Brevet FR2458678A1 — publié le 19810102

La présente invention se rapporte au domaine des collecteurs d'échappement à écoulement contrôlé et elle a trait plus particulièrement à un dispositif de commande de l'écoulement de gaz d'échappement sortant d'une chambre de stabilisation servant de collecteur d'échappement commun pour plusieurs tubes de lancement de fusées. Lors de la mise à feu d'une fusée dans un tube de lancement, on doit assurer la décharge des gaz d'échappement en un endroit satisfaisant aux conditions de sécurité. Cela pose un problème particulier lorsque les fusées sont installées en dessous du pont d'un navire ou en dessous de la surface du sol. Les gaz d'échappement sont collectés et dirigés de façon à être déchargés à l'aide d'un tube ou conduit stabilisateur qui est placé en dessous de la tuyère d'échappement de la fusée et qui contrôle et canalise les gaz d'échappement jusqu'en un endroit sûr en vue de leur évacuation dans l'atmosphère. Pendant une mise à feu normale, les gaz d'échappement s'écoulent dans le tube de lancement et dans le conduit stabilisateur jusqu'à ce que la fusée sorte du tube de lancement. Les gaz d'échappement d'une fusée sont générale- ment riches en hydrogène et en oxyde de carbone. Ces gaz réagissent avec l'air se trouvant dans la chambre stabilisatrice et produisent de la chaleur par combustion et éventuellement une détonation. Il en résulte dans la chambre stabilisatrice des pressions supérieures à ce qui est souhaitable. Dans différentes structures de types connus, il est prévu des moyens pour commander et diriger l'écoulement des gaz d'échappement de fusées, tels que des portes de sécurité ou des valves qui sont manoeuvrables pour introduire les gaz d'échappement dans un collecteur associé lors de la mise à feu d'une fusée. Dans l'art antérieur, on connait également un collecteur d'échappement ouvert à ses extrémités et utilisable avec des fusées placées autrement que dans un tube de lancement pour permettre la mise à feu de cette fusée dans des conditions de sécurité par une forte réduction de la pression d'échappe- ment dans ce collecteur de grandes dimensions. On assure l'équilibrage des forces de réaction produites à l'échappement en faisant décharger les gaz simultanément dans des directions opposées. On connaît également des structures servant à diriger ou diffuser les gaz d'échappement de fusées ou d'autres projectiles dans des conditions de sécurité ou bien servant dans d'autres cas à supprimer le bruit de réacteurs. Cependant aucune de ces structures de types connus n'a permis de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, au moins de la manière revendiquée conformément à la présente invention. L'invention concerne un collecteur de gaz d'échappement de fusées permettant d'empêcher une combustion indésirable des gaz bruts d'échappement dans son volume inté- rieur, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tubes de lancement de fusées placés en ligne dans des positions adjacen- tes; une chambre stabilisatrice continue s'étendant horizonta- lement le long de la ligne de tubes de lancement et comportant des moyens permettant son raccordement avec la base de chacun des tubes de lancement; des moyens séparables pour isoler de façon étanche chaque tube de lancement, dans une zone adjacente à sa base, par rapport à la chambre stabilisatrice, lesdits moyens d'isolation étant agencés pour être ouverts lors de la mise à feu d'une fusée dans le tube associé afin d'assurer l'admission des gaz d'échappement de la fusée dans la chambre stabilisatrice et pour être fermés en vue de l'obturation étanche du tube de lancement dans toutes les autres circonstan- ces; et deux conduits verticaux d'échappement reliés respecti- vement aux extrémités opposées de la chambre stabilisatrice et dimensionnés de manière que leur section droite corresponde approximativement à celle de la chambre stabilisatrice. On peut relier les deux conduits verticaux d'échappement à la chambre stabilisatrice par l'intermédiaire de coudes de courbure uniforme. Les conduits d'échappement peuvent également être placés dans une condition d'alignement ou bien on peut les disposer le long d'une chambre stabilisa- trice incurvée. Chaque tube de lancement est pourvu d'un joint protecteur dans la zone de jonction avec la chambre stabilisa- trice. Ce joint est de préférence un mécanisme de porte rétractable et il peut être commandé pour faire en sorte que le mécanisme de porte soit fermé à tous moments sauf lors de la mise à feu de la fusée dans le tube de lancement associé. Cet agencement sert à empêcher le passage de gaz chauds,provenant d'une autre fusée, devant une fusée qui est placée dans un tube de lancement - ce qui correspond à une situation très dangereuse- ou bien dans un tube de lancement dont la fusée a été précé- demment mise à feu - ce qui correspond également à une situation indésirable. Lors de sa fermeture, la porte obture le tube de lancement de sorte que celui-ci ne peut pas emprisonner une poche d'air avec lequel les gaz d'échappement provenant d'une autre fusée pourraient se mélanger et produire une explosion. Un avantage de la structure selon l'invention consiste en ce que les gaz d'échappement qui sont entraînés dans la chambre stabilisatrice lors de la mise à feu d'une fusée se mélangent avec l'air disponible et produisent une combustion au voisinage immédiat de la masse gazeuse qui est d'abord déchargée sous l'effet d'une réaction de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone non brûlés avec l'oxygène disponible. Cependant, à mesure que les gaz d'échappement continuent à être entraînés vers la chambre stabilisatrice à partir du tube de lancement dans lequel une fusée est en train d'être mise à feu, il se forme deux fronts ou barrières de gaz qui sont respecti- vement placés de part et d'autre de la fusée mise à feu. Ces fronts gazeux se composent des gaz d'échappement qui ont été d'abord émis par la fusée dans la chambre stabilisatrice et qui ont été très rapidement mélangés à l'air disponible et brûlés jusqu'à un degré o le mélange n'a plus pu entretenir une combustion. Ces fronts gazeux entretiennent maintenant une séparation entre les gaz d'échappement continuant à être propul- sés vers la chambre stabilisatrice par la fusée mise à feu et l'air subsistant dans cette chambre et les conduits de l'installation. Du fait que ces fronts gazeux sont éloignés du tube de lancement contenant la fusée mise à feu par les gaz d'échappement supplémentaires émis par celleci, ils entraînent l'air restant dans l'installation hors de la chambre stabilisa- trice et hors des conduits de terminaison placés à ses extré- mités, tout en maintenant la séparation entre l'air et les gaz d'échappement riches en substances de combustion qui ont été ultérieurement émis. Une fois que l'air est sorti de la chambre stabilisatrice et des conduits, il n'existe plus aucun danger de détonation dans l'installation par réaction de l'hydrogène imbrûlé et d'autres produits combustibles contenus dans les gaz d'échappement. On ne considère pas comme critique la configura- tion particulière de la structure comprenant la chambre stabilisatrice-et les conduits d'échappement; cependant on doit prendre en considération certains facteurs de conception. Bien que les sections droites ne doivent pas être obligatoire- ment circulaires, toutes les parties d'angle ou coudes ont des sections incurvées avec de grands rayons pour permettre un écoulement non perturbé des gaz d'échappement vers les extré- mités de sortie-des conduits de décharge dirigés vers le haut. On doit éviter autant que possible des coins anguleux et des poches. En outre la section totale de passage des conduits d'échappement doit être relativement petite. Cette section est fonction du débit maximal envisagé pour les gaz d'échappement, tout en tenant compte du fait que l'écoulement de gaz d'échap- pement est divisé de façon plus ou moins égale entre les deux conduits. Puisqu'il est souhaitable de maintenir dans la chambre stabilisatrice une pression relativement faible qui est supérieure d'environ 15 / à la pression ambiante extérieure, on doit choisir la section droite de façon à obtenir une vitesse égale à Mach 0,5 dans des conditions de régime perma- nent. On doit réduire au minimum les discontinuités dans les conduits à section constante puisque tout volume stagnant forme une poche susceptible de provoquer l'accumulation d'un mélange combustible. Il est préférable de maintenir la section de passage des conduits d'échappement essentiellement constante ou tout au moins de faire en sorte que cette section augmente légèrement à mesure qu'on s'éloigne de la chambre stabilisa- trice. Si la section diminue trop fortement avec l'éloignement, la chambre stabilisatrice a tendance à agir comme un accumu- lateur et il se produit un plus grand mélange des gaz d'échap- pement riches en combustibles et de l'air à proximité de la fusée. Au contraire si la section de passage augmente trop rapidement avec l'éloignement, le rendement volumétrique diminue. Si on choisit une structure dans laquelle la section de passage des conduits d'échappement augmente avec l'éloigne- ment, l'agrandissement doit alors se produire au delà de la dernière des fusées d'une rangée de manière que l'air se trouvant dans la chambre stabilisatrice puisse être évacué avant qu'il ne puisse se produire un mélange important avec les gaz d'échappement. On peut également modifier la forme de la section de passage pour satisfaire à certains impératifs d'encombrement ou bien à d'autres limitations, si les considé- rations définies ci-dessus en ce qui concerne la section de passage sont observées. L'objectif principal est d'empêcher un grand volume de gaz d'échappement riches en combustibles, relative- ment stagnants et mélangés avec turbulence à l'air disponible de s'établir dans une zone comportant une sortie étranglée pour ce mélange de gaz. Si on n'empêchait pas une telle situa- tion, le mélange résultant serait susceptible de brûler et/ou d'exploser en produisant ainsi une forte augmentation de pression. La pression due à un échauffement par combustion à l'entrée peut être supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la pression stable régnant en l'absence de combustion. Des pressions de détonation peuvent atteindre de 5 à 18 atmosphères et même des valeurs supérieures. Dans un agencement particulier de la structure selon l'invention, plusieurs ( deux ou plus) fusées et tubes de lancement sont disposés en ligne au dessus d'une chambre stabilisatrice associée, orientée horizontalement, de forme tubulaire et qui s'étend sur toute la longueur de la rangée de tubes. Aux extrémités opposées de la chambre stabilisatrice, il est prévu deux conduits verticaux d'échappement qui sont reliés à la chambre par des coudes d'incurvation continue et uniforme. La section de passage de chaque conduit d'échappe- ment se rapproche de celle de la chambre stabilisatrice propre- ment dite, au moins au voisinage de la zone de jonction du conduit et de la chambre. Dans une variante de l'invention, les parois du conduit d'échappement sont légèrement inclinées de manière que la section de passage augmente graduellement depuis l'extrémité d'entrée, qui est reliée à la chambre stabilisatri- ce, jusqu'à l'extrémité de sortie éloignée de celle-ci. Dans un autre agencement particulier de la structure selon l'invention, les tubes de lancement de fusées sont disposés les uns par rapport aux autres de façon à former une configuration en fer à cheval. La chambre stabilisatrice est disposée de façon à former un collecteur continu, également en fer à cheval, en dessous des tubes de lancement. La chambre stabilisatrice s'étend en outre au delà de la partie en fer à cheval correspondant aux tubes jusqu'en des points situés en dessous des deux conduits verticaux d'échappement qui sont prévus à chaque extrémité du fer à cheval. Comme pour la disposition en ligne des tubes d'échappement qui a été décrite ci-dessus, les gaz d'échappement provenant d'une fusée mise à feu sont répartis plus ou moins également en direction des deux conduits d'échappement placés aux extrémités opposées du fer à cheval, en formant les deux fronts gazeux précédemment décrits et en entraînant le reste de l'air se trouvant dans la chambre en avant des fronts gazeux pour l'expulser par les conduits respectifs. Pendant la période de transition après le début de la mise à feu d'une fusée dans un des tubes de lancement et avant que l'air soit éjecté de l'installation, il se déroule trois phases dans le système: (1) l'air est propulsé vers l'extérieur, (2) les produits de combustion résultant de la réaction des gaz d'échappement riches en combustibles avec l'air adjacent forment les fronts ou barrières gazeux et (3) les gaz bruts d'échappement sortant encore de la fusée servent à entraîner les fronts gazeux vers l'extérieur pour les éloigner du voisinage de la fusée mise à feu, en refoulant le reste de l'air hors de la chambre stabilisatrice et des conduits d'échappement en avant d'eux. Lors de la mise à feu de fusées dans une instal- lation conforme à la présente invention, la première période de transition est terminée en un temps très court, éventuelle- ment de l'ordre de 10 à 100 millisecondes. Cependant c'est pendant cette brève période que le problème résolu par la présente invention se pose et, s'il n'était pas prévu une protection comme défini ci-dessus, les gaz bruts d'échappement produits initialement et se mélangeant avec l'air dans une chambre stabilisatrice autrement ouverte, ou bien s'accumulant dans des alvéoles et chambres de stagnation, pourraient provo- quer une explosion dangereuse. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: la fig. 1 est une vue en élévation d'un agencement particulier du collecteur de gaz d'échappement selon l'invention; la fig. 2 est une vue en élévation d'un autre agencement particulier du collecteur de gaz d'échappement selon l'invention, la fig. 3 est une vue en plan d'un agencement conforme à la présente invention et montrant certains détails des tubes de lancement de fusées; et la fig. 4 est une vue en plan montrant encore un autre agence- ment conforme à la présente invention. Sur la fig. 1, on a représenté en vue en éléva- tion schématique un collecteur de gaz d'échappement 10 agencé selon l'invention et qui comprend une chambre stabilisatrice 12 placée en dessous de, et reliée à deux tubes de lancement de fusées 14, 16. Le tube de lancement 14 contient une fusée 18 dans la condition de stockage, ce tube 14 étant obturé à son extrémité supérieure par un couvercle 20 et isolé de façon étanche à son extrémité inférieure par rapport à la chambre stabilisatrice 12 à l'aide d'un joint protecteur 22. Ce joint 22 peut notamment comprendre un mécanisme de force tel que celui revendiqué dans le brevet des Etats Unis n0 4 044 648 mentionné ci-dessus. Dans le tube de lancement 16, on a représenté une fusée 24. Cette fusée 24 est mise à feu dans la phase initiale d'une opération de lancement et ses gaz d'échappement sont dirigés vers le bas en direction de la chambre stabilisatrice 12. Le joint d'obturation, tel que 22, prévu à l'extrémité inférieure du tube de lancement 16 est ouvert et le couvercle, tel que 20, prévu à l'extrémité supérieure du tube 16 est enlevé. Deux conduits verticaux d'échappement 26, 28 sont reliés à la chambre stabilisatrice 12 respectivement à ses extrémités de gauche et de droite, par l'intermédiaire de coudes ou de tubes cintrés 30, 32. L'installation 10 représentée sur les figures est conçue pour être montée à bord d'un navire ou bien en dessous du sol, le niveau du pont d'un navire étant désigné par la ligne en trait interrompu 34. La chambre stabili- satrice 12 et les conduits d'échappement 26, 28 sont agencés de façon à former une surface intérieure continue présentant le minimum de discontinuités. Dans ce but, les coudes 30 et 32 sont pourvus d'un rayon constant. Lorsque des discontinuités sont inévitables, comme à la base des tubes de lancement 14, 16, la profondeur des chambres ainsi formées est réduite autant que possible en plaçant les joints 22 d'un tube de lancement aussi près que possible de la zone de jonction de ce tube avec la chambre stabilisatrice et en faisant en sorte que le coin 38 de cette jonction vienne rejoindre par une partie coudée, évasée ou autrement agencée, la paroi de la chambre stabilisatrice -12. Comme indiqué sur les fig. 1 et 2, les coins 38 sont uniformé- ment incurvés dans leur zone de jonction avec la chambre stabi- lisatrice 12. De cette manière, on élimine des poches de stagna- tion dans lesquelles pourrait s'accumuler un mélange combustible de gaz bruts d'échappement et d'air. On a désigné par E les gaz s'échappant de la fusée 24 située dans le tube de lancement 16 pour pénétrer dans la chambre stabilisatrice 12. Comme indiqué sur les fig. 1 et 2, la fusée 24 vient juste d'être mise à feu. Les fronts gazeux, désignés par B, se forment de part et d'autre de la masse de gaz d'échappement E et commencent à refouler l'air ( dans le sens des flèches) en avant d'eux pour le faire sortir de la chambre 12 et des conduits associés 26, 28 lorsque les gaz d'échappe- ment E se propagent dans les deux directions latérales à partir du voisinage immédiat de la fusée 24. La fig. 2 est une vue en élévation schématique montrant une variante 40 de l'agencement de la fig. 1. On a désigné des composants identiques par les mêmes références numériques. Ainsi le système 40 de la fig. 2 est identique à celui de la fig. 1 en ce qui concerne l'agencement de la fusée du tube de lancement et de la chambre stabilisatrice 12 associée. Le système 40 diffère de celui de la fig. 1 en ce que les conduits d'échappement 42 et 44, reliés respectivement aux extrémités de gauche et de droite de la chambre 12 par les coudes 30 et 32, ont un profil légèrement conique de manière que la section de passage des conduits 40, 42 augmente graduelle- ment avec la distance d'éloignement par rapport aux coudes 30, 32. Comme indiqué sur la fig. 2, les conduits d'échappement 42, 44 ont des configurations et dimensions identiques, bien que cela ne soit pas essentiel. Par exemple un de ces conduits évasés, tel que 42, peut être associé à un des conduits à section constante, tel que 28 sur la fig. 1. Cependant il est important qu'il ne se produise aucune réduction sensible de section de passage sur la longueur du conduit d'échappement pour les raisons définies ci-dessus. La fig. 3 est une vue en plan d'un système lOA agencé selon l'invention. Il est essentiellement semblable au système 10 de la fig. 1, excepté qu'il est prévu trois tubes de lancement de fusées 14, 16 au lieu de deux. Des parties de coin 38A assurent la jonction des tubes de lancement avec la chambre stabilisatrice suivant de petits angles afin d'éviter la forma- tion de poches de stagnation dans lesdites zones. Dans les deux tubes de lancement 14 de la fig. 3, les couvercles 20 sont mis - en place. Cependant, le couvercle du tube central 16 a été enlevé, de même que la fusée normalement stockée dans ce tube, et on peut voir à l'intérieur du tube de lancement 16 deux portes 46 placées à la base du tube et en outre des parties latérales 48 avec lesquelles coopèrent les portes 46 pour fermer le tube. On a donné une description plus détaillée de cette structure dans le brevet américain précité n' 4 044 648. La combinaison des portes 46 et des parties latérales 48 corres- pond à un mode particulier de réalisation du dispositif de fermeture étanche 22 visible sur les fig. 1 et 2. La fig. 4 représente en vue en plan un autre agencement particulier de la structure selon l'invention, cette figure montrant plusieurs tubes de lancement 14 semblables à ceux indiqués sur la fig. 3. Sur la fig. 4, on a représenté un système 50 qui se compose d'un plus grand nombre ( cinq dans ce cas) de tubes de lancement de fusées 14 qui sont répartis en fer à cheval, ce qui correspond à une disposition plus compacte que la disposition en ligne des fig. 1 à 3 pour le même nombre de tubes de lancement. Sur la fig. 4, on a désigné des éléments semblables par les mêmes références numériques que sur les figures précédentes. Des parties de la chambre stabili- satrice 12 qui sont situées en dessous de tubes de lancement 14 correspondants sont reliées par des parties incurvées 12B de façon à obtenir une courbe uniformément continue. Le système 50 fonctionne essentiellement de la même manière que les systèmes des fig. 1 et 2. Ainsi, lorsqu'une fusée donnée est mise à feu, par exemple celle qui est placée dans le tube de lancement le plus rapproché du conduit d'échap- pement de gauche 26, l'écoulement du gaz d'échappement est divisé à l'entrée de la chambre stabilisatrice 12 en produisant les fronts gazeux précités qui sont entraînés respectivement en direction du conduit d'échappement de gauche 26 et du conduit d'échappement de droite 28. Du fait que les distances d'éloigne- ment de ce tube 14 par rapport aux conduits d'échappement sont différentes, on peut s'attendre à ce que le front gazeux formé d'un côté atteigne le conduit d'échappement le plus proche avant que l'autre front gazeux n'atteigne l'autre conduit d'échappe- ment. En outre, du fait des différences d'éloignement, les contre-pressions respectives peuvent être légèrement différentes. Cependant les différences ne produisent pas un écart sensible de fonctionnement ou bien d'efficacité des fronts gazeux pour libérer la chambre stabilisatrice et les conduits d'échappement de l'air initialement présent dans ces volumes, de sorte qu'on empêche ainsi efficacement un mélange de l'air avec les gaz d'échappement pour produire un mélange éventuellement explosif. Bien qu'on ait décrit ci-dessus des agencements particuliers de chambres stabilisatrices et conduits d'échappe- ment de gaz de fusées à deux voies servant à supprimer les effets de combustion d'imbrûlés contenus dans les gaz d'échappe- ment, il va de soi que l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation donnés à titre d'illustration et qu'on pourra envisager d'autres modifications tout en restant dans le cadre de l'invention. 1l REVENDICATIONS 1. Collecteur de gaz d'échappement de fusées permettant d'empêcher une combustion indésirable des gaz bruts d'échappement dans son volume intérieur, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tubes de lancement de fusées placés en ligne dans des positions adjacentes; une chambre stabilisatrice continue s'étendant horizontalement le long de la ligne de tubes de lancement et comportant des moyens permettant son raccorde- ment avec la base de chacun des tubes de lancement; des moyens séparables pour isoler de façon étanche chaque tube de lancement, dans une zone adjacente à sa base, par rapport à la chambre stabilisatrice, lesdits moyens d'isolation étant agencés pour être ouverts lors de la mise à feu d'une fusée dans le tube associé afin d'assurer l'admission des gaz d'échappement de la fusée dans la chambre stabilisatrice et pour être fermés en vue de l'obturation étanche du tube de lancement dans toutes les autres circonstances; et deux conduits verticaux d'échappement reliés respectivement aux extrémités opposées de la chambre stabilisatrice et dimensionnés de manière que leur section droite corresponde approximativement à celle de la chambre stabilisatrice. 2. Collecteur de gaz d'échappement selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de liaison des extrémités inférieures des conduits d'échappement avec les extrémités correspondantes de la chambre stabilisatrice d'une manière uniforme et continue. 3. Collecteur de gaz d'échappement selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent deux coudes d'incurvation continue qui servent chacun à relier le conduit d'échappement correspondant à l'extrémité associée de la chambre stabilisatrice. 4. Collecteur de gaz d'échappement selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que chamue coude a un rayon essentiellement constant et couvre un angle d'environ 900. 5. Collecteur de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun desdits conduits a une section de passage essentielle- ment constante sur toute sa longueur. 6. Collecteur de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un des conduits d'échappement a une section de passage variable qui augmente en fonction de la distance séparant son extrémité d'entrée adjacente à la chambre stabilisatrice et son extrémité de sortie éloignée de celle-ci. 7. Collecteur de gaz d'échappement selon la reven- dications 6, caractérisé en ce que les deux conduits d'échappe- ment ont des configurations identiques, leur section de passage augmentant de l'extrémité d'entrée à l'extrémité de sortie. 8. Collecteur de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les conduits d'échappement ont, sur leur longueur, une section de passage qui n'est pas inférieure à la section de passage mini- male de la chambre stabilisatrice. 9. Collecteur de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les surfaces intérieures de la chambre stabilisatrice et des conduits d'échappement sont uniformément continues pour éliminer la formation de poches ou de passages de stagnation dans lesquels un mélange explosif de gaz d'échappement et d'air pourrait s'accumuler. 10. Collecteur de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes de lancement, la chambre stabilisatrice et les conduits d'échappement sont montés bien en dessous du pont d'un navire, les tubes de lancement et les conduits d'échappement comportant des ouvertures s'étendant vers le haut au travers du pont. 11. Collecteur de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la chambre stabilisatrice est pourvue d'une section de passage choisie de manière à établir une vitesse d'écoulement des gaz d'échappement d'environ Mach 0,5 dans des conditions de régime permanent pendant le lancement d'une fusée à partir d'un tube associé.