Brevet FR2550277A1 — publié le 19850208

Procédé pour le fonctionnement d'un propulseur-fusée à double flux L' invention se rapporte a un procéda pour le fonctionnement d'un propulseur-fuste à double flux marchant à l'oxygène liquide et à l'hydrogène et fonctionnant aussi bien comme propulseur pour vol à proximité du sol que comme propulseur pour volaux hautes altitudes, ce propulseur comprenant une chambre de combustion principale avec tuyère d'éjection rattachée et une chambre de précombustion dans laquelle sont générés des gaz riches en oxygène qui s'écoulent dans la chambre de combustion principale consdoutive, laquelle, pendant le vol à proximité du sol, fonctionne avec excédent d'oxygène et, pendant levol aux hautes altitudes, avec faible excédent d'hydrogène. D'après la cinématique relative aux moteurs b réaction destinés X la propulsion des vecteurs servant b transporten des charges utiles dans l'espace, pour obtenir des conditions optimales aussi bien en cas de vol à proximité du sol qu'aux hautes altitudes ou dans l'espace vide d'air, il est obligatoire, pour le vol à proximité du sol, d'utiliser des combi naisons de propergol de forte densit, comme par exemple l'oxygène et le kérosène et, pour le vol aux hautes altitudes, des combinaisons de propergol de faible densité, mais de grande puissance spécifique.La raison de cette sélection des propergolsréside dans le fait que pour l'envol et l'ascension de grands débits massiques avec volume relativement petit du réservoir à propergols sont nécessaires et avantageux, tandis que pour le vol dans l'espace vide d'air, le volume du réservoir ne joue pratiquement aucun rôle en raison de l'absence de résistance de l'air et qu'on peut donc utiliser sans inconvé- nient l'avantage de la grande impulsion spécifique que procure l'hydrogène. Pour pouvoir utiliser un propulseur-fusée aussi bien en tant que propulseur pour vol à proximité du sol qu'en tant que propulseur pour vol aux hautes altitudes, il est connu, comme le montre par exemple le ÂIÂÂ/SÂE 14 TH-Paper "Joint Propulsion Conference" du 25 au 27 juillet 1978, en particulier page 3, de faire fonctionner un tel propulseur dans les deux phases de vol avec de l'hydrogène liquide et de oxygène. Ce propulseurfusée qui comporte une chambre de combustion principale avec tuyère d'éjection rattachée et trois chambres de précombustion, dont deux produisent des gaz propulsifs riches en oxygène et une des gaz propulsifs riches en hydrogène, fonctionne, en vol à proximité du sol, en injectant les gaz propulsifs des trois chambres de précombustion dans la chambre de combustion principale avec excédent d'oxygène, l'impulsion spécifique étant alors certes plus faible, mais en revanche la densité du propergol plus forte, de sorte que le volume de construction du vecteur se trouve réduit dans son ensemble. Aux hautes altitudes ou dans l'espace vide d'air, ce propulseur-fusée en mettant hors service une chambre de précombustion riche en oxygène, fonctionne avec un léger excédent d'hydrogène, c'est-a-dire avec impulsion optimale. Le propulseur-fusée connu qui vient d'hêtre décrit pour les deux phases de vol est de construction compliquée et encombrante et est par conséquent d'une exploitation coûteuse et d'un poids relativement élevé au décollage. L'objet de l'invention est par conséquent de mettre au point un propulseur-fusée à double flux du type précité qui soit de conception plus simple et par conséquent plus économique ef d'un poids plus léger que les propulseurs comparables connus, mais qui ne présente pas leurs inconvénients tout en conservant cependant leurs avantages déSà précédemment décrits. Avec un propulseur-fusée à double flux selon l'énoncé principal, ce résultat est atteint au moyen d'un procédé de fonctionnement qui se caractérise selon l'invention par le fait que, pendant le vol à proximité du sol et pendant le vol aux hautes altitudes, on envoie respectivement les mêmes quantités d'oxygène liquide et d'hydrogène directement à la chambre de combustion principale, et ce, dans un rapport de masses oxygène/hydrogène de l'ordre de 6:1, et que ee n'est que pendant le vol B proximité du sol que l'on envoie en plus à la chambre de combustion principale des gaz riches en oxygène générés dans la chambre de précombustion dans un rapport de massesoxygène/hydrogène de l'ordre de 20::1, si bien que pendant le vol à proximité du sol la chambre de combustion principale fonctionne dans un rapport de masse oxygène/ hydrogène de l'ordre de 13:1 et que la chambre de pré-combustion est mise hors service pour le vol aux hautes altitudes. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dans un propulseur-fusée k double flux comprenant une pompe à oxygène qui, k partir d'un réservoir, envoie l'oxygène par l'intermédiaire d'une conduite de refoulement directement k la tête d'injection de la chambre de combustion principale, et une pompe à hydrogène qui, k partir d'un réservoir, envoie l'hydrogène par l'intermédiaire d'une conduite de refoulement k la tuyère d'éjection et, par l'intérieur de la paroi de celle-ci et de la paroi de la chambre de combustion principale, k sa tête d'injection, il est prévu que de la conduite de refoulement d'oxygène allant à la tête d'injection de la chambre de combustion principale parte une conduite de dérivation aboutissant k la chambre de précombustion et que, de la conduite de refoulement d'hydrogène allant k la paroi de la tuyère d'éjection, parte une conduite de dérivation aboutissant également à la chambre de précombustion, et que dans ces deux conduites de dérivation soient respectivement montées des valves d'arrêt qui sont ouvertes pendant le vol k proximité du sol et fermées pendant le vol aux hautes altitudes. Grâce au procédé selon l'invention et aux dispositifs utilisés pour sa mise en oeuvre, on arrive à ce q un propulseur-fusée à double flux classique puisse fonctionner aussi bien en tant que propulseur pour vol à proximité du sol que comme propulseur pour vol aux hautes altitudes.En pareil @as, pour le propulseur original et le-propulseur de base, les conditions de fonctionnement restent les ces pendant la phase du vol à proximité du sol et la phase de vol aux hautes altitudes en ce qui concerne les conditions de refroidissement et les conditions d'injection, car, pendant ces deux phases de vol précitées, les mimes quantités d'oxygène liquide et d'hydrogène sont envoyées k la chaire de combustion principale et ce, dans un rapport de masses oxygène/hydrogène de l'ordre de 6::1, de telle sorte que le système de refroidissement et le système d'injection de la chambre de combustion principale peuvent Outre conçus de façon optimale en fonction de ces deux domaines de vol. Par ailleurs, le pouvoir de refroidissement extr8mement élevé de l'hydrogène garantit aussi une puissance de refroidissement suffisante pour la paroi de la tuyère d'éjection et de la chambre de combustion pendant la phase de vol à proximité du sol oW la puissance maximale est produite dans la chambre de combustion principale et une dissipation de chaleur accrue a lieu au niveau de la paroi de la tuyWre d'éjection et de la chambre de combustion, bien que seulement la moitié de l'hydrogène traité dans la chambre de combustion principale soit disponible pour le refroidissement. Pour arriver k ce que pendant la phase de vol W proximité du sol et pendant la phase de vol aux hautes altitudes, la taste d'injection puisse fonctionner dans les mêmes conditions dictées par sa construction, un mode de réalisation de l'invention prévoit que la tête d'injection servant k insuffler dans la chambre de combustion principale les gaz générés dans la chambre de précombustion pendant te vol k proximité du sol comporte un dispositif de soufflage spécial. Celui-ci, selon une autre caractéristique de l'invention, est disposé au centre de la tête d'injection. L'invention sera mieux comprise k l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel t la figure 1 représente un propulseur-fusée à double flux pendant le vol k proximité du sol la figure 2 représente b une échelle agrandie une fête d'injection également pendant le vol à proximité du sol t la figure 3 représente le propulseur-fusée à double flux pendant le vol aux hautes altitudes la figure 4 représente à une échelle agrandie la tête J'injection également pendant le vol aux hautes altitudes. be opulseur-fusée k double flux repr6senté comprend pour l'essentiel une chambre de combustion principale 1 avec tête d'injection 2 pl@@ée à l'avant et tuyère d'éjection 3 rattachée k l'arrière, une chambre de précombustion 4, une pompe d'oxygène 5, une pompe d'hydrogène 6, une turbine 7 pour l'entraînement des pompes, un réservoir d'oxygène 8, un réservoir d'hydrogène 9, une tuyère d'éjection 10 à flux dérivé , une conduite d'amenée d'oxygène 11, une conduite d'amenée d'hydrogène 12, une conduite de refoulement d'oxygène 13, une conduite de refoulement d'hydrogène 14, une conduite de gaz 15 allant de la chambre de précombustion 4 k la tête d'injection 2, une conduite de dérivation d'oxygène 16 aboutissant k la chambre de précombustion 4 et munie d'une valve d'arrêt 17, une conduite de dérivation d'hydrogène 18 aboutissant également à la chambre de précombustion 4 et munie d'une valve d'arrêt 19, une conduite de gaz propulsi 20 partant de l'extrémité de la tuyère d'éjection 3 et conduisant k la turbine 7 d'entraînement des pompes et une conduite 21 amenant les gaz sortant de la turbine a la tuyère 10 k flux dérivé. Comme illustré en particulier sur les figures 2 et 4, la tête d'injection 2 comporte un dispositif de soufflage central 22 pour les gaz riches en oxygène GV générés dans la chambre de précomhustion 4, une chambre de distribution d'oxygène 23 k partir de laquelle l'oxygène OH parvient à la chambre de combustion principale 1 par un grand nombre de buses d'injection 24, et finalement une chambre de distribution d'hydrogène 25 k partir de laquelle l'hydrogène HH est injecte dans la chambre de combustion principale 1 par un grand nombre de buses 26. Le propulseur fusée à double flux selon l'invention fonctionne de la façon suivante : Au départ et pendant le vol à proximité du sol, la chambre de précombustion 4 est en service comme on peut le voir sur les figures i et 2, c'est-a-dire que les deux valves d'arrêt 17 et 19 sont ouvertes et que par les conduites de dérivation 16 et 18 des quantités respectives d'oxygène 0V et d'hydrogène 1W peuvent parvenir k la chambre de précombustion 4 où elles réagissent mutuellement. Les gaz riches en oxygène GV qui y sont générés s'écoulent alors par le dispositif de soufflage 22 dans la chambre de combustion principale 1. Celle-ci reçoit en outre directement par la chambre de distribution 23 et les buses d'injection 24 l'oxygène OH arrivant par la conduite de-refoulement 13, et de la même façon, par la chambre de distribution 25 et les buses 26,l'hydrogbne Iffi arrivant par la conduite de refoulement 14. La conduite de refoulement 14 aboutissant dans la zone divergente de la tuyère d'éjection débouche dans un canal annulaire 27 à partir duquel une partie de l'hydrogène HHh s'écoule vers l'arrière, refroidit alors la partie arrière de la paroi de cette tuyère d'éjection et est recueillie dans un canal annulaire arrière 28 auquel est raccorde la conduite de gaz propulsif 20. L'autre partie de l'hydrogène 1111v traverse la zone avant de la paroi de la tuyère d'éjection 3 et la paroi de la chambre de combustion 1, puis parvient alors k la chambre de distribution 25. La commutation du propulseur-fusée k double flux à la position voulue pour le vol aux hautes altitudes s'effectue en fermant les deux conduites 16 et 18 au moyen des valves 17 et 19. Cette phase de vol est illustrée dans les deux figures 3 et 4. Dans ce. cas, la chambre de précombustion 4 est hors service. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le fonctionnement d'un propulseur.fusée b double flux marchant k l'oxygène liquide et à l'hydrogène et fonctionnant aussi bien comme propulseur pour vol k proximité du sol que comme propulseur pour vol aux hautes altitudes, ce propulseur comprenant une chambre de combustion principale avec tuyère d'éjection rattachée et une chambre de précombustion dans laquelle sont générés des gaz riches en oxygène qui s'écoulent dans la chambre de combustion principale consécutive laquelle, pendant le vol k proximité du sol, fonctionne avec excédent d'oxygène et, pendant le vol aux hautes altitudes, avec faible excédent d'hydrogène, caractérisé par le fait que, pendant le vol k proximité du sol et pendant le vol aux hautes altitudes, on envoie respectivement les mêmes quantités d'oxygène liquide (OH) et d'hydrogène (HH) directement k la ohambre de combustion principale (1), et cerdans un rapport de masses oxygène (OH) / hydrogène (HH) de l'ordre de 6:1 et que ce n'est que pendant le vol à proximité du sol que l'on envoie en plus à la chambre de combustion principale (1) des gaz riches en oxygène (GV) générés dans la chambre de précombustion (4) dans un rapport de masses oxygène (OV) / hydrogène (1W) de l'ordre de 20::1, si bien que pendant le vol à proximité du sol la chambre de combustion principale fonctionne dans un rapport de masses oxygène (OH plus 0v) / hydrogène (11H plus EV) de l'ordre de 13:1 et que la chambre de précombustion (4) est mise hors service pour le vol aux hautes altitudes. 2. Propulseur-fusée k double flux pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication î comprenant une pompe B oxygène qui, à partir d'un réservoir, envoie oxygène par l'intermédiaire d'une conduite de refoulement directement k la tête d'injection de la chambre de combustion principale, et une pompe à hydrogène qui, k partir d'un réservoir, envoie l'hydrogène par l'intermédiaire d'une conduite de refoulement à la tuyère d'éjection et, par l'intérieur de la paroi de celle-ci et de la paroi de la chambre de combustion principale, sa tête d'injection, caractérisé par le fait que de la conduite de refoulement d'oxygène (13) allant k la tête d'injection (2) de la chambre de combustion principale (1) pat une conduite de dérivation (16) aboutissant k la chambre de précombustion (4) et que, de la conduite de refoulement d'hydrogène (14) allant à la paroi de la tuyère d'éjectiont part une conduite de dérivation (18) aboutissant également k la chambre de précombustion (4) et que dans ces deux conduites de dérivation (16 et 18) sont respectivement montées des valves d'arrêt (17, 19) qui sont ouvertes pendant le vol b proximité du sol et fermées pendant le vol aux hautes altitudes. 3. Propulseur-fusée à double flux selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la têRe d'injection (2) pour l'insufflation dans la chambre de combustion principale (1) des gaz (GV) générés dans la chambre de précombustion pendant le vol k proximité du sol, comporte un dispositif de soufflage spécial (22). 4. Propulseur-fusée k double flux selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif de soufflage spécial (22) pour les gaz (GV) générés dans la chambre de précombustion (4) est disposé au centre de la tête d'injection (2).