Brevet FR2471486A1 — publié le 19810619

Dispositif pour le refroidissement de la tuyère de poussée d'un propulseur-fusée. La présente invention se rapporte à un dispositif pour le refroidissement de la tuyère de poussée d'un propulseur- fusée dont la partie arrière est refroidie par au moins un fluide liquide, en particulier un combustible liquide, qui s 'évapore à l'intérieur de la paroi de la partie arrière de la tuyère de poussée et s'écoule à l'atmosphère enproduisant une poussée (circuit de refroidissement arrière ouvert). Par le brevet allemand 23 56 572, on connaît une chambre de combustion de fusée avec tuyère de poussée, compor- tant deux circuits de refroidissement indépendants l'un de l'autre, à savoir un circuit de refroidissement avant par régénération associé à la partie avant de la tuyère de poussée ainsi qu'à la chambre de combustion, et conduisant à la tête d'injection, et un circuit de refroidissement s'écoulant dans la partie arrière de la tuyère de poussée, ouvert à l'extrémité de cette dernière et d'un débit très faible par rapport au circuit de refroidissement par régénération, débit qui s'éva- pore à l'intérieur de la paroi arrière de la tuyère et s'écoule à l'atmosphère en produisant une poussée. D.ans les chambres de combustion des fusées avec tuyères de poussée, il est en outre connu de protéger le col et la partie arrière de la tuyère non seulement par un refroi- dissement par régénération de la paroi, mais aussi par un refroidissement par film appliqué sur la face intérieure de la paroi de la tuyère (brevet américain 3 605 412). Une comparaison des deux possibilités de refroidissement qui viennent d'être décrites montrent qu'aussi bien le pur refroidissement interne que le refroidissement par film ou voile externe comporte leurs avantages et leurs inconvénients. Ainsi, par exemple le refroidissement interne entraîne de lourdes structures de la tuyère attendu que celle-ci doit être réalisée à double parois avec support réciproque de la paroi interne et de la paroi externe ou doit se composer de petits tubes individuels placés les uns à côté des autres. Par ailleurs, les parties arrière de la tuyère de poussée prévues pour le refroidissement interne sont très onéreuses du fait de leur construction compliquée, étant donné que, comme déjà indiqué, elles sont constituées de différents petits tubes coûteux en soi et dont le raccordement réciprique exige l'exécution d'un travail manuel très minutieux. Bien que par le refroidis- sement interne, on obtienne un haut degré de refroidissement par suite de l'évaporation consommant de grandes quantités de chaleur, ce type de refroidissement est lié à une grande perte du point de vue de la technique des impulsions, attendu que la quantité de fluide interne ne participe pas à la réaction avec sa génération d'impulsions spécifique élevée. L'avantage du refroidissement par film réside dans le fait qu'il implique une structure légère des tuyères, mais ce type de refroidissement nécessite une grande quantité de fluide ou de combustible du fait que le taux de mélange entre le voile et l'écoulement extrêmement chaud radialement voisin dans la tuyère de poussée est très grand, si bien que du réfrigérant est perdu en permanence. En pareil cas, on n'a pas toujours la garantie que le réfrigérant se mélangeant participe également à la réaction étant donné que la zone externe radiale de l'écoulement dans la tuyère de poussée est enrichie de la composante de refroidissement. Cette perte de réaction entraîne à son tour une perte de puissance. Si on utilise un réfrigérant inerte, il en résulte une diminution de l'impulsion spécifique. Ainsi, les procédés de refroidissement qui viennent d'être décrits malgré certains avantages sont assortis d'incon- vénients non négligeables qui, lors du refroidissement interne, se répercutent et entraînent une limitation fonctionnelle,étant donné qu'une augmentation de la vitesse de l'écoulement à l'intérieur des canaux de refroidissement n'est plus possible à cause des pertes de charges élevées qui interviennent et de l'accroissement de la vitesse atteignant la vitesse sonique. La présente invention a par conséquent pour objet de réaliser un système de refroidissement qui, tout en conservant les avantages des types de refroidissement connus, évitent leurs inconvénients, c'est-à-dire dans lequel pour un meilleur refroidissement et pour une construction relativement moins compliquée et moins lourde, on obtienne de faibles pertes d' impulsions. Avec un dispositif pour le refroidissement de la tuyère de poussée du type précité, ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que la partie arrière de la tuyère de poussée est en outre protégée par un refroidissement par film appliqué sur la face intérieure de la paroi interne de la tuyère de poussée. Selon une particularité avantageuse de l'invention, sur la face intérieure de la paroi de la partie arrière de la tuyère de poussée, on prévoit pour le réfrigérant plusieurs rangées d'ouvertures de sortie qui sont disposées à distance les unes derrière les autres et raccordées au circuit de re- froidissement arrière ouvert. Dans le cadre de l'invention, en plus d'un refroidis- sement de base sous la forme d'un refroidissement interne, on utilise un refroidissement par film dérivé du premier et qui, grâce aux nombreuses alimentations situées les unes derrière les autres dans le sens axial, possède une action de refroidis- sement accrue par suite de l'alimentation étagée, attendu que les tronçons de mélange se raccourcissent pour les différentes quantités de réfrigérant ainsi amenées. Si, selon une autre caractéristique de l'invention, dans la zone des différentes rangées des ouvertures de sortie pour le refroidissement par film, on dispose à l'extérieur de la paroi de la partie arrière de la tuyère de poussée des bagues d'amenée pour l'alimentation du circuit de refroidissement ouvert arrière, non seulement le circuit de refroidissement interne ouvert, mais aussi le circuit de refroidissement par film ouvert, sont renouvelés par étage de sorte que les conditions d'écoulement sont améliorées dans le circuit de refroidissement interne et que le circuit de refroidissement par film est régénéré et largement intensifié. Cette action se trouve encore accrue si, selon l'invention, ces bagues d'amenée, vues dans le sens de l'écoulement, sont en outre situées à chaque fois juste derrière les différentes rangées des ouvertures de sortie. Avec une telle amenée en effet, la quantité s'échappant versl'intérieur à partir du circuit de refroidissement interne pour le refroi- dissement par film est remplacée par un réfrigérant frais venant de l'extérieur, ai bien que pour le circuit de refroi- dissement interne, on obtient une continuité, sans perte, de l'écoulement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription de deux modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé qui représente des coupes longitudinales de la chambre de combustion et de la tuyère de poussée d'un propulseur-fusée. Comme on peut le voir sur la figure 1, la chambre de combustion 1 et] apartie avant 2a de la tuyère de poussée 2 sont refroidies par régénération et le fluide utilisé ici pour le refroidissement, enparticulier de l'hydrogène liquide, parvient à la tête d'injection et est injecté dans la chambre de combustion 1. Une petite quantité partielle de l'hydrogène liquide forme àl'intérieur de la paroi de la partie arrière 2b de la tuyère de poussée un circuit de refroidissement arrière ouvert, refroidissement dit interne, dans lequel le réfrigérant absorbe de la chaleur, s'évapore à l'intérieur de la paroi de la partie 2b de la tuyère de poussée et s'écoule à l'atmosphère, en produisant une poussée, à l'ex- trémité arrière par des tuyères de poussée si on utilise une construction à petits tubes ou par une tuyère annulaire 3 en cas d'exécution à double parois. Sur la paroi intérieure 4a de la partie arrière 2b de la tuyère de poussée sont prévues plusieurs rangées d'ouver- tures de sortie 5 placées les unes derrière les autres dans le sens de l'écoulement et par lesquelles une partie du réfrigérant s'écoulant à l'intérieur de la paroi de la partie arrière 2b de la tuyère de poussée sort en formant un voile de refroidis- sement le long de la paroi interne 4a. En pareil cas, la quantité de réfrigérant prélevée pour former le voile ou film de refroidissement F est calculée de façon que d'une part la quantité de réfrigérant subistant à l'intérieur de la paroi de la partie arrière 2b de la tuyère (refroidissement interne) n'atteigne pas des vitesses d'écoulement dangereusement élevées et d'autre part, qu'un film de refroidissement suffisant soit garanti d'une rangée à l'autre des ouvertures 5. On assure ainsi en outre un mélange intime de refroidissement par voile 2 4 7 1 486 étagé avec l'écoulement du gaz (écoulement de poussée). On obtient de la sorte avec un minimum de moyens techniques de refroidissement, une puissance de refroidissement maximale et une rentabilité optimale pour l'ensemble du processus. Dans le mode de réalisation selon la figure 1, l'alimentation du circuit réfrigérant ouvert vers l'arrière ne s'effectue que par une bague d'alimentation 6. Sur la figure 2, plusieurs bagues d'alimentation 6, 6a,6b,... placées les unes derrière les autres dans le sens de l'écoulement, sont prévues sur la paroi externe 4b de la partie arrière 2b de la tuyère de poussée et ce, respectivement à faible distance derrière les rangées d'ouvertures de sortie 5. L'échauffement et par conséquent la vitesse d'écoulement du circuit interne ouvert sont maintenus dans des limites favorables grâce à l'amenée étagée du fluide de refroidissement frais et le refroidissement par film F est optimisé par suite de la division en tronçons et de l'alimentation avec des quantités de réfrigérants frais. L'emploi d'hydrogène liquide comme réfrigérant s'est révélé particulièrement avantageux du fait de son faible poids moléculaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le refroidissement de la tuyère de poussée d'un propulseur-fusée dont la partie arrière est refroidie par au moins un fluide liquide, en particulier un combustible liquide tel que l'hydrogène, qui s'évapore à l'intérieur de la paroi de la partie arrière de la tuyère de poussée et s'écoule à l'atmosphère en produisant une poussée (circuit de refroidissement ouvert arrière), carac- térisé par le fait que la partie arrière (2b) de la tuyère de poussée est en plus protégée par un refroidissement par film (F) appliqué sur la face intérieure de la paroi interne (4a) de la tuyère de poussée. 2. Dispositif-selon la revendication 1, caractérisé par le fait que sur la face intérieure de la paroi interne (4a) de la partie arrière (2b) de la tuyère de poussée, on prévoit pour le fluide réfrigérant plusieurs rangées d'ouvertures de sortie (5) disposées à distance les unes derrière les autres et raccordées au circuit de refroidissement ouvert arrière par lequel elles sont alimentées. 3. Dispositif selon les revendications 1 et- 2, carac- térisé par le fait que dans la zone des différentes rangées d'ouvertures de sortie (5) pour le film de refroidissement (F), des bagues d'alimentation (6, 6a,6b...)pour l'alimentation du circuit de refroidissement ouvert arrière, sont disposées à l'extérieur sur la paroi externe (4b) de la partie arrière (2b) de la tuyère de poussée. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les bagues d'alimentation (6,6a,6b...) vues dans le sens de l'écoulement, sont respectivement placées juste derrière les différentes rangées des ouvertures de sortie (5) pour le film de refroidissement (F).