Brevet FR2489420A1 — publié le 19820305

Vanne de commande du dosage de l'alimentation d'un moteur-fusée réglable La présente invention concerne une vanne de commande pour le dosage de l'alimentation d'un moteur- fusée de puissance réglable, comprenant un élément de commande tubulaire qui sépare l'un de l'autre deux ca- naux d'arrivée coaxiaux pour deux liquides circulant vers une tête d'injection, particulièrement des liqui- des hypergoliques jusqu'à un plan d'injection o la section d'injection est commandée. Le Brevet des Etats Unis d'Amérique US-PS 3 232 049 décrit un moteurfusée à alimentation liquide, dans lequel les liquides d'alimentation respectifs sont dosés au moyen d'un élément de commande tubulaire ré- glable dans la direction axiale. Cet élément de commande qui sépare l'un de l'autre deux canaux annulaires dis- posés coaxialement et destinés à amener les deux con- stituants d'alimentation à une tête d'injection dans la chambre de combustion passe sur des encoches annulaires dont la section est ainsi modifiée. L'entraînement de l'élément de commande tubu- laire est assuré par un mécanisme à crémaillère, la cré- maillère étant accouplée avec l'élément de commande par une tringle de commande qui traverse le carter du moteur- fusée. Deux soufflets tubulaires, disposés coaxialement, et entre lesquels passe la tringle de commande, sont fixés par leur extrémité avant sur l'arrière de l'élé- ment de commande et par leur extrémité arrière sur le carter du moteur de sorte que les fuites des deux liqui- des d'alimentation hypergoliques, se produisant inévita- blement par les guidages intérieur et extérieur radiale- ment de l'élément de commande annulaire restent herméti- quement séparées. Un inconvénient non négligeable de ces soufflets réside dans le fait que leur grande ré- sistance à la rupture n'est garantie que jusqu'à un nombre déterminé de cycles en charge, et qu'ils sont particulièrement sensibles aux oscillations à haute fréquence. Cette conception connue ne convient pas pour des moteurs-fusées qui sont prévus pour un long usage et une grande longévité, et sont soumis à des variations permanentes de charge pendant leur utilisation. Cela concerne particulièrement les engins volants à plusieurs moteurs-fusées et les commandes d'orientation par varia- tion de poussée des moteurs individuels répartis à la périphérie. Dans ce cas, en fonction du changement de direction de poussée, la puissance des moteurs qui se trouvent dans la zone de la nouvelle direction commandée est réduite ou complètement annulée tandis que les mo- teurs opposés fonctionnent à puissance plus élevée. En outre, en raison des masses relativement importantes, un entraînement par crémaillère coûteux en mécanique pour des oscillations à fréquences élevées avec des changements permanents -de direction non seulement impose des forces de commande élevées, mais en outre ses mouve- ments sont lents, et il est sujet à une forte usure. L'invention a donc pour objet de proposer une vanne de commande et un dispositif associé qui, même avec des variations de puissance à fréquence éle- vée, assure une sécurité absolue de fonctionnement et un respect de l'exactitude des instants de commande pen- dant un fonctionnement prolongé avec une grande longé- vité, tout en permettant une réalisation compacte, sous un poids réduit. Selon l'invention,.e résultat est obtenu par le fait que l'élément de commande est fixe dans le car- ter du moteur, qu'un piston de commande est disposé cen- tralement à l'intérieur de l'élément de commande tubu- laire pour la commande du canal d'arrivée intérieur radialement destiné à l'un des liquides d'alimentation, particulièrement l'oxygène ou un comburant, qu'un tiroir tubulaire accouplé de façon.fixe avec le piston précité est disposé coaxialement à l'extérieur de l'élément de commande tubulaire et réglable dans la direction axiale pour la commande du canal d'arrivée extérieur radialement destiné à l'autre liquide d'ali- mentation particulièrement le combustible et que le tiroir comporte un piston annulaire extérieur radiale- ment qui coulisse dans un cylindre de positionnement relié au canal d'arrivée extérieur radialement par un circuit sous pression fournissant un liquide d'alimen- tation. La vanne de commande selon l'invention se caractérise par une réalisation compacte qui, grâce à sa commande directe, fonctionne de façon exacte pendant une longue durée d'utilisation avec une grande longé- vité. Une sécurité absolue est obtenue à cet égard avec l'utilisation de liquides d'alimentation hypergoliques qui réagissent ensemble, car les fuites du cylindre de positionnement vers le canal annulaire extérieur radi- calement, et vice-versa sont absolument sans danger. En outre, selon l'invention, une première bague de commande, sous la forme d'une bague élastique fendue, est disposée à l'intérieur radialement de l'élément de commande tubulaire s'appuyant élastiquement contre sa surface intérieure. De plus, une seconde ba- gue de commande sous la forme d'une bague élastique fendue est prévue à l'extérieur radialement de l'élé- ment de commande tubulaire, s'appuyant élastiquement contre lui. Une rangée intérieure radialement et une rangée extérieure radialement d'encoches de commande séparées les unes des autres sont prévues dans l'élé- ment de commande, en correspondance avec les deux ba- gues de commande. Un dispositif de commande, résistant à l'usure est ainsi réalisé avec des pièces mécaniques simples et éprouvées, à savoir les deux bagues de com- mande sous forme de bagues élastiques fendues, garan- tissant une fermeture de surface sans jeu pendant toute la durée d'utilisation, et assurant ainsi un dosage précis et un fonctionnement libre. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, une bague d'écartement située à l'intérieur ra- dialement est associée, en laissant un léger jeu, avec la bague de commande intérieure radialement, et une ba- gue d'écartement située à l'extérieur radialement est associée, en laissant un léger jeu, avec la bague de commande extérieure radialement, les deux bagues d'écar- tement serrées de façon fixe ayant une longueur axiale légèrement supérieure à celle des bagues de commande. Ainsi, les deux bagues de commande peuvent se déplacer librement dans le plan de serrage radial; elles peuvent aussi coulisser facilement pendant l'opé- ration de commande tout en fonctionnant sans jeu, et elles sont pratiquement exemptes de pannes, comme des pièces mécaniques longuement éprouvées. La section transversale des encoches de commande augmente progressivement dans la direction de la chambre de combustion pour permettre de répondre à l'admission sur-proportionnelle des liquides d'alimen- tation, nécessaire pour les plus grandes puissances. L'accouplement fixe entre le tiroir tubu- laire extérieur et le piston central de commande est assuré par un champignon distributeur muni d'ailettes, déclenchant un courant tourbillonnaire à l'intérieur de la chambre de combustion, le champignon distributeur étant associé par construction avec le piston central et les ailettes établissant une liaison entre ce cham- pignon et le tiroir tubulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: La Figure 1 est une coupe longitudinale de la région de la tête d'injection d'un moteur-fusée à liquides, la Figure 2 est une coupe d'une partie de la Figure 1, et la Figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la Figure 2. Les deux liquides d'alimentation, à savoir le comburant S et le combustible B sont amenés à la tête d'injection 1 de la chambre de combustion 2 par deux canaux d'arrivée 3 et 4 annulaires, disposés co- axialement l'un par rapport à l'autre. L'ensemble du dispositif à soupape destiné au dosage des quantités respectives des liquides d'alimentation comporte essen- tiellement un élément de commande E avec des encoches de commande 7 et 8 et séparant les deux canaux annulai- res 3 et 4, un piston central de commande K réglable dans les deux sens dans la direction axiale, avec sa bague de commande 5 et un tiroir V tubulaire, également mobile axialement avec une bague de commande 6. Les en- coches de commande 7 et 8 sont séparées les unes des autres dans l'élément de commande tubulaire E à son ex- trémité voisine de la chambre de combustion et sont disposées en deux rangées circonférentielles, comme le montre particulièrement la Figure 3 de manière que leur section transversale augmente progressivement dans la direction de la chambre de combustion (Figure 2). Les deux bagues de commande 5 et 6 sont réa- lisées sous forme de bagues élastiques en acier à res - sort, c'est-à-dire qu'elles comportent une fente trans- versale et ne sont donc pas fermées dans la direction circonférentielle. La bague de commande 5 intérieure radialement est ainsi disposée de manière à se serrer sur la surface intérieure de l'élément de commande E tandis que la bague de commande 6 extérieure radiale- ment est serrée sur l'élément de commande E. Dans le but de laisser aux deux bagues de commande 5 et 6 une légère liberté de mouvement dans la direction radiale, elles sont associées avec des bagues d'écartement 10 et 11 qui sont plus longues axialement dans des limites étroites; la bague d'écartement 10 intérieure radiale- ment est fixée contre le piston de commande K au moyen d'un écrou 12 et la bague d'écartement Il extérieure radialement est fixée, contre le tiroir V au moyen d'un manchon de serrage 13. Un jeu radial 14 est laissé entre respectivement les bagues de commande 5 et 6 et les bagues d'écartement 10 et 11. Vers la chambre de combustion 2, le piston de commande K porte de la manière connue un champignon distributeur 9 avec des ailettes15. Ces dernières ac- couplent de façon fixe le piston K avec le tiroir V. Le tiroir V comporte, radialement vers l'extérieur, un piston annulaire 18 qui coulisse dans un cylindre de réglage 16. Ce piston annulaire 18 est entraîné vers l'avant ou vers l'arrière par l'arrivée d'un fluide sous pression, du combustible B dans le cas présent. Lors- que la soupape de commande se déplace vers la chambre de combustion 2, la section transversale libre des en- coches 7 et 8 augmente, tandis qu'elle diminue quand la soupape recule. Pendant le fonctionnement de la chambre de combustion 2, il se produit dansla chambre de pré-gira- tion 17 un mélange préalable des deux liquides B et S. S'il s'agit des produits hypergoliques, il s'y produit une réaction partielle. Le mélange parvient alors à la chambre de combustion 2 en passant par les canaux for- més entre les ailettes 15, en produisant un courant tourbillonnaire accéléré. Comme le montre également la Figure 1, le canal d'arrivée annulaire 4 et le cylindre de réglage 16 reçoivent le même fluide sous pression, à savoir du combustible S. Sur la figure, la référencse 1^-- signe un réservoir à combustible et le référence 20 une pompe d'alimentation. Un distributeur 21 a pour fonction d'amener sélectivement du fluide sous pression dans la chambre de pression du cylindre 16 se trouvant devant ou derrière le piston 18. Le liquide refoulé de la chambre respective retourne au réservoir 19 par les conduites de retour 22, 23. Pour les raisons déjà indiquées, il n'est pas nécessaire que l'étanchéité soit assurée de façon absolue entre le cylindre de réglage 16 et le c. anal d'arrivée annulaire 4 d'une part et avec la chambre de combustion 2 d'autre part. Il est donc possible d'utiliser des sim- ples joints 24 qui laissent inévitablement des fuites, mais qui sont plus économiques. -2489420 REVENDICATIONS 1 - Vanne de commande pour le dosage des con- stituants d'alimentation d'un moteur-fusée de puissance réglable, comprenant un élément de commande tubulaire qui sépare l'un de l'autre deux canaux d'arrivée coaxiaux pour deux liquides circulant vers une tête d'injection, parti- culièrement des liquides hypergoliques jusqu'à un plan d'in- jection, o la section d'injection est commandée, vanne caractérisée en ce que l'élément de commande (E) est fixe dans le carter du moteur, qu'un piston de commande (K) est disposé centralement à l'intérieur de l'élément de commande tubulaire (E) pour la commande du canal d'arrivée (3) inté- rieur radialement destiné à l'un des liquides d'alimenta- tion, particulièrement l'oxygène (O) ou un comburant, qu'un tiroir tubulaire (V) accouplé de façon fixe avec le piston de commande (K) précité est disposé coaxialement à l'exté- rieur de l'élément de commande tubulaire (E), et réglable dans la direction axiale pour lacommande du canal d'arri- vée (4) extérieur radialement, destiné à l'autre liquide d'alimentation, particulièrement le combustible (B), et que le tiroir (V) comporte un piston annulaire (18) extérieur radialement qui coulisse dans un cylindre de positionnement (16) relié au canal d'arrivée (4) extérieur radialement, par un circuit sous pression fournissant un liquide d'ali- mentation, notamment du combustible (B). 2 - Vanne de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une première bague de commande (5), sous la forme d'une bague élasti- que fendue, disposée à l'intérieur radialement de l'élé- ment de commande tubulaire (E) et s'appuyant contre lui, et une seconde bague de commande (6) sous la forme d'une bague élastique fendue, à l'extérieur radialement de l'élé- ment de commande tubulaire (E), et s'appuyant élastique- ment contre lui, ainsi qu'une rangée inférieure radiale- ment et une rangée extérieure radialement d'encoches de commande (7, 8) séparées les unes des autres, prévues dans l'élément de commande (E) en correspondance avec les deux bagues de commande, (5, 6). 3 - Vanne de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une bague d'écartement (10) située à l'intérieur radialement et associée, en laissant un léger jeu radial (14) avec la bague de commande (5) intérieure radialement, et une bague d'écartement (11) située à l'extérieur radialement, et associée, en laissant un léger jeu radial (14) avec la bague de commande (6) extérieure radialement, les deux bagues d'écartement (10, 11) serrées de façon fixe, ayant une longueur axiale légèrement supérieure à celle des bagues de commande (5, 6), de manière que les deux bagues de commande (5, 6) puissent se déplacer librement dans leur plan de serrage radial. 4 - Vanne de commande selon la revendication 3, caractérisée en ce que la bague d'écartement (10) située à l'intérieur radialement est fixée par un écrou (12) contre le piston central de commande (K), tandis que la bague d'écartement (11) située à l'extérieur radialement est fixée contre le tiroir (V) par un manchon de serrage (13) vissé dans ledit tiroir (V). - Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la sec- tion transversale des encoches de commande (7, 8) augmen- te progressivement dans la direction de la chambre de combustion (2). 6 - Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le piston central de commande (K) est muni d'un champignon distri- -30 buteur (9) avec des ailettes (15), et accouplé de façon fixe avec ledit tiroir (V) par lesdites ailettes (15).