marche du moteur sans effet négatif n'élimine pas seulement les frais et poids élevés associés aux joints et isolations connus, mais permet aussi une fabrication avec des tolérances moins précises que celles exigées pour les joints universels conventionnels. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation préféresde l'invention représentésdans les dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'invention; et la figure 2 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention. Dans la figure 1 un mode de réalisation de l'invention est représenté. Un moteur de fusee 1 comprend un boîtier 2 .définissant une chambre de combustion 3 qui peut contenir un carburant solide granulaire 4. Dans d'autres modes de réalisation le moteur à réaction peut employer des substances de réaction liquide ou gazeuse ou une combinaison quelconque de celles-ci tel qu'il est connu dans l'art. L'extrémité arrière du moteur est munie d'une tuyère 5, qui est composée typiquement d'une partie conique d'expansion 6, d'une partie col 7 et d'une partie entre 8.Les parties d'entrée, de col et du cône d'expansion peuvent être fabriquées en une matière quelconque des matières typiques normalement utilisées dans la technique, y compris le graphite ou des composés carbone-carbone, mais cet aspect lui même ne forme pas une partie de l'invention. Tel que représenté dans la figure 1, l'ensemble de tuyère est muni d'un élément sphérique 9, qui est reçu à l'intérieur d'un espace sphérique 10 fondent qui rm/ent ensemble un joint universel permettant à l'axe de l'ensemble de tuyère d'être déplacé par rapport à l'axe de la chambre de combustion par un mouvement approprié des dispositifs de commande 11.Normalement quatre dispositifs de commande sont prévus, un dispositif de commande étant arrangé dans chacun des quatre quadrants pour permettre la rotation de la tuyère dans une l'espace position désirée quelconque. Selon l'invention/sphérique 10 et l'élément sphérique 9 formant l'articulation sphérique sont faits d'une matière choisie du groupe formé par le graphite et les composés carbone-carbone Tel qu'on peut le voir, l'interface entre la sphère 9 et le socle 10 est directement exposé aux gaz de combustion dans la chambre de combustion 3, évitant ainsi la nécessité de joints et isolations compliqués qui sont des éléments nécessaires à tous les systèmes à tuyère mobile et articulation sphérique opérationnels connus.Tel qu'on l'a dit plus haut, les tolérances de fabrication entre les éléments sphériques peuvent être substantiellement plus grandes qu'elles n'étaient requises précédemment et en plus, on a trouve qu'après mise en marche pendant laquelle la tuyère est déplacée par rapport à l'axe du moteur de fusée, toutre irrégularité des surfaces tend à roder fournissant un joint lisse étanche aux gaz sous les charges de pression reçues. Le mode de réalisation montre l'élément sphérique 9 sur la tuyère et le socle 10 sur le moteur. La figure 2 représente un autre mode de réalisation d'un moteur à réaction l'ensemble de tuyère mobile , la chambre de combustion et d'autres caractéristiques extérieures étant éliminées pour clarté. Dans ce cas le point de rotation de l'ensemble de tuyère mobile se trouve à l'arrière du col de la tuyère et dans cette géométrie il est plus facile de pourvoir l'ensemble detUfere d'un espace sphérique pour le joint universel, tout en munissant le moteur de l'élément sphérique reçu dans l'espace sphérique.Dans la figure 2 l'ensemble de tuyère mobile 15 est fixé à l'intérieur du boîtier 12 du moteur à réaction à l'aide d'un élément d'articulation sphérique sur l'extrémité arrière du boîtier 12 adapté à la partie réceptrice sphérique 19 prévue sur l'ensemble de tuyères mobiles. Les éléments d'entrée, du col et de sortie de la tuyère peuvent être faits de matière similaire à celle du mode de réalisation de la figure 1. Exemple 1 Afin de faire une démonstration du joint universel chaud selon l'invention, un moteur à réaction à tuyère mobile en marche était transformé en moteur d'essai. Le moteur utilisait une tuyère ayant un col d'un diamètre de 5,46 cm. Les éléments de l'articulation sphérique etaient fabriqués d'un composé carbone-carbone à trois dimensions fabriqué par la firme Fiber Materials, Zinc., Biddeford, Maine, E.U.A. Le diamètre sphérique de l'élément sphérique était de 9,954 cm et le diamètre sphérique de l'élément de socle était de 9,956 cm.Le moteur était mis en marche en utilisant un carburant solide conventionnel au perchrolate d'ammonium et à l'aluminium (84% de charge solide) produisant une pression maximum dans la chambre de combustion de 68,6 kg/cm absolu et une poussée de 2270 kg avec-un temps d'action total de 16 secondes Pendant le temps de marche la tuyère était déplacée d'un angle de rotation d'approximativement 7,60 exigeant un moment d'approximativement 67 x 103 cm/kg. Une 2 charge de support de la tuyère d'approximativement 239 kg/cm se manifestait pendant le fonctionnement de la tuyère, l'interface entre l'élément sphérique et l'élément socle étant exposé aux gaz de la chambre de combustion -à une température d'approximativement 22000C.Le coefficient de friction M était calculé à approximativement 0,09, ce qui indiquait que la caractéristique de friction de l'articulation sphérique chaude, si elle fonctionnait dans l'environnement chaud et les produits d'échappement potentiellement contaminants d'un moteur de fusée solide, n'était pas différente d'une maniere significative de la caractéristique de friction d'une articulation sphérique fonctionnant dans un environnement propre et sec. Après terminaison de l'essais llarticulation était désassemblée et elle ne présentait pas un endommagement remarquable des surfaces de la sphère ou du socle. Aucune fuite des gaz de combustion n'était détectée entre le joint de la sphère et du socle pendant la marche du moteur. Une telle fuite ne pouvait non plus être observee après une observation physique des parties désassemblées. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de commande du vecteur de poussée d'une tuyère mobile pour un moteur à réaction dans lequel l'ensemble de tuyère est fixe de façon mobile à une chambre de combustion à l'aide d'une articulation sphérique comprenant un élément sphérique et un socle, caractérise en ce que ledit élément sphérique et ledit socle sont formés en une matière choisie du groupe formé par le graphite et les composés carbone-carbone et que l'interface entre ledit élément sphérique et le socle est disposé de sorte à être en communication avec les gaz de combustion dans ladite chambre de combustion, de sorte que le poids et la complexité de l'élément sphérique et du socle de l'articulation peuvent être substantiellement réduits 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière est le graphite. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit graphite est du graphite pyrolytique. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière est un composé carbone-carbone.