Brevet FR2482667A1 — publié le 19811120

La présente invention concerne des ensembles de propulsion pour fusées ou roquettes et plus précisément des ensembles à liquide. On a appliqué la technologie actuelle des ensembles de propulsion à liquide à des engins balistiques de portée intermédiaire, et ils présentent des avantages par rapport aux ensembles à propergol solide à la fois sur la portée, les performances et le poids. La conception d'ensembles par- ticuliers repose sur une optimisation de données paramé- triques et de nouveaux résultats technologiques obtenus pour les ensembles pour engins balistiques tirés au sol ou en l'air. On a étudié les ensembles à propergol liquide ali- mentéssous pression et par pompage, pour diverses combinai- sons de propergols,pour diverses charges utiles, pour diver- ses contraintes de lancement et pour diverses portées des engins. Les ensembles alimentés par pompage sont plus lé- gers et ont des caractéristiques meilleures que les ensem- bles équivalents à moteur à matière solide, à la fois pour les engins tirés du sol et en l'air. Les ensembles alimen- tés par pompage sont aussi plus petits et ont de meilleures caractéristiques, pour une même portée et les mêmes critères de charge utile, que les engins comparables alimentés sous pression. On a déterminé qu'on pouvait utiliser à la fois une structure plus légère de réservoir et un moteur fusée plus léger avec un ensemble à liquide transmis par pompage, avec une amélioration des caractéristiques de transport de propergol obtenues par un meilleur conditionnement dans la limite du poids brut de l'engin, dans le cas des ensembles alimentés par pompage. Des conclusions préliminaires mon- trent que l'engin de base a deux étages, comportant des pom- pes optimisées pour chaque étage, et l'engin à un seul étage ayant des propergols donnant une énergie accrue per- mettent tous deux d'atteindre la portée maximale, pour la charge utile indiquée. On a aussi évalué les contraintes dues au lanceur, la souplesse de l'engin, les coûts d'un cycle d'utilisation, les propriétés de maintien en condi- tion et les risques technologiques. On a aussi effectué des études sur les interactions des ensembles de propulsion à propergolsliquide et gélifié, des engins mixtes (solide- liquide), des ensembles de pressurisation, de la configura- tion et de la structure des réservoirs, des turbopompes et des ensembles d'entraînement à turbine. On a conclu que l'ensemble de propulsion à liquide alimenté par pompage constituait un principe utilisable pour la réalisation d'engins balistiques à portée intermédiaire et de faible coûit. Ainsi, l'invention concerne un ensemble de pro- pulsion à fusée à liquide pour engin lancé à partir du sol ou en l'air, ayant des possibilités de manoeuvre ou une portée maximales. Les possibilités de manoeuvre et la por- tée de l'engin sont fonction de l'ensemble propulseur, de la traînée de l'engin et du poids de propergol. L'invention possède des caractéristiques originales qui permettent une augmentation du volume disponible pour le propergol, par regroupement du réservoir autour de la structure du moteur auquel il se conforme, si bien que la longueur de l'engin est réduite.De cette manière, la portée et/ou les possibi- lités de manoeuvre sont accrues, ces caractéristiques con- venant aussi bien aux ensembles de propulsion alimentés par pompage que sous pression. L'ensemble de propulsion à liquide selon l'inven- tion comporte un module formant réservoir de propergol qui contient le propergol et le transmet, et un module de pous- sée qui assure la circulation du propergol vers le moteur, le réglage du débit, ainsi que le réglage de la combustion et de la poussée. Les caractéristiques de cet ensemble de propulsion peuvent comprendre des éléments tels que des cloisons avant et arrière du réservoir de forme particu- lière, permettant le logement du moteur à l'intérieur du réservoir, l'utilisation de turbopompes de petit diamètre, l'utilisation d'un tube de réaction de poussée articulé dans toutes les directions, le regroupement du support du réservoir et de sa pressurisation, et l'absence d'utilisa- tion de canalisations et de câbles extérieurs. Les modules sont indépendants pendant la fabrication mais ils peuvent être facilement couplés dans la fusée finale afin qu'ils assurent le confinement du propergol, tout en réduisant les précautions d'entretien nécessaires lors de l'utilisa- tion sur le terrain. La conception concentrique de ces mo- dules de propulsion permet une plus grande densification et l'augmentation de la charge de propergol qui provoque en conséquence une augmentation de la portée et/ou des possibilités de manoeuvre de l'engin. L'invention concerne donc un ensemble de propul- sion à liquide, ayant une portée et des possibilités de manoeuvre qui sont améliorées. Elle concerne aussi un ensemble pour engin ayant des modules séparés formant réservoir et moteur. Elle concerne aussi un engin ayant une longueur réduite, pour un volume donné de propergol.> Elle concerne aussi un ensemble de propulsion à liquide pour engin ayant un facteur de conditionnement proche de 1,0. Elle concerne aussi un ensemble de propulsion à propergol liquide pouvant contenir un poids accru de pro- pergol et ayant un rendement accru pour une longueur donnée. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est une perspective schématique éclatée d'un engin à deux étages ayant un ensemble de propulsion a fusée à li- quide. La figure représente un engin 10 ayant un ou plusieurs étages, le premier étage constituant l'étage 12 de lancement et le second étage formant un étage 14 d'en- tretien, un étage au moins comprenant un ensemble de pro- pulsion à fusée à liquide 16 de type original. Il faut noter que, dans le présent mémoire, les termes "roquette" et "fusée" désignent chacun aussi bien les roquettes que les engins. L'ensemble 16 de propulsion à fusée à liquide 2482667' comporte g.n module 1-8 formant réservoir destiné à contenir le propergol, et un module 20 destiné à former le moteur qui exerce une poussée. Le module 18 comprend-un réservoir 22 d'oxydant et un réservoir axial 24 de carburant, l'enveloppe externe 26 des réservoirs 22 et 24 formant la paroi 28 de la chambre 30 de l'engin. Le réservoir 22 d'oxydant se trou- ve de préférence en avant du réservoir 24 de carburant et a une cloison avant 32, formant aussi la cloison avant 34 de la chambre 30 de l'engin, et une cloison arrière 36. Le 3.0 réservoir 24 de carburant a de façon analogue une cloison avant 38 qui coïncide avec la cloison arrière 36 du réser- voir d'oxydant, et une cloison arrière 40 de forme corres- pondant à celle du moteur 46. Une structure tubulaire 42 est placée axialement dans les deux réservoirs 22 et 24 et forme la paroi interne 44 du module 18. Bien qu'il soit avantageux que l'enveloppe externe 26 des deux réservoirs soit solidaire de la paroi 28 de la chambre 30, différents paramètres de fabrication peuvent nécessiter la réalisation des réservoirs 22 et 24 sous forme distincte de la paroi 23 de la chambre 30 et séparés l'un de l'autre. Le module 20 du moteur est réalisé de manière que non seulement il se loge dans la structure tubulaire 42 mais, dans un mode de réalisation avantageux, qu'il forme une structure de support de la paroi interne 44. Il faut noter que, bien que les éléments du module 20 formant le moteur soient essentiellement connus, la disposition qui permet leur logement dans la structure tubulaire 42 et de préf é- rence leur montage amovible sur la cloison avant 32 du ré- servoir-22 d'oxydant est originale. Ces différents éléments comprennent le moteur 46, le dispositif de mise sous pres- sion et d'expulsion du propergol, par exemple un générateur 48 de gaz, une pompe 50 et une articulation 52. En ou'tre, selon l'invention, la section extérieure des engins 10 à propergol liquide, lancés au sol ou en l'air peut être circulaire ou non afin que la concentration du conditionnement soit maximale et que la charge de propergol puisse être optimale. En général, il est souhaitable que le f-82667 nombre d'engins pouvant être transportés pour une section donnée de dispositif de lancement soit accru jusqu'à la limite de la charge maximale du dispositif de lancement. On a étudié des engins de configuration circulaire, avec des ensembles alimentés par pompage et sous pression. On a aussi étudié des configurations non circulaires, parais- sant présenter un avantage de volume. En général, on utilise des configurations non circulaires lorsque la pression dans les réservoirs peut être minimale afin que la masse de la structure nécessaire soit réduite. Les formes non circu- laires sont intéressantes dans le cas d'un ensemble à ali- mentation par pompage puisque la pression interne des ré- servoirs est alors relativement faible, limitant ainsi les déformations des enveloppes non circulaires. Un facteur de conditionnement de 1,0 (tout le vo- lume occupé par le propergol et les différents éléments né- cessaires si bien qu'il n'y a pas de volume mort) est choisi comme valeur optimale recherchée selon l'invention. A cet effet, on réduit au minimum l'espace libre non utilisé par les éléments de l'ensemble de propulsion, avec modification de l'emplacement des éléments et réduction de leur dimension. On obtient une valeur proche du facteur optimal par rempla- cement du montage en bout par le montage dans un tube cen- tral comme indiqué sur la figure, et par utilisation d'une cloison arrière 40*du réservoir de carburant ayant une con- figuration telle que le module 20 du moteur et son articu- lation 52 se logent en partie à l'intérieur en réduisant au minimum la perte de volume. On détermine qu'il s'agit d'un moyen efficace d'augmenter le volume de propergol dans un engin donné 10. Les éléments et canalisationsdu système d'alimen- tation et de pressurisation sont logés dans le petit tube central 42 et dans la cloison 40 en forme. Comme les oxy- dants ont normalement une tension de vapeur supérieure à celle du curburant, il est avantageux que ce dernier soit conservé dans le réservoir 24 ayant la cloison 40 en forme, l'oxydant étant conservé dans le réservoir 22, les cloisons 32 et 36 étant elliptiques afin que les épaisseurs de paroi du réservoir et de l'étage puissent être minimales et rédui- sent ainsi le poids. La structure 54 disposée entre les étages est réduite au minimum car elle assure simplement le raccord de la cloison 34 de l'étage 12 de lancement avec la cloison arrière 40' dont la forme correspond à celle du mo- teur 46' de l'étage 14 d'entretien. La portée est accrue par augmentation du volume de propergol transporté dans les réservoirs 24 et 24' des deux étages. Le moteur fusée 46 et le générateur 48 de gaz sont les éléments les plus gros du module 20 du moteur et on a donc consacré beaucoup de temps au dessin de ces élé- ments afin que le volume perdu pour le propergol soit mini- mal. L'emplacement du moteur 46, son angle et son mécanisme 52 d'articulation ainsi que les commandes et canalisations de grand diamètre sont placés dans la cloison arrière 40 et le tube central 42. Le générateur 48 de gaz utilisé pour la pressurisation et/ou le gaz d'entrainement de la turbine sont conservés dans le corps central 42 dont les dimensions sont déterminées par la quantité de gaz de mise sous pres- sion et de gaz d'entraînement de turbine qui est nécessaire. Les canalisations et raccords reliant le généra- teur 48 et le moteur 46 au module 18 sont réalisés de ma- nière que le montage puisse être facile pendant la fabrica- tion. Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sort-ir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Ensemble de propulsion à liquide destiné à au moins un étage d'un engin, ledit ensemble étant caractérisé en ce qu'il comprend un module (18) formant réservoir destiné à conte- nir le propergol, ce module comprenant un réservoir avant (22) et un réservoir arrière (24) orienté axialement par rapport au réservoir avant, chaque réservoir étant délimité par une enveloppe externe (26), des cloisons avant et ar- rière (34, 40) et une structure tubulaire axiale ouverte (42) délimitant la paroi interne du module formant réser- voir, et un module (20) formant moteur, orienté afin qu'il se l.oge dans la structure tubulaire du module formant réser- voir. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module (20) formant moteur constitue l'élément de support de la paroi interne du module (18) formant réservoir. 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module (22) formant moteur est raccordé de façon amovible à la cloison avant (32) du réservoir avant (22). 4. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison arrière (40) du réservoir arrière (24) est une cloison en forme. 5. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir avant (22) est un réservoir d'oxydant, et le réservoir arrière (24) un réservoir de carburant.