Brevet FR2523650A1 — publié le 19830923

L'invention concerne un dispositif déployable de prolongement de tuyère de moteur fusée équipant entre autres les étages intermédiaires d'un lanceur. L'impulsion spécifique de propulsion (I S P)d'un moteur fusée dans le vide est fonction du rapport d'expan- sion de sa tuyère, c'est-à-dire du rapport des surfaces de la section de sortie à la section au col Donc, toutes choses égales par ailleurs, l'I S P augmente avec le rap- port d'expansion. Comme la forme de la tuyère est imposée par des considérations d'ordre aérodynamique et ne varie que très peu, 1 'I S P augmente avec la longueur de la tuyère Tout gain d'I S P se traduit par un gain en masse au niveau de la charge utile. Dans la réalité, il faut trouver un compromis entre la section de sortie, que l'on souhaite la plus gran- de possible, et les augmentations de masse corrélatives qui viennent en déduction des gains possibles au niveau de la charge utile, ces augmentations de masse étant dues à l'augmentation de longueur du divergent et des structu- res enveloppes entre les étages d'un lanceur. Afin de limiter la hauteur nécessaire au loge- ment du moteur entre étages d'un lanceur, on s'est orienté vers des dispositifs susceptibles de réaliser le rapport d'expansion souhaité après séparation de l'étage inférieur, par déplacement d'un ou plusieurs anneaux tronconiques ou mise en place de parois fractionnées autour de la tuyère. Ces systèmes sont généralement commandés par l'intermé- diaire de sources de puissance annexes: électrique, hy- draulique ou autres. Selon une réalisation décrite dans le Journal of Spacecraft, Vol 9, n 7, juillet 1972,pages 485, 486, le prolongement est constitué d'une feuille métallique repliée en V, fixée extérieurement à la tuyère par l'extrémité d'une branche du V, l'ouverture du V étant dirigée dans le sens de l'ouverture de la tuyère Un couvercle, en tis- su de nylon enduit de caoutchouc, est fixé sur le pourtour formé par la deuxième branche du V Le prolongement est dé- ployé, après séparation de l'étage inférieur, par mise sous pression (de l'ordre de 0,1 M Pa) de la tuyère Le couvercle est séparé en coupant par explosif la bague ou le câble de fixation La déformation plastique résultante produit une structure finale rigide qui ne nécessite pas de supports supplémentaires pour supporter la poussée et les charges dynamiques. Le prolongement ne peut être refroidi que par rayonnement lorsque la tuyère est en fonctionnement et ce- ci détermine une qualité de matériau compatible avec la température du jet, température d'autant plus élevée que la partie fixe de tuyère sera plus courte Le repliage du prolongement sur la tuyère fixe nécessite que celle-ci ne supporte aucune tuyère secondaire et, par conséquent, le dispositif ne peut être utilisé dans le cas de tuyère à flux dérivé. Le dispositif déployable de prolongement de tu- yère, selon l'invention, est disposé à l'extrémité de la tuyère fixe et peut éventuellement être refroidi par le fluide de refroidissement circulant dans la jupe de la tuyère. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'inven- tion peut être réalisée. La figure 1 montre une vue partiellement en cou- pe d'une tuyère équipée d'un dispositif selon l'invention, en position repliée. La figure 2 est une même vue que la figure 1,le dispositif étant en position dépliée. La figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III de la figure 1. La figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail IV de la figure 2. Les figures 1 et 2 montrent un moteur fusée à flux dérivé La chambre de combustion 1 communique avec la tuyère principale 2 par un étranglement ou col 3 La sortie de la turbopompe 4 est prolongée par une tuyère 5 qui est fixée au moins en un point 6 de la tuyère princi- pale Un dispositif de refroidissement 7 de la chambre de combustion 1 et de la jupe 8 de la tuyère principale est prévu près du col du moteur Le dispositif de prolongement 9 de la tuyère principale 2, selon l'invention, se présen- te extérieurement sous l'aspect d'une jupe tronconique formée d'un empilement d'anneaux ou de spires de tube sou- dés entre eux approximativement selon une de leur généra- trice Le tube présente, lorsque le dispositif est en po- sition repliée (Fig 1 >,une section aplatie dans le sens de l'empilement, la forme étant, par exemple, celle d'une ellipse ou,comme représenté Fig 3, d'un rectangle allon- gé dont les petits côtés sont arrondis. Le ou les tubes comportent à l'intérieur un dis- positif pyrotechnique, par exemple un cordeau détonant 10, relié à un dispositif d'allumage commandé par la sépara- tion d'étage La mise à feu du cordeau provoque, par la formation de gaz, une augmentation de pression suffisante dans le tube pour qu'il se gonfle et prenne une forme ap- proximativement circulaire comme montré figure 4 Par sui- te de la modification de forme des tubes constituant les spires ou les anneaux, et en particulier de leur augmen- tation de dimension dans le sens de l'empilement, le pro- longement se déploie, comme montré figure 2, et la surfa- ce des tubes formant l'intérieur continue la paroi inté- rieure de la tuyère. Suivant une première forme de réalisation, le prolongement est formé à partir d'un tube continu enroulé hélicoldalement à spires jointives, les spires étant sou- dées les unes aux autres selon deux génératrices approxi- mativement diamétralement opposées Le cordon détonant est placé dans le tube et sur toute sa longueur et ne compor- te généralement qu'un point d'allumage. Suivant une deuxième forme de réalisation, le prolongement est formé à partir de plusieurs tubes, dis- posés côte à côte et enroulés à spires jointives selon des spirales plus ou moins serrées Chaque tube est alors muni d'un cordon détonant, tous les cordons étant reliés au mê- me dispositif d'allumage. Dans les réalisations précédentes, on peut, une fois le prolongement déployé, soit maintenir le ou les tu- bes sous pression, le refroidissement s'effectuant par ra- yonnement, soit prévoir un raccordement avec la sortie du refroidissement de la jupe fixe de la tuyère, le refroidis- sement s'effectuant par circulation de fluide cryogénique. Le raccordement entre le prolongement et la jupe fixe et éventuellement avec l'atmosphère extérieure, avant et pen- dant le dépliage, est interrompu par des dispositifs d'ar- rêt: vannes ou clapets. Selon une troisième forme de réalisation, le pro- longement est constitué d'un empilement d'anneaux munis chacun d'un cordon détonant Ces cordons sont reliés de manière connue à un dispositif d'allumage Cette réalisa- tion se prête uniquement à un refroidissement par rayonne- ment. Différents modes de réalisation sont suscepti- bles de fournir un dispositif de prolongement selon l'in- vention. On enroule à spires jointives un tube de sec- tion circulaire sur un mandrin et on soude les spires les unes aux autres On place le cordon détonant et on met sous pression le tube On procède ensuite, selon des mé- thodes connues, à l'écrasement de l'ensemble de manière à réduire, dans le rapport voulu, la hauteur du prolongement. On fixe ensuite le dispositif à la jupe de tuyère. Le même mode de réalisation s'applique à un em- pilement d'anneaux. Selon un autre mode, on part du tube de section aplatie que l'on enroule et soude L'opération d'écrase- ment est alors supprimée. Selon un exemple de réalisation, on utilise un tube d'acier inoxydable de section circulaire, de 10 mm de diamètre et de 0,1 mm d'épaisseur Par écrasement de l'ensemble, on fait passer l'épaisseur d'une spirale de mm à 2 mm environ, de cette façon la longueur totale du dispositif de prolongement passe de 800 mm à 160 mm, soit un rapport 1/5. Le dispositif est alors fixé sur le pourtour de la jupe fixe de la tuyère, les sorties de refroidissement étant éventuellement raccordées On place sur le bord in- férieur de la jupe tronconique du dispositif des moyens de maintien largables destinés à éviter tout déplacement dû aux vibrations pendant la phase de lancement Ces mo- yens sont largués lors de la séparation de l'étage infé- rieur Le dispositif pyrotechnique, mis à feu, crée une pression suffisante pour amener les tubes à leur forme cir- culaire et ainsi déployer le dispositif. L'allongement de la tuyère permet de porter la section de passage de 60 à 130, ce qui, malgré l'augmenta- tion de masse du moteur de l'ordre de 15 kg, permet une augmentation significative de la charge utile. R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif déployable de prolongement de tuyè- re de moteur fusée destiné en particulier à équiper les étages intermédiaires d'un lanceur, caractérisé en ce qu' il est constitué d'une jupe tronconique ( 9) formée d'un empilement d'anneaux ou de spires de tube soudés entre eux, ledit tube présentant une section aplatie dans le sens de l'empilement, et d'un dispositif pyrotechnique ( 10), logé dans le tube, susceptible de produire, lors de sa mise à feu, une pression suffisante pour faire augmenter la di- mension du tube dans le sens de l'empilement. 2 Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la jupe est formée par au moins un tube continu enroulé hélicoldalement à spires jointives, les spires étant soudées les unes aux autres selon deux géné- ratrices approximativement diamétralement opposées. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2,ca- ractérisé en ce que le tube a une section de forme ellip- tique. 4 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que le tube a une section en forme de rec- tangle allongé dont les petits côtés sont arrondis. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le ou les tubes formant la jupe tronconique comportent au moins un raccordement avec la sortie de refroidissement de la tuyère fixe. 6 Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le ou les raccordements comportent un dispositif d'arrêt isolant le ou les tubes au moins pen- dant la mise à feu du dispositif pyrotechnique.