Brevet FR2568316A1 — publié le 19860131

Propulseur-fusée pour vols spaciaux. L'invention se rapporte à un propulseur-fusée pour vols spatiaux, comprenant une tuyère de poussée au sol et une tuyère de poussée pour vol à haute altitude qui est réglable dans le sens axial et qui, pendant le décollage du sol et le vol à des altitudes relativement basses, se trouve en position avancée, tandis que pendant le vol à haute altitude elle est raccordée par son extrémité avant à l'extrémité arrière de la tuyère de poussée au sol. Dans les propulseurs-fusées, la tuyère de poussée sert à transformer en impulsions l'énergie produite dans la chambre de combustion et à abaisser alors la pression des qaz de travail si possible jusqu'à la pression ambiante régnant dans chaque cas considéré. Aux vols aux hautes altitudes, la pression ambiante varie cependant d'environ 1 bar au niveau de la mer à pratiquement 0 bar dans l'espace vide d'air. Par conséquent, dans les propulseurs-fusées, qui fonctionnent de façon ininterrompue aussi bien en tant que propulseurs de décollage que de propulseurs aux hautes altitudes, la tuyère de poussée, en ce qui concerne la longueur et le rapport de la surface du col à la surface de sortie arrière, devrait être continuellement adaptée au fur et à mesure de l'augmentation de l'altitude en vue d'obtenir un rendement optimal pour la poussée.Cela n'est objectivement pas possible. Un moyen de construction praticable consiste à diviser la totalité de la tuyère de poussée par rapport à sa longueur et à prévoir une tuyère de poussée au sol montée fixe sur la chambre de combustion et une tuyère de poussée pour vol à haute altitude ou parties de celle-ci déplaçables axialement, comme cela est par exemple indiqué dans le brevet américain 3 229 457. En pareil cas, au décollage et pendant le vol à basse altitude, les parties arrière de la tuyère de poussée se trouvent en position avancée, c'està-dire que celles-ci sont hors service et que c'est seule ment la tuyère de poussée au sol fixe qui fonctionne.Au fur et à mesure que l'altitude augmente,les différentes parties de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude, le propulseur étant en route, sont raccordées à l'arrière de la tuyère de poussée au sol afin d'adapter au mieux, la pression de sortie du jet de poussée à la pression ambiante. Si avantageuse que soit la division de la tuyère de poussée en deux ou plusieurs étages d'expansion, elle est toutefois assorite d'un certain nombre de problèmes. Pour, en effet, faire fonctionner une tuyère de poussée avec un bon rendement, il est nécessaire, comme déjà pentionné auparavant, d'adpater la pression de sortie du jet de poussée à la pression ambiante.Cela revient à dire qu'une tuyère de poussée adaptée à la pression atmosphérique régnant au niveau du sol fonctionne avec sous expansion à mesure que l'altitude augmente, si bien que le jet e poussée après sa sortie de la tuyère continue à se détendre et à s'élargir et qu'ensuite, lors de la commutation au fonctionnement aux hautes altitudes, la tuyère de poussée pour vol à haute altitude doit être déplacée vers l'arrière et installée à sa position de raccordement en traversant le jet de poussée détendu extremement chaud. En plus de la complexcité de la construction, cela entraîne un manque de fiabilité qui doit absolument être évité.Pour pallier cette difficulté, il faudrait que la tuyère de poussée au sol fonctionne "avec surexpansion" pendant le décollage et le vol à basse altitude afin de ne pas fonctionner "avec expansion" à des altitudes relativement élevées ou lorsque la zone de commutation pour passer en fonctionnement aux hautes altitudes est atteinte. Une tuyère de poussée "avec surexpansion" fonctionne cependant avec une perte de poussée constante. L'objet de l'invention est par conséquent d'éliminer les inconvénients des modes de réalisation connus des tuyères de poussée à deux ou plusieurs étages et de concevoir un propulseur-fusée comprenant une tuyère de poussée à deux étages du type précité qui, bien que de construction relativement simple, fonctionne en moyenne avec un bon rendement à toutes les altitudes pendant la totalité du vol du sol jusqu'à l'espace vide d'air, et ce, tout en garantissant une bonne fiabilité. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que la tuyère de poussée au sol jusqu'à une altitude d'environ 12 à 14 km est réalisée sous la forme d'une tuyère à surexpansion et produit alors une pression de sortie d'à peu près 0,2 à 0,15 bar pour son jet de poussée et que, lors du décollage du sol et jusqu'à une altitude d'environ 12 à 14 km, la tuyère de poussée pour vol à haute altitude se trouve dans une position avancée de manière à engendrer un second cercle de poussée extérieur et qu'alors la zone arrière de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude dont l'extrémité arrière - vue dans le sens delPécoulement - se situe légèrement derrière lSextrémité arrière de la tuyère de poussée au sol, forme, en liaison avec la tuyère de poussée au sol placée radialement à l'intérieur ainsi qu'avec son jet de poussée central convergent qui entraîne le jet de poussée extérieur par un effet d'injection, une tuyère annulaire supersonique convergente-divergente pour ce jet de poussée extérieur, et qu'à une altitude d'environ 12 à 14 km et à une pression ambiante d'a peu près 0,2 à 0,15 bar, la tuyère de poussée pour vol à haute altitude est reculée et raccordée axialement à la tuyère de poussée au sol et que la tuyère de poussée pour vol à haute altitude est réalisée, par rapport à la pression ambiante de quelque 0,2 à 0,15 bar régnant 14altitude d'environ 12 à 14 km, sous la forme d'une tuyère à surexpansion de manière à produire une pression de sortie d'à peu près 0,03 à 0,02 bar pour le jet de poussée 12. Grace à l'invention, on arrive à ce que les effets préjudiciables de la tuyère de poussée au sol fonctionnant nitialennt "avec sure-Dansion" soient compensés par la mise en service de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude dès la première phase de fonctionnement, c'est-à dire lors du décollage &commat; Ses pertes de rendement sont ainsi elles-mêmes réduites. Le recul de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude s'effectue à peu près sans contrainte thermique pour cet élément de construction attendu qu'à l'altitude de commutation proposée, le jet de la tuyère de poussée au sol est sensiblement parallèle à l'axe. Le principal avantage de l'invention réside, en outre, dans le fait que, pour le vol spatial, on obtient le plus grand taux d'expansion possible rapporté à la tuyère de poussée prise dans son ensemble, d'où les excellents rendements pratiquement obtenus de bout en bout dans toutes les phases de fonctionnement depuis le décollage jusque dans l'espace. L'état de fonctionnement en surexpansion de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude pendant la phase de commutation à une altitude d'environ 12 à 14 km est en pareil cas négligeable, attendu que cette phase, en raison de la grande vitesse ascentionnelle déjà atteinte, n'est que de courte durée et qu'on passe très rapidement à la phase de fonctionnement avec expansion normale, puis avec sous expansion qui garantit de toute façon de bons rendements. Le degré d'expansion de la tuyère de poussée au sol et sa pression de sortie sont choisis dans le cadre de l'invention de façon à ne pas dépasser une certaine valeur limite afin que dans la zone critique pour le premier étage de fonctionnement, à savoir au décollage et en vol à des altitudes relativement basses, il ne se produise aucun décollement de l'écoulement sur la paroi interne de la tuyère de poussée.C'est cette valeur limite choisie comme degré d'expansion pour la tuyère de poussée au sol qui donne l'altitude de commutation qui se situe selon l'invention à une altitude comprise entre 12 et-14 km à laquelle prédomine une pression ambiante d'environ 0,2 à 0,15 bar, la tuyère de poussée au sol fonctionnant pratiquement avec une expansion normale à cette hauteur de vol (par exemple PeB/Pa = 0,2/0,2 = 1) si bien que son jet est disposé sensi- blement parallèlement et que la tuyère de poussée pour vol à haute altitude peut être reculée sans contrainte thermique, donc sans avoir à traverser une zone chaude. Par ailleurs, le degré d'expansion de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude est établi selon l'invention de manière que dans le domaine des altitudes de commutation entre 12 à 14 km, il se produise encore aucun décollement de l'écoulement du jet de poussée sur la paroi interne de la tuyère (par exemple : PeH/pa = 0,03/0,15 = 0,2). Dans un mode de réalisation d'un propulseurfusée conçu selon l'invention qui comporte une tuyère de poussée à deux étages et qui est placée sur le vecteur à l'extérieur dans l'écoulement libre de l'air, on propose de réaliser l'entrée d'air pour le second cercle de poussée extérieur sous la forme d'un diffuseur ultrasonique et de fournir de l'énergie à l'air s'écoulant par ce cercle de poussée, en particulier par transfert de chaleur par la paroi chaude de la chambre de combustion et par la paroi chaude de la tuyère de poussée au sol. On enlève ainsi en plus de l'énergie au jet de poussée au sol, ce qui ré duit encore les pertes de rendement du cercle de poussée central. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de deux modes de réalisation pris comme exemple, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente un propulseur-fusée comprenant une tuyère de poussée au sol et une tuyère de poussée pour vol à haute altitude avancée pour la formation d'un second cercle de poussée extérieur pendant le vol à des altitudes relativement basses; la figure 2 représente le même propulseur pendant la commutation pour le fonctionnement à haute altitude; la figure 3 représente le propulseur-fusée immédiatement après la commutation pour le fonctionnement à haute altitude avec tuyère de poussée pour vol à haute altitude raccordée à la tuyère de poussée au sol; la figure 4 représente la partie arrière de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude pendant le fonctionnement dans l'espace vide d'air; et la figure 5 représente une variante du second cercle de poussée extérieur d'un propulseur-fusée analogue à la figure 1. Le propulseur se compose pour l'essentiel d'une chambre de combustion 1 avec une tête d'injection 2 et d'une tuyère de poussée au sol 3 constructivement intégrée ainsi que d'une tuyère de poussée pour vol à haute altitude 4 dé plaçable en avant et en arrière dans le sens axial. La tuyère de poussée au sol 3 est réalisée du point de vue de la dynamique des fluides de manière qu'au décollage et à proximité du sol, comme illustré à la figure 1, le jet de poussée central 5 converge, c'est-à-dire que la tuyère de poussée au sol fonctionne avec surexpansion jusqu'à une altitude d'environ 12 à 14 kilomètres de telle sorte que la pression externe p a ou pression ambiante est plus grande que la poussée finale PeB de la tuyère qui est de 0,2 à 0,15 bar. Dans cette phase de fonctionnement, la tuyère de poussée pour vol à haute altitude 4 est avancée et créé un second cercle de poussée extérieure 6.La zone arrière 4a de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude 4 dont l'extrémité arrière 4b se trouve derrière l'extrémité arrière 3b de la tuyère de poussée au sol 3 forme alors, en liaison avec la tuyère de poussée au sol située radialement à l'intérieur ainsi qu'avec son jet de poussée central convergent 5, une tuyère annulaire ultrasonique convergente-divergente pour le jet de poussée extérieur 8 qui est accéléré par l'effet d'injection du jet de poussée central 5. Comme le propulseur ne se trouve pas dans l'écoulement d'air libre, l'air L à l'avant de l'entrée nsest aspiré qu'à partir de l'espace clos environnant. Sur la figure 2, le missile se trouve déjà à une certaine altitude, 7 c'est-à-dire que la tuyère de poussée pour vol à haute altitude 4 est maintenant reculée. Celas'effectue au moyen d'un système de commande télescopique 9, la tuyère de poussée 4 se déplaçant par l'intermédiaire de douilles de glissement 10 sur des guidages rectilignes Il solidaires de la cellule.Dans la zone de commutation, la tuyère de poussee au sol 3 fonctionne à peu près avec expansion normalea csest-à-dire que son jet de poussée Sa est sensiblement disposé parallèlement à l'axe (pas encore divergent) dans cette phase de fonctionnement, de telle sorte que la tuyère de poussée pour vol à haute altitude 4 peut être reculée sans contrainte thermique importante La figure 3 représente la tuyère de poussée pour vol à haute altitude 4 qui est raccordée à la tuyère de poussée au sol 3 et qui, dans la zone d'altitude du point de commutation, ne fonctionne qu'un court instant avec surexpansion et pertes de rendement en raison des vitesses ascentionnelles élevées déjà atteintes, le jet de poussée 12 étant resserré. La figure 4-représente le fonctionnement du propulseur et des tuyères de poussée 3, 4 prises dans leur ensemble dans l'espace vide flair où elles fonctionnent avec sous expansion et divergence du jet de poussée 12. La figure 5 représente un propulseur-fusée qui est placé dans l'écoulement d'air libre LF. Dans ce cas, l'entrée d'air annulaire pour le second cercle de poussée extérieur 6a est réalisée- sous la forme d'un diffuseur ultrasonique 13 et l'air comprimé le traversant est chauffé par échange thermique au niveau d'un échangeur de chaleur 14 en forme d'étoile et naturellement aussi le long de la paroi chaude de la chambre de combustion 1 et de la paroi chaude de la tuyère de poussee au sol 3. REVENDICATIONS 1. Propulseur-fusée pour vols spatiaux, comprenant une tuyère de poussée au sol et une tuyère de poussée pour vol à haute altitude qui est réglable dans le sens axial et qui, pendant le décollage du sol et le vol à des altitudes relativement basses, se trouve en position avancée, tandis que pendant le vol à haute altitude elle est raccordée par son extrémité avant à l'extrémité arrière de la tuyère de poussée au sol, caractérisé par le fait que la tuyère de poussée au sol (3) jusqu'à une altitude d'environ 12 à 14 km est réalisée sous la forme d'une tuyère à surexpansion et produit alors une pression de sortie PeB d'à peu près 0,2 à 0,15 bar pour son jet de poussée (5) et que, lors du décollage du sol et jusqu'à une altitude d'environ 12 à 14 km, la tuyère de poussée pour volà haute altitude (4) se trouve dans une position avancée de manière à engendrer un second cercle de poussée extérieur (6) et qu'alors la zone arrière (4a) de la tuyère de poussée pour vol à haute altitude (4) dont l'extrémité arrière (4b) - vue dans le sens de l'écoulement - se situe légèrement derrière l'extrémité arrière (3b) de la tuyère de poussée au sol (3), forme, en liaison avec la tuyère de poussée au (3) placée radialement à l'intérieur ainsi qu'avec son jet de poussée central convergent (5) qui entraîne le jet de poussée extérieur (8) par effet d'injection, une tuyère annulaire supersonique convergente-divergente pour ce jet de poussée extérieur (8), et qu'à une altitude d'environ 12 à 14 km et à une pression ambiante d'à peu près 0,2 à 0,15 bar, la tuyère de poussée pour vol à haute altitude (4) est reculée et raccordée axialement à la tuyère de poussée au sol (3) et que la tuyère de poussée pour vol à haute altitude (4) est réalisée, par rapport à la pression ambiante de quelque 0,2 à 0,15 bar régnant à l'altitude d'environ 12 à 14 km, sous la forme d'une tuyère à surexpansion de manière à produire une pression de sortie PeH d'à peu près 0,03 à 0,02 bar pour le jet de poussée (12). 2. Propulseur-fusée selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'entrée d'air pour le second cercle de poussée extérieur (6a) est réalisé sous la forme d'un diffuseur supersonique (13) et qu'à l'air s'écoulant à travers ce cercle de poussée (6a), on fournit de l'éner- gie, en particulier par transfert de la chaleur de la paroi chaude-de la chambre de combustion (1) et de la paroi chaude de la tuyère de poussée au sol (3) et éventuellement par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (14).