Brevet FR2482328A1 — publié le 19811113

i La présente invention concerne une V&lveGajutaze comportant un dispositif de modification de la section de passage.dans lequel on xtilise un plongeur cylindrique in- troduisible et rétractable par le c8te dans le d t passage pour y former un étranglement de section variable et fou%- nir un canal d'écoulement entre u gnerateur de Gaz à pro= pergol solide riche en combustible et une chasbre de com- bustion secondaire dans un e'eàr=fce geate gaz' Leo moteurs fusées de ce type daQS lemqule le d&bit 2o de coustble et fizse souLffret d une dinuti"on de leur rendement loresqu2il fonctio nen à des azltti.doe et à des tempratures d! 'ipregation du pain de cobustible qui difú fèrent fortement des conditions prises come base lors de leur conceptiono Des &tudes de rendement de systè&es seffec tuées pour ces mo ursfusees indiquent qu'A1 est possible d'obtenir des am&liorations iaporantes si le dbit de la substance gaeratrGce riche en combustible peut eGtre com= mand5 de façon a atteîndre un rapport air/coumbustible pro- ohe de la valeur optimale poumr chaqme vol et chaque condi- tion d 'environnement doensz L8invention a donc pour objet de fournir une valve- ajutage qui permet d'am&liorer considQrablewent le rende- ment du système d'un moteur-fusàe à générateur de gazo Cette valvre-ajutage fournit une section d'étrangle- ment variable dans 1'ajutage par lequel une substance gêné= ratrice riche en combustible s'&coule d'un g@nLrateur de gaz à propergol solide dans une chambre de comabustion secon- daire du dit moteur-fusée. Cette valve-ajutage peut passer d'une position d'ouverture complète à une position de ferme- ture. Dans cette position de fermeture, la section de 1l'e- tranglement de l'ajutage est réduite à une surface minimale prédéterminée, mais l'étranglement de l'ajutage nest jamais complètement fermé. Cette suppression de la fermeture tota- le de l'étranglement élimine une cause de sur-pressurisa- tion catastrophique du générateur de gaz dans un moteur- fusée de ce type. La conception unique en son genre de la valve-ajutage selon l'invention permet d'utiliser les ma- tériaux resistants à l'érosion et aux chocs thermiques en des endroits qui permettent à des quantités minimales de ces matériaux d'être efficaces. Cette valve-ajutage est munie de joints d'étanchéité situés à une distance impor- tante du courant de gaz chauds traversant l'ajutage, de sorte que ces joints restent efficaces pendant toute la durée de l'ensemble. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemiple non li- mitatif, une forme d'exécution de cette valve-ajutage: Fig. 1 est une vue en coupe axiale partielle de la valve-ajutage selon l'invention; Fig. 2 est une vue en coupe transversale suivant 2 - 2'de fig. 1; Fig. 3 est une vue de côté partiellement écorchée et partiellement en coupe montrant la position de la valve-a- jutage relativement à l'extrémité avant du moteur-fusée contenant le pain de propergol solide riche en combustible et à son extrémité arrière comportant la chambre de combus- tion secondaire qui peut aussi être utilisée comme chambre de propergol de pousseur4 Fig. 4 est une vue schématisée, partiellement en cou- pe, montrant une forme d'exécution de la valve-ajutage se- lon l'invention logée dans une partie inter-étages du moteur fusée, avec des valves-ajutages jumelées et un dispositif d'actionnement apte à les faire passer de la position fermée vers la position ouverte et vice versa; Fig. 5 est une vue en coupe suivant 5 - 5'de fig. 4; Fig. 6 est une vue en coupe suivant 6 - 6' de fig. Fig. 7 est une vue schématisée montrant les posi- tions relatives d'une valve-ajutage unique selon l'inven- tion et de moyens d'actionnement logés dans la partie inter- étages d'un moteur-fusée Fig. 8 est une vue en coupe suivant 8-8' de fig. 7; Fig. 9 est une vue en coupe partielle suivant 9-9' de fig. 8, montrant un système collecteur double utilisé avec une valve-ajutage selon l'invention; Fig. 10 est un schéma d'une boucle de commande pré- programmée utilisée pour commander l'ouverture et la ferme- ture de la valve-ajutage selon l'invention suivant un cy- cle déterminé A l'avance. A la figure 1, la valve-ajutage selon l'invention est désignée par la référence générale 10. Elle comporte un corps 12, avec une partie 14 pour le guidage et une partie 16 pour l'écoulement du fluide. Les deux parties de corps 14 et 16 sont des éléments tubulaires qui communi- quent l'un avec l'autre et se coupent à angle droit. La partie 16 présente deux orifices opposés 18, 20, dont cha- cun peut être soit l'orifice deentréee soit celui de sortie du courant gazeux, suivant l'orientation de la valve-ajuta- ge dans le parcours du gaz sur lequel elle est intercalée Les deux parties 14 et 16 du corps sont munies cha- cune d'un élément isolant tubulaire 10 _9 respectivement, monté dans la cavité 3, 6, qu'elles définissent, la face externe de chaque élément isolant étant contiîme A la face interne du corps de la valve. Chaque élément isolant pré- sente une cevité centrale longitudinale de section circu- laire 38, 40, qui s'étend sur toute sa longueur. La paroi tubulaire que forme la cavité centrale 40 dans l'élément isolant 32 en traversant celuici définit intérieurement le canal 22 pour l'écoulement du fluide A travers la partie 16, comme on peut le voir plus clairement à la figure 3. La paroi tubulaire que forme la cavité 8 dans la partie 14 définit un logement pour une partie dOun obturateur en forme de plongeur 42. L'élément isolant.2 présente aussi une ouverture de section circulaire 46 qui traverse perpen- diculairement sa paroi tubulaire et débouche dans le canal 22, ouverture qui se trouve dans l'alignement de la cavité 38 de la partie de guidage 14, dont elle forme une conti- nuation. Le plongeur 42 est logé dans la partie 14 du corps et s'étend dans la cavité centrale 38 et dans l'ouvertu- re 46 des éléments isolants 30, 3.2, respectivement. Ce plongeur 42 comporte trois parties: une première 48, qui: forme obturateur, une deuxième 50, qui sert d'isolant ther- mique, et une troisième 52, qui sert d'élément de liaison. L'actionnement du plongeur 42 consiste en un mouvement de translation entre une position de fermeture 54 représentée à la figure 1 et une position d'ouverture complète (non représentée), dans laquelle la partie formant obturateur 48 libère entièrement le canal 22. Ce déplacement du plon- geur 42 est assuré par un dispositif d'actionnement 55, qui sera décrit en détail plus loin. Dans la valve-ajutage représentée à la figure 1, 1' élément isolant 32 présente une cavité axiale cylindrique 56, qui s'étend de part et d'autre de la zone de jonction entre les parties 14 et 16 du corps 12. Cette cavité axiale 56 est définie par un épaulement annulaire 57 et par une paroi périphérique 58; elle s'étend depuis une des extrémi- tés de l'élément isolant 32 sur une partie importante de la longueur de celui-ci. La valve-ajutage selon l'invention peut être montée dans un moteur-fusée à générateur de gaz. On peut voir à la figure 1 qu'elle est reliée à des parties de passage étranglé 59 et 60, auxquelles elle est fixée au moyen de colliers 61, avec interposition de joints toriques 62. Les parties de passage 59 et 60 comportent chacune un élément isolant 63, dont la forme et les dimen- sions correspondent à celles dé l'élément 32 muni d'une che- mise rapportée cylindrique 64. On peut employer d'autres moyens pour le raccordement et l'étanchéité de la valve- ajutage selon l'invention dans le moteur-fusée. La chemise rapportée 64 est faite d'un matériau résistant à l'érosion, de préférence un alliage de titane, de zirconium et de mo- lybdène, et ses dimensions correspondent à celles de la ca- vité 56, dans laquelle elle est logée. La face interne de l'ensemble formé par l'élément isolant 32 et la chemise cy- lindrique 64 lorsque celle-ci est montée dans la cavité 56 est lisse et pratiquement continue, à l'exception d'une ou- verture 65 ménagée dans la paroi tubulaire de la chemise 64 dans l'alignement de la cavité 38 et de 1Qouvertu-re 46 des éléments isolants O et 2 respectiveaentO La partie de gaidage 1% du corps comporte une base 84 et un bouchon 86. Une bar-ue rmétallxque en C 87 est uti- lisée pour assurer 1léta!ncheît entre la base et le bou- chon, lorsque celui-ci est visé sur la baseo On peut uti- liser d'autres joints compressibles à face atall us a la place de la baue 87, par z:aerple un joint atatlo@plasti: que c'ureaaianteo La t8te M8 du bouchon 8 presentem une D p etitOe cvi ',5 adiale 90, dans laq ue Lt est loge un palier i ai illes 91 pour le rlcmenou Une cavité annuIamie 92 dans la tate 88 du bouchlon 86 sert I loger aes joints torinues en 6lastoerre a9 qui S@ea directement en contact étanche avec le plonCeuro 3 îoL'llément isolant O peut 8tre fait due soeule pie ce et ée"texdre sur &oute la longucuLr de la avr.té 2 dans la partiem!e du corps Goi oae a la ciSe 9 m I peutm tre ferme de deoux pièces aj ustee tene à l amtre de facom à former un p.soant ratiquement contino Lors.e 1. leni es9t faIt de deux pxcesV on umtilise un joint rdcolur 9g pour assurer l'étanchéité entre lui et le plongeur %2o Ce joint 9, peut &tre en élastomare ou en feibres craiqueS0 La figure 3 montre la position do la valve=ajutaCe logée dans un moteur-fusée 28 par rapport à la chambre avant 66 de ce moteur, à la charge 68 du générateur de gaz riche en combustible, logée dans la dite chambre avant, et à la chambre de combustion secondaire 0 à 1 extrémité ar- rière 72 du motelur. Le canal 22 fait communiquer la chambre avant 66 avec la chambre de combustion secondaire 700 Un bouchon 74 est utiliser pour obturer le canal 22 et emp- cher les gaz de combustion de pénétrer par celui-ci dans la chambre avant 66. Les gaz de combustion se forment lors de l'inflammation de l'étage propulseur auxiliaire (non représenté), qui contient un propergol solide et qui, après que celubci a fini de brûler, laisse une cavité qui devient la chambre de combustion secondaire 70. Ces gaz, en fran- chissant le canal 22, pourrait enflammer la charge du gené- rateur de gaz riche en combustible 68 en un moment inoppor- tun du fonctionnement du moteur-fusée. Toutefois, dans cer- taines applications, cette inflammation initiale de la char- ge 68 du générateur est acceptable. Les figures 3 et 4 montrent l'étage intermédiaire 76 entre la chambre avant 66 du moteur-fusée 28 et la chambre de combustion secondaire 70. Dans cet étage intermédiaire sont logés un dispositif à bras de sécurité et d'allumage 78 pour le propergol (non représenté) du propulseur auxi- liaire, un dispositif à bras de sécurité et d'allumage 80 pour là charge 68 de générateur de gaz riche en combustible, un transducteur de pression 81, pour mesurer la pression à l'intérieur de la chambre avant 66, et un potentiomètre li- néaire 82, pour mesurer le déplacement de plongeurs 48 ju- melés en contrôlant la course de traverses 114, 116. A la figure 4, des valves-ajutages jumelées du type de celle décrite en référence aux figures 1 à 3 sont repré- sentées à l'intérieur de l'étage intermédiaire 76 d'un mo- teur-fusée à générateur de gaz. Un mécanisme de traverses pour déplacer le plongeur 4es valves d'une position de fermeture vers une position d' ouverture et vice-versa est partiellement représenté aux fi- gures 5 et 6. Les deux valves-ajutages 96, 98 sont reliées l'une à l'autre par un joug 100. Leurs plongeurs 102, 104 traversent leurs parties de guidage respectives et sont fi- xéea ûl'aideïde boulons 106, 108, à leurs extrémités supé- rieures respectives 110, 112 entre deux traverses plates 114, 116. Un dispositif d'actionnement 118 est monté entre les deux valves-ajutages 96, 98; il est constitué par un vérin, dont la tige de piston 120 est fixée par un boulon 122 aux traverses plates 114, 116. Le vérin 118 fonctionne en réponse à un signal électrique de la manière suivante. Dès réception d'un signal produit en réponse à l'action du moteur-fusée, la tige de piston 120 se déplace vers le haut ou vers le bas, suivant la manière dont le missile est pro- grammé ou commandé de fonctionner. Le déplacement des plon- geurs 102, 104 hors des canaux 124, 126 libère la section de passage dans ces canaux. De même, en réponse à un si- gnal, la tige de piston 120 du vérin peut se déplacer vers le bas, faisant ainsi pénétrer les plongeurs 102 et 104 à l'intérieur des canaux 124, 126 et réduisant leur section libre pour la circulation du fluide. Les figures 7, 8 et 9 montrent une valve-ajutage unique selon l'invention, logée dans l'étage intermédiaire d'un moteur-fusée à générateur de gaz. Le dispositif d'actionnement 128 est fixé à l'une de ses extrémités sur la face interne 1 de l'étage intermé- diaire du moteur-fusée au moyen d'une console 132. La tige de piston 14 du dispositif 128 s'articule à une ertrémi- té d'un levier à deux bras 136, monté à pivotement dans une chape 138 et A l'autre extrémité duquel s'articule le plon- geur 140 de la valve-ajutage 142. Le plongeur 140 est re- présenté en position extrême de fermeture, c'est-à-dire a- vec sa partie formant obturateur 144i engagée au maximum dans le canal 146. Celui-ci se termine par un collecteur 148. Celui-ci a deux branches de sortie qui se terminent chacune par un orifice 150, 152, fermés par un bouchon 154, M6. La valve-ajutage 142 diffère de la valve-ajutage 10 principalement par les moyens d'étanchéité utilises. Dans la première, un joint à soufflet métallique 58 est soudé sur la face en bout correspondante 160 du capuchon 162 de la partie de guidage du corps et sur une plaquette 164 qui termine l'extrémité extérieure du plongeur 140. Ce joint à soufflet 158 peut se déployer ou se rétracter suivant le sens du déplacement du plongeur et sa présence est particu- lièrement désirable dans les applications o les températu- res sont élevées et o un joint torique en élastomère ne fonctionnerait pas convenablement. Le plongeur 140 est en deux pièces: l'une résiste à l'érosion et forme obturateur 141, l'autre 143 sert d'isolant thermique. La figure 10 montre une boucle de commande typique pour pré-programmer le fonctionnement d'une valve-ajutage selon l'invention. Le transducteur détecte la pression qui règne dans le générateur de gaz et il envoie à un amplifi- cateur un signal électrique qui est fonction de la pres- sion'qu'il a détectée. Le signal amplifié parvient à un comparateur, dans lequel il est comparé à un signal émis par un galet de came qui suit un profil correspondant à un programme établi à l'avance et qui entre en action lors de la mise à feu du moteur-fusée. Si les signaux électri- ques qui parviennent aux deux entrées du comparateur sont différents, ce dernier émet un signal envoyé à un disposi- tif de commande, qui, à son tour, actionne le dispositif d'actionnement pour qu'il ouvre ou ferme la valve-ajutage autant qu'il est nécessaire pour que la pression dans le générateur de gaz devienne égale à la pression pré-program- mée. On peut utiliser d'autres systèmes que celui qui vient d'être décrit pour faire fonctionner la valve-ajutage selon l'invention. Cette valveajutage fournit un ajutage entièrement variable, multicycle et réversible, dans lequel on peut faire varier la section libre du passage. On peut l'action- ner par n'importe quels moyens appropriés, tels que des appareils électromécaniques ou des vérins pneumatiques ou hydrauliques, avec commande à réaction. On peut la loger dans la chambre du générateur de gaz, dans la chambre de combustion secondaire ou dans un étage intermédiaire entre ces deux chambres, comme dans les figures. Son installation dans un étage intermédiaire est préférable, car ses élé- ments constitutifs sont soustraits à l'action des produits de combustion dans le moteur-fusée. La valve-ajutage selon l'invention utilise pour com- mander le débit du gaz le déplacement en translation d'un plongeur. Sa conception permet de soustraire les joints d' étanchéité, les paliers et le dispositif d'actionnement à l'effet des gaz de combustion chauds et d'utiliser des quan- tités minimales de matériaux résistants à l'érosion avec u- ne grande efficacité en les plaçant aux points critiques à l'intérieur de la valve-ajutage. Cette isolation et cette protection thermique de nombreux éléments constitutifs ob- tenues avec la valve-ajutage selon l'invention ont pour r6- sultat un rendement eeilleur et reproductible pour un mo- teurfusée à débit de combustible variable et co andeo Les atériaux sont importants dans la constraction de la valve-ajuage selon l'inventiîon. L'lément de ferme- ture du passage étran!el, derit eoseme étant une paztie du plongeur dans le présent rsoiPe9 et la chemise rmpportGe' qui dfit eon partie le canal e ruSte par les produsits chanrde riches en oebus tible qiî vnt du enérateur de gas A la chaimb e de combustion secondaire oivet ssisoterr e loson e aut era e e t epratuv es et avoir un faible coeúfol de dia ation tLhersi e0 Leos t6a jugés prefreables po% utiliser comae orane d obtuzration a une température de 1093eC environ et sous une pression de , 6 ki/32o sont un ailiage de titane, -de sziooniu et de molybdène (TP4), un alliage de tungstène et de rhnium (W-25RE) et lm alliage de tantale et de tungstène e i0S) Les 6élments isolanets tilisés dans la valve=ajutage selon l'inventon sont fabriqu&s de préférence avec des sia- i,$ tériaux a base de silioe et de @erasines phenoli qeso De tels matériaux moules sous forte pression sont vrendus par Pibe- rite Corpozation, finona, Minnesota. Un &lIment isolant a base de silice et de r6sine ph&nolique particuliremsent ap- proprié est pr6paré à partir deun composé moulable vendu par cette société sous l'appellation de MX 26460 On peut aussi utiliser des éléments isolants moulés à base de oar- bone et de résine phénolique, un matériau également vendu par Fîberite Corporation. Parmi les divers types de dispositifs qui peuvent être utilisés pour actionner la valve-ajutage selon l in- vention, les appareils électromagnétiques sont préféra= bles. Des dispositifs appropriés sont vendus dans le com- merce par Avionie Products Company, Denville, New Jersey, Plessey Dynamics Division, Flillside, New Jersey et Motion Controls Division, CedarKnolls, New Jersey. Les joints d'étanchéité qui peuvent être utilisés dans la valve-ajutage selon l'invention doivent être choi- sis parmi les mat6riaux pouvant être utilisés dans les con- ditions de températures qui prévalent dans le moteur-fusée dans lequel la valve-ajutage est montée. Les joints tori- ques en élastomère peuvent être faits de matériaux tels qu'un terpolymère d'éthylène et de propylène ou un caout- chouc de silicines. Les joints plats peuvent être des joints en cuivre massif, des joints métalloplastiques au cuivre ou des bagues en C métalliques faites de matériaux tels qu'Inconal X-750, de préférence avec revêtement d'ar- gent ou de nickel. Des joints de ce type sont vendus dans le commerce par UAP Components, Inc. Les joints à soufflets m6talliques soudés haute pression qui peuvent être utilisés sont vendus dans le commerce par Sealol, Inc. et The Metal Bellows Corp. - REVENDICATIONS - 1.- Valve-ajutage pour commander le débit des pro- duits de combustion d'un générateur de gaz vers une chambre de combustion secondaire d'un moteur-fusée à générateur de gaze caractérisée en ce qu'elle comporte. (a) un corps de valve avec une partie de guidage (14) de l'obturateur et une partie (16) d'6coulement du fluide, qui coupe la partie de guidage et est raccordée à elle, la partie de guidage comprenant un élément extérieur (14) et un élément isolant 0) log6 à l'int6rieur de cet élément ext6rieur, qui s'étend sur toute la longueur de ce- lui-ci et présente une cavité longitudinale centrale (38) sur toute sa longueur, et (b) la partie d'écoulement du fluide comprenant un element extérieur (16) et un élément isolant (32) logé à l'intérieur de cet élément ext6rieur, qui s'étend sur toute la longueur de celui-ci et pr6ésente une cavité longitudinale centrale (40) sur toute sa longueur, cavit6 qui définit le canal (22) d'écoulement du fluide, ainsi qugune ouvreture (46) traversant la paroi tubulaire de l'élément isolant (32) et située dans l'alignement de la cavité (38) de l'élément i - solant (30) de la partie de guidage, (c) un plongeur (42; 140) logé dans l'élément isolant (30) et dont la face externe est contigte à la face interne de cet élément, par laquelle est définie la cavité (38) de ce dernier, le dit plongeur constituant l'élément d'obtu- ration (48) qui commande l'écoulement dans le canal (22), (d) un capuchon (86) verrouillé sur l'extrémité de la par- tie de guidage (14) opposée à la partie d'écoulement (16), (e) des premiers moyens d'étanchéité (87) entre le capuchon (86) et la partie de guidage (14) du corps de valve, (f) des seconds moyens d'étanchéité (92) entre le capuchon (86) et le plongeur (42), et (g) des moyens d'actionnement pour communiquer au plongeur (42; 140) un mouvement de translation entre une position de fermeture, dans laquelle le plongeur obture partiellement le canal (22) d'écoulement du fluide, et une position d'ou- verture, dans laquelle il libère complètement le dit canal. 2.- Valve-ajutage selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'elle comporte en outre des troisièmes moyens d'étanchéité (94) en contact avec le plongeur (42) et avec l'élément isolant (30) de la partie de guidage (14) du corps de valve. 3.- Valve-ajutage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le plongeur (42; ) est en alliage de titane, de zirconium et de molybdè- ne. 4.- Valve-ajutage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément isolant de la partie de guidage du corps de valve et celui de la partie d'écoulement du fluide sont faits d'une composition à base de silice et d'une résine phénolique. 5.- Valve-ajutage selon la revendication 2, caracté- risée en ce que l'élément isolant (30) de la partie de gui- dage (14) du corps de valve est formé de deux pièces faites d'un matériau à base de silice et d'une résine phénolique et en ce que les troisièmes moyens d'étanchéité (94) sont placés à la jonction des deux pièces. 6.- Valve-ajutage selon la revendication i ou la revendication 2, caractérisée en ce que les premiers moy- ens d'étanchéité (87) sont une bague en C métallique. 7.- Valve-ajutage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que les deuxièmes moy- ens d'étanchéité sont un joint à soufflet métallique (158). 8.- Valve-ajutage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément isolant (32) de la partie d'écoulement (16) du corps de valve pré- sente une cavité axiale en forme de cylindre de faible épais- seur, qui s'étend depuis une extrémité sur une partie im- portante de la longueur de cet élément isolant, la paroi qui définit cette cavité étant constituée par une partie de la face interne du dit élément et par celle d'une che- mise résistante à-l'érosion, dont la forme et les dimen- sions correspondent à celles de la dite cavité, qui est logée dans cette dernière et la remplit, la dite chemise présentant une ouverture circulaire qui traverse sa paroi périphérique et se trouve dans l' galignement de louverture (46) ménagée dans la paroi de 1'élément isolant (32) de la partie d'6coulement (16) du corps de valve.4 -,X'- -: