Brevet FR2474101A1 — publié le 19810724

247,41O1 -E La présente invention se rapporte aux moteurs- fusées à propergol liquide et elle concerne plus particu- lièrement un dispositif de commande à régénération, destiné à injecter le propergol dans la chambre de combustion d'un moteur-fusée. Le brevet français 79 28466 a décrit un système de propulsion utilisant un propergol liquide, dans lequel ce propergol, provenant d'une source sous pression relati- vement faible, est injecté sous forte pression dans la chambre de combustion par un système à régénération qui utilise la pression régnant dans cette chambre de combustion pour actionner le mécanisme d'éjection. La présente inven- tion concerne des améliorations à ce mécanisme d'injection et elle utilise aussi la pression de combustion pour créer la pression d'injection. Mais le dispositif selon l'inven- tion détermine avec beaucoup plus de précision la quantité de propergol injectée ainsi que l'intervalle de temps pendant lequel ce combustible est injecté, ce qui augmente le rendement énergétique du moteur-fusée. L'invention concerne un dispositif d'injection à régénération pour moteurfusée dans lequel le propergol est injecté dans la chambre de combustion de ce moteur par doses successives précises. Dans le moteur à impulsions multiples et à diergol utilisé, l'instant du début de chaque impulsion de régénération est déterminé et commandé de l'extérieur. Il est par conséquent possible d'obtenir d'un moteur-fusée des résultats répétables de manière très précise en déterminant la cadence et le nombre des cycles d'injection d'une série de doses. Ce résultat est obtenu grâce à un dispositif comprenant un passage cylindrique fermé à une extrémité et débouchant à l'autre extrémité dans la chambre de combustion du moteur-fusée. Un piston, qui peut se déplacer librement dans ce passage, délimite avec l'extrémité fermée de celui-ci une chambre d'injection dans laquelle le pro- pergol est introduit sous une pression relativement faible. Des canaux percés dans le piston font passer ce propergol, de cette chambre d'injection à la chambre de combustion. Des valves montées sur le piston obturent normalement ces canaux, si bien que la poussée exercée par le propergol qui se trouve dans la chambre d'injection repousse le piston vers la chambre de combustion. Un dispositif de commande, qui est avantageusement un piston pneumatique, ouvre ces valves et repousse le piston en l'éloignant de cette chambre de combustion, ce qui pousse le propergol et le chasse de la chambre d!'injection jusque dans ladite chambre de combustion o il est enflammé. L'augmentation de pres- sion due à l'inflammation de ce propergol crée une poussée qui éloigne le piston de la chambre de combustion, ce qui chasse tout le propergol de la chambre d'injection en le faisant passer par les canaux. La surface du piston exposée au propergol de la chambre d'injection est plus petite que celle qui est tournée vers la chambre de combustion, ce qui crée une différence de poussée, chassant le propergol dans les canaux. Les valves sont normalement fermées par des ressorts, mais le dispositif de commande les ouvre. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre nullement limitatif, dont la figure unique est une coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'un dispositif d'injection à valves selon l'invention. Sur cette figure, la référence 10 désigne un moteur-fusée. Celui-ci comporte un corps principal 12, percé d'un alésage cylindrique 14, qui débouche dans une chambrée de combustion 16. Un piston 18 peut se déplacer dans cet alésage 14, sa face extérieure 20 formant la paroi d'extré- mité de la chambre de combustion 16. Une garniture annu- laire 22 constitue un joint coulissant entre le piston et l'alésage. Ce piston 18 comporte une partie annulaire 24, qui en fait saillie vers l'arrière. A son extrémité exté- rieure, cette partie annulaire 24 se termine par un flasque -. 1 -.. 1-. I - 1 - - __ _. - -_ __ - 4-f. - 26, qui est avantageusement une pièce distincte afin de faciliter l'assemblage et qui est vissé à cette extrémité extérieure de ladite partie annulaire 24 du piston 18. La surface cylindrique extérieure 25 de ce flasque 26 coulisse dans un alésage cylindrique 28 du corps 12, coaxial à l'alésage 14, mais ayant un plus grand diamètre. On notera que, pour faciliter l'assemblage, le corps 12 peut être composé de plusieurs éléments usinés séparément, qui sont ensuite vissés ou fixés d'une autre façon les uns aux autres. Ce corps 12 comporte un élément d'extrémité 30, qui obture hermétiquement l'extrémité de l'alésage 28. Cet élément 30 comporte un plongeur 32 qui pénètre à l'intérieur de la partie annulaire 24 du piston 18. Un-manchon cylindrique extérieur 34 est monté coulissant sur le côté extérieur de la partie annulaire 24 du piston, tandis qu'un -manchon cylindrique intérieur 36 est monté coulissant sur la surface intérieure de cette partie annulaire 24. La surface cylindrique extérieure du manchon extérieur 34 est en contact coulissant avec un alésage cylindrique 38 du corps 12 du moteur-fusée, cet alésage 38 se trouvant entre les alésages 14 et 28 et leur étant coaxial, mais ayant un diamètre légèrement inférieur à celui de l'alésage 14. La surface cylindrique intérieure du manchon intérieur 36 est en contact glissant avec le plongeur 32. Des garnitures annulaires, représentées en 40, constituent des joints étanches à la pression entre les surfaces de glissement de ces manchons intérieur et extérieur. La manchon extérieur 34 fonctionne à la façon de l'obturateur d'une valve, de manière à commander le passage du combustible venant d'une chambre annulaire 42 d'injection de combustible jusqu'à la chambre de combustion 16 par un passage formé par un petit canal 44 percé dans le piston. Ce manchon 34 comporte un rebord extérieur 46, qui porte une garniture annulaire 48 venant s'appliquer contre la surface postérieure du piston, radialement, au-delà du canal 44, en isolant ce canal 44 de la chambre d'injection 42. Le iranchon extérieur 34 constitue donc l'obturateur d'une valve qui est ouverte ou fermée par les déplacements relatifs de ce manchon 34 et du piston 18.- Le combustible est envoyé dans la chambre d'injection 42 par un passage 78. De manière analogue, le manchon intérieur 36 se termine par un rebord intérieur 50, qui porte une garni- ture annulaire 52, laquelle se trouve radialement en-deçà d'un passage formé par un petit canal 54 percé dans le piston. Ce manchon intérieur 36 fonctionne donc à la manière d'un obturateur pour ouvrir ou fermer le canal 54 en se déplaçant par rapport au piston 18. L'espace compris entre la face intérieure de ce piston et l'extrémité du plongeur 32 forme une chambre 56 d'injection d'oxydant. L'oxydant est envoyé dans cette chambre 56 par des canaux 60 percés dans le plongeur 32. Le manchon extérieur 34 est normalement repoussé contre l'arrière du piston 18 par un groupe de ressorts de compression, dont l'un est indiqué en 62. Ce ressort est logé dans le contre-alésage du flasque 26 du piston. Il repousse une pièce 64 en forme de coupelle contre l'extré- mité de ce manchon 34 et contre un flasque 66 coopérant avec ce dernier, dans le sens qui les éloigne du flasque 26, en repoussant par conséquent l'obturateur formé par ledit manchon 34 à sa position de fermeture. Le flasque annulaire 66 est vissé sur l'extrémité de ce manchon extérieur 34. Sa surface extérieure 67 cylindrique est en contact de glisse- ment avec la surface intérieure 68 cylindrique d'une lèvre du flasque 26 relié au piston 18. Le manchon intérieur 36 est lui aussi repoussé à sa position de fermeture par un groupe de ressorts de compression, dont l'un est indiqué en 70. Une extrémité de ce ressort 70 est appliquée contre la tête d'un boulon 72, qui passe dans un trou d'une collerette extérieure 74 de l'extrémité de ce manchon intérieur 36. Ce boulon 72 est vissé dans le flasque 26 du piston 18. Bien qu'un seul ressort 62 et un seul ressort 70- aient été représentés sur la figure, il va de soi qu'il peut y en avoir plusieurs de chaque, répartis tout autour des collerettes respectives. Le fonctionnement du moteur-fusée décrit est le suivant: du propergol sous pression relativement faible est refoulé dans la chambre d'injection 42 par le passage d'admission 78, qui est relié à une source, (non représentée) de propergol liquide. Simultanément, un oxydant liquide est admis sous pression dans la chambre d'injection 56 par les canaux 60. La poussée exercée par ce propergol et cet oxydant chasse le piston vers la droite en observant la figure, en amenant la lèvre du flasque 26 contre une butée formée par un épaulement 80 de l'intérieur du corps 12. Quand les deux obturateurs formés par les manchons 34 et 36 sont fermés, il n'est admis, ni propergol, ni oxydant dans la chambre de combustion 16. Pour faire débuter un cycle de combustion, un gaz inerte de commande est admis sous pression, par un canal 82, dans un espace annulaire 84 compris entre la butée 80 et le flasque 66. La poussée exercée par ce gaz repousse le manchon extérieur 34 vers la gauche sur la figure, ce qui ouvre la valve et permet au propergol de s'échapper de la chambre d'injection 42 pour passer dans la chambre de combustion 16 par le canal 44. Quand le flasque 66 se dé- place, il repousse la coupelle 64 vers la gauche, ce qui comprime le ressort 62. Simultanément, un ergot de centrage 88 de cette coupelle est repoussé contre la collerette 74 du manchon intérieur 36, ce qui fait que celui-ci se déplace vers la gauche par rapport au piston 18. La valve qui obture le passage entre la chambre 56 d'injection de l'oxydant et le canal 54 est donc ouverte. Une fois que les valves se sont complètement ouvertes, la poussée créée par le gaz de commande repousse aussi le piston vers la gauche, ce qui fait que le propergol et l'oxydant sont injectés dans la chambre de combustion 16. Quand ces valves sont ouvertes, la différence des surfaces de chacun de leurs obturateurs qui sont soumises à la pression régnant dans les chambres d'injection fait qu'elles restent ouvertes malgré la sollicitation des ressorts. A mesure que le propergol et l'oxydant se mélangent dans la chambre de combustion, ce mélange s'enflamme, ce qui fait croître rapidement la pression dans cette chambre. Comme la surface efficace de la face antérieure 20 du piston est plus grande que celle de sa face postérieure, en raison de l'existence de la partie annulaire 24, il s'y produit un supplément de poussée qui fait que ce piston 18 se déplace vers la gauche en chassant le propergol et l'oxydant de leurs chambres d'injection respectives 42 et 56 vers la chambre de combustion. Des clapets de retenue (non représentés) sont montés dans les conduits menant au canal 78 de passage du propergol et aux canaux 60 de passage de l'oxydant, de façon à empêcher ce propergol et cet oxydant de refluer de leurs chambres d'injec- tion respectives. Les valves restent ouvertes jusqu'à ce que le déplacement du piston 20 soit arrêté par le contact de ce piston avec l'extrémité du plongeur 32. Cette immobilisation du piston interrompt l'injection du propergol dans la chami- bre de combustion. Comme la pression baisse rapidement dans cette chambre de combustion par manque de propergol, les ressorts 62 et 70 ferment les valves. L'alimentation en gaz de commande étant coupée et l'espace annulaire 84 n'étant plus sous pression, le piston 18 revient à sa position initiale sous l'effet de l'arrivée de nouvelles charges de propergol et d'oxydant dans leurs chambres d'injection 42 et 56 respecti- vement. Le moteur-fusée est ainsi amorcé pour un nouveau cycle de fonctionnement. Il ressort de la description ci-dessus que les quantités de propergol et d'oxydant injectées dans la chambre de combustion sont déterminées de manière très précise par le volume de fluide que le piston 18 entraîne en se déplaçant entre ses deux positions extrêmes. Les rmanchons-obturateurs sollicités par des ressorts assurent qu'il n'y a pas de fuite de propergol et d'oxydant dans la chambre de combustion pendant que les chambre d'injection 42 et 56 sont chargées. On remarquera que, lorsque les obturateurs de valves occupent leur position de fermeture, la pression du proper- gol et de l'oxydant dans leurs chambres d'injection exerce sur les rebords 46 et 50 des- manchons 34 et 36 une poussée qui maintient ces derniers dans leur position de ferme- ture, puisque le piston 18 ne peut plus se déplacer vers la droite quand le flasque 26 s'est appliqué contre l'épau- lement 80. Lorsque les valves ont été ouvertes par le gaz de commande, la poussée créée par ces fluides s'exerce dans le sens opposé et elle tend à maintenir ces valves ouvertes malgré l'action antagoniste des ressorts 62 et 70. La pression augmente rapidement dans les chambres d'injection pendant la période de combustion, parce que le piston 18 est repoussé vers la gauche. La différence des poussées de part et d'autre des rebords des manchons 34 et 36 est suffi- sante pour maintenir les valves ouvertes contre l'action des ressorts. Lorsque le piston atteint l'extrémité de gauche de sa course tandis que la pression se maintient dans la chambre de combustion, les pressions du combustible et de l'oxydant tombent aux valeurs relativement faibles fournies par les sources de ces fluides. A ce niveau de pression, les ressorts sont assez puissants pour repousser les obturateurs de valves à leur position de fermeture, la poussée exercée par le propergol et par l'oxydant repoussant alors le piston 18 vers la droite, à la position voulue pour que le cycle de combustion puisse se répéter. Bien entendu, bien que l'on ait mentionné l'uti- lisation d'un gaz pour fairedébuter un cycle de combustion, il serait possible d'utiliser d'autres moyens mécaniques ou hydrauliques, un électro-aimant par exemple, pour ouvrir ini- tialement les valves. Il va de soi qu'il est possible d'apporter di- verses modifications au dispositif d'injection à régénéra- tion représenté et décrit sans s'écarter du domaine de l'invention. REVENDICAT IONS 1. Dispositif d'injection de combustible à régénération, destiné à injecter du propergol dans la cham- bre de combustion d'un moteur-fusée à propergol liquide, et caractérisé par le fait qu'il comprend un corps (12) qui forme un passage cylindrique (14) fermé d'un côté et des- tiné à déboucher dans la chambre de combustion (16) de l'autre côté, et un piston (18) qui peut se déplacer dans ce passage (14) et qui forme, avec l'extrémité fermée de ce dernier, une chambre d'injection (56), une partie (24) de ce piston se prolongeant dans un dégagement de cette extrémité fermée et diminuant la surface effective dudit piston tournée vers cette chambre d'injection par rapport à sa surface effective tournée vers la chambre de combustion, un canal (54) faisant communiquer la chambre d'injection (56) avec cette chambre de combustion (16), un obturateur (36) de valve étant destiné à commander le passage du fluide dans ce canal, des organes (72) maintenant cet obturateur fermé, lorsque la pression est plus élevée dans la chambre d'injection que dans la chambre de combustion, et des éléments de commande destinés à ouvrir momentanément la valve contre l'action de la pression qui règne dans la chambre d'injection de façon à laisser le propergol passer dans la chambre de combustion. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que la partie (24) du piston qui pénètre dans un dégagement de l'extrémité fermée du passage (14) divise la chambre d'injection en deux compartiments, le canal (54) reliant l'un (56) de ces compartiments à la cham- bre de combustion, un canal supplémentaire (44) reliant l'autre (42) de ces compartiments à cette chambre de combus- tion, une valve supplémentaire étant montée dans ce canal supplémentaire (44) et les éléments de commande ouvrant momentanément cette yalve supplémentaire, en permettant au propergol liquide de passer dans la chambre de combustion par les deux canaux (54, 44). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les obturateurs (34, 36) des valves comportent des ressorts (62,70) qui les solli- citent à leur position de fermeture contre l'action des éléments de commande. 4. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que les éléments de commande comportent un premier organe (64) qui est monté de façon à se déplacer parallèlement à l'axe de déplacement du piston (16), un élément qui relie ce premier organe à l'obturateur (36) de la valve de façon à l'ouvrir, ledit premier organe venant en contact avec le piston quand il est amené à la position d'ouverture de la valve et un élément d'entraînement appliquant ce premier organe contre le piston et déplaçant ensuite l'ensemble de ce piston et l'élément cité en premier lieu en les éloignant de la chambre de combustion et en les faisant se rapprocher de la chambre d'injection (56) de façon à chasser le propergol de cette dernière par le canal (54) et à l'injecter dans la chambre de combustion (16). 5. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé par le fait que les éléments de commande comportent un premier organe (64), qui est monté de façon à se déplacer parallèlement à l'axe de déplacement du piston, un élément qui relie ce premier organe venant en contact avec le piston quand il est amené à la position d'ouverture de la valve, un élément d'entraînement appliquant ce premier organe contre le piston et déplaçant ensuite l'ensemble de ce piston et de l'élément en les éloignant de la chambre de combustion et en les faisant se rapprocher de la chambre d'injection de façon à chasser le propergol de cette dernière par le canal (54) et à l'injecter dans la chambre de combus- tion, un second organe étant monté de manière à se déplacer parallèlement à l'axe de déplacement du piston et un organe (66) reliant ce second organe à l'obturateur (34) de la valve supplémentaire, l'élément d'entraînement repoussant ledit second organe à la position d'ouverture de la valve. 6. Dispositif destiné à injecter du propergol dans la chambre de combustion d'un moteur-fusée, caractérisé par le fait qu'il comprend un cylindre d'injection (12), un piston (18) qui se déplace dans ce cylindre et qui est percé d'un canal (54), une extrémité du cylindre communiquant avec une chambre de combustion (16) et une paroi d'extrémité (30) obturant l'autre extrémité de ce cylindre, cette paroi d'extrémité (30) comportant un plongeur (32) cylindrique qui pénètre dans le cylindre et forme autour de lui un espace annulaire, le piston com- portant une partie tubulaire (24) qui en fait saillie d'un premier côté et qui pénètre dans cet espace annulaire, le manchon-obturateur (36) cylindrique d'une valve, qui est disposé concentriquement entre cette partie tubulaire et le plongeur et qui est en contact de glissement avec ladite partie et ledit plongeur, comportant à une extrémité un rebord (50) qui vient en contact avec le premier côté du piston et qui obture le canal (54) percé dans ce dernier, un passage (78) faisant passer le propergol dans l'espace compris entre ledit piston et le plongeur et des éléments de commande déplaçant simultanément le manchon-obturateur et son rebord en les écartant du premier côté du piston de manière à ouvrir le canal (54) et à repousser ce piston con- tre le plongeur, ce qui chasse le propergol dans la chambre de combustion (16) par ce canal (54). 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé par le fait qu'il comporte des ressorts (72) qui re- poussent normalement le rebord (50) du manchon-obturateur (36) contre le premier côté du piston (18) de manière à obturer le canal (54). 8. Dispositif selon la reyendication 6, carac- térisé par le fait que les éléments de commande comportent un piston pneumatique (64), qui vient en contact avec le manchon-obturateur (36) de façon à l'éloigner du piston (28) et un élément limiteur (72), qui limite le déplacement de ce manchon par rapport au piston quand il est en contact avec ce manchon, le piston pneumatique entraînant alors solidairement le piston et ledit manchon. 9. Disposition selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le piston (18) est percé d'un canal supplémentaire (44), le dispositif comportant un second manchon-obturateur (34) de valve qui est concentrique à la partie tubulaire (24) de ce piston et qui peut coulisser sur cette partie tubulaire, ce second manchon obturateur étant disposé entre ladite partie tubulaire et le cylindre (12), ayant un diamètre plus faible que ce dernier de manière à ménager entre lui et ledit cylindre un espace annulaire (42) et comportant à une extrémité un rebord (46) qui vient s'appliquer contre le premier côté du piston en obturant le canal supplémentaire, les éléments de commande déplaçant ce second manchon obturateur et son rebord (46) par rapport au piston de façon à ouvrir la seconde valve. 10. Dispositif selon la revendication 9, carac- térisé par le fait qu'il comporte des ressorts (62) qui appliquent normalement le rebord (46) du second manchon obturateur (36) contre le premier côté du piston (18); de manière à obturer le canal supplémentaire (44). Il. Valve destinée à injecter du propergol dans une chambre de combustion, caractérisée par le fait qu'elle comprend un cylindre d'injection (12), un piston (18), qui peut coulisser dans ce cylindre, un côté de ce dernier communiquant avec la chambre de combustion (16), un élément tubulaire (24) qui fait saillie du côté opposé du piston, qui fait corps avec ce dernier et qui comporte des surfaces cylindriques extérieure et intérieure, concentriques au piston et ayant un diamètre plus faible que celui-ci, une première valve, qui comporte un manchon-obturateur (34), pouvant coulisser sur la surface extérieure de cet élément tubulaire, une seconde yalye, qui comporte un manchon-obtu- rateur (36), pouvant coulisser sur la surface intérieure dudit élément tubulaire, le piston (18) étant percé d'au imoins deux canaux (44, 54), la première valve ouvrant et fermant l'un (44) de ces canaux et la seconde yalve ouvrant et fermant l'autre canal (54) lorsque leurs manchons respec- tifs sont déplacés axialement par rapport à l'élément tubu- laire, le cylindre comportant une paroi d'extrémité (30) hermétique ayant un évidement dans lequel la partie tubulaire (24) du piston et les manchons concentriques des valves se prolongent, vers l'extérieur du cylindre, un passage (78) laissant le propergol dans l'espace compris entre cette paroi et le piston de façon à repousser ce dernier dans un sens, une butée (26) étant solidaire de ce piston, les manchons venant en contact avec elle lorsqu'ils sont déplacés par rapport au piston de façon à ouvrir les valves,et des éléments de com- mande appliquent les manchons- contre cette butée de manière à ouvrir ces valves et à éloigner le piston du côté du cylindre communiquant avec la chambre de combustion.