Brevet FR2569235A1 — publié le 19860221

La présente invention se rapporte à un dispositif de propulsion à faible durée de combustion et à forte densité de puissance, en particulier pour des projectiles agissant uniquement par énergie cinétique, appelés ci-après "projectiles cinEtiques", ce dispositif comprenant une réserve de propergol liquide qui est brûlée dans une chambre de combustion suivie d'une tuyère de poussée. Les dispositifs de propulsion à faible durée de combustion et à forte densité de puissance tels qu'ils sont utilisés surtout en tant que systèmes de propulsion sans recul de projectiles cinétiques ou de projectiles de mortier et qui doivent fournir des accélérations extrêmement élevées comprises entre 1000 et 4000 g avec une poussée d'environ 20.000 à 50.000 daN pendant une durée de combustion de par exemple 0,1 à 0,Ols présentent, lorsqu'il s'agit de dispositifs de propulsion à propergol solide, l'inconvénient que la combustion est difficile à contrôler et que le propergol solide doit être stocké dans la chambre de combustion de manière à présenter une grande surface de combustion et doit, pour des raisons de solidité, être positionnée par des supports particuliers, ce qui implique un volume comparativement important pour la chambre de combustion, une construction compliquée et surtout un poids élevé. Dans le cas des dispositifs de propulsion à propergol liquide, la difficulté consiste par contre dans l'alimentation en propergol du fait que toute la quantité de propergol doit, en l'espace d'une fraction de seconde, être pompée depuis le ou les réservoirs dans la chambre de combustion et y être brûlée. Dans la mesure où un tel système serait réalisable, il impliquerait la mise en oeuvre d'un appareillage important qui aurait des répercussion défavorables sur le poids et le volume total du dispositif de propulsion. Le but de la présente invention est de créer un dispositif de propulsion à faible durée de combustion et à forte densité de puissance fonctionnant à l'aide de propergol liquide et présentant cependant un volume et un poids réduit ainsi qu'une construction extrêmement simple et n'exigeant en particulier pas de système d'alimentation et d'injection compliqué pour le propergol liquide. Ce but est atteint, selon l'invention, par un dispositif de propulsion à faible durée de combustion du type décrit ci-dessus, caractérisé par le fait que la réserve de propergol liquide est située; à la manière d'une colonne de liquide, directement dans la chambre de combustion, que la colonne de liquide est supportée, par une paroi de dOlimita- tion, à l'extrémité de la chambre de combustion située à l'arrière dans le sens de vol et qu'un canal de renvoi menant de l'extrémité avant de la chambre de combustion vers la tuyère de poussée est prévu pour les gaz propulsifs chauds s'échappant pendant la combustion de la colonne de liquide. Dans le dispositif de propulsion suivant l'invention, l'ensemble de la réserve de propergol liquide se trouve déjà avant l'allumage du dispositif de propulsion dans la chambre de combustion elle-même, de sorte que tout dispositif d'alimentation pour injecter le propergol liquide dans la chambre de combustion sous haute pression est superflu; en même temps, ce stockage particulier du propergol assure, en combinaison avec le canal de renvoi, même sous les acce- lérations extrêmement importantes, un positionnement sur du propergol liquide dans la chambre de combustion ainsi qu'une combustion rapide avec un échappement sensiblement libre des gaz propulsifs, sans qu'il- soit nécessaire de prendre à cet effet, comme avec les dispositifs de propulsion connus à propergol solide, des dispositions auxiliaires coûteuses, entrainant une augmentation du poids et du volume.Le dispositif de propulsion conforme à l'invention convient donc parfaitement pour toutes les applications exigeant des puissances de propulsion élevées, de faible durée, et en même temps une construction simple, compacte et de poids réduit, donc en particulier pour des projectiles cinétiques ou en tant que dispositif de propulsion pour des projectiles de mortier ou des projectiles à charge creuse, par exemple pour la défense anti-chars. De préférence, le propergol constituant la colonne de liquide stockée dans la chambre de combustion est un propergol liquide monergolique, à savoir soit un monergol pur, un mélange de monergols ou un monergol avec un catalyseur en suspension, ce qui permet d'obtenir des vitesses de propaga tion élevées pour le processus de réaction et de supprimer des dispositifs pour séparer des ergols différents; pour obtenir des densités de puissance plus élevées, on peut cependant utiliser également des systèmes biergoliques ou multiergoliques dont les composants ou ergols sont stockés dans la chambre de combustion en étant séparés les uns des autres par des parois de séparation susceptibles être dXtruites lors de l'allumage ou pendant la combustion. A l'extrémité de la chambre de combustion menant vers la tuyère de poussée et située à l'avant dans le sens de vol, la colonne de liquide est avantageusement délimitée par une ou plusieurs membranes claquables susceptibles de se rompre lors de l'allumage, l'allumage ayant lieu de préférence sous l'action d'une charge allumage hypergolique ou pyrotechnique disposée à l'extrémité avant de la chambre de combustion et séparée par une membrane claquable de la colonne de liquide, cette charge d'allumage étant réalisée, par exemple, soùs la forme d'un corps solide qui renforce alors la résistance des membranes claquables et se décompose lors de l'allumage. Du fait que la combustion du liquide se déroule normalement de façon relativement désordonnée, il est proposé, suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, de contrôler dans une certaine mesure le processus de réaction, soit dans le sens d'une accélération de la réaction, soit dans le sens d'une d8célération- de la réaction. Ainsi, le canal de renvoi présente avantageusement un ou plusieurs tronçons de canal s'étendant dans la direction longitudinale de la colonne de liquide et directement contiguë à cette dernière, ce qui procure non seulement une construction compacte, mais encore un effet d'échange de chaleur entre les gaz propulsifs chauds et le propergol liquide, entraînant ainsi un-accroissement de la surface de réaction et une augmentation de la vitesse de combustion. Pour accélérer encore davantage la réaction, il est avantageux de prévoir, dans les parois de délimitation entre la colonne de liquide et les sections de canal contiguës, dans la zone de l'extrémité arrière de la chambre de combustion, de préférence plusieurs ouvertures d'étranglement obturées jusqu'à l'allumage et permettant une sortie de liquide limitée dans les gaz propulsifs chauds, de sorte que, de façon complémentaire à la combustion à l'intérieur de la chambre de combustion, du liquide passe sous pression de gaz et avec effet d'accélération par les ouvertures d'étranglement à l'extrémité arrière, côté tuyère de poussée, de la chambre de combustion, dans le canal de renvoi pour réagir ici avec les gaz propulsifs chauds. Ces ouvertures d'étranglement sont avantageusement obturées par une membrane susceptible d'être détruite par l'action de la chaleur des gaz propulsifs. L'accroissement des surfaces de réaction par suite d'un effet d'échange de chaleur a lieu, d'une manière particuliè- rement avantageuse du point de vue de la construction, par le fait que le canal de renvoi contient un tronçon de canal annulaire s'étendant entre l'enveloppe extérieure et la colonne de liquide en direction longitudinale de la chambre de combustion et, en plus ou au choix, un ou plusieurs tubes de guidage de gaz traversant la colonne de liquide depuis l'extrémité avant jusqu'à l'extrémité arrière, côté tuyère de poussée, de la chambre de combustion. Pour commander la vitesse de combustion, on peut en outre incorporer à la colonne de liquide des additifs chimiques tels que des antidétonants, des agents captant les radicaux ou des additifs analogues et/ou des corps solides, par exemple de la mousse de carbone, afin d'assurer même avec des propergols liquides de forte activité une combustion contrôlée sans risque d'une propagation du front de réaction à la manière d'une avalanche.Un tel déroulement contrôlé de la réaction peut être obtenu au choix ou de façon complémentaire également par une conformation particulière de la colonne de liquide, à savoir-avantageusement par le fait que la section droite de la colonne de liquide est faible par rapport à sa longueur axiale et/ou dans le cas d'un système de propergol monergolique, par le fait que la colonne de liquide est subdivisée en plusieurs chambres de liquide parallèles réagissant chacune individuellement. Pour la description plus détaillée de l'objet de l'invention, on va en décrire ci-après plusieurs exemples de réalisation non limitatifs illustrés par le dessin annexe, sur lequel la fig. l est une représentation schématique d'un dispositif de propulsion à faible durée de combustion conforme à l'invention; la fig. 2 est unereprésentation schématique d'un autre exemple de réalisation de l'objet de l'invention, avec des dispositions en vue du contrôle de la combustion; la fig. 3 représente schématiquement un troisième exemple de réalisation dans son application à un dispositif de propulsion pour un projectile cinetique. Le dispositif de propulsion 2 à faible durée de combustion représenté sur la fig. 1 comprend une chambre de combustion 4 avec une enveloppe de chambre de combustion 6 fermée par une paroi de délimitation 8 à l'extrémité de la chambre de combustion située en arrière dans le sens de vol A. L'extrémité de la chambre de combustion 4 située a l'avant dans le sens de vol A communique par un canal de renvoi constitué dans le cas représenté par deux coudes 10, 12, avec une tuyère de poussée réalisée sous la forme de deux tuyères individuelles 14, 16. La chambre de combustion 4 est remplie d'une colonne de propergol liquide 18 constituée par un monergol pur, un mélange de monergols ou un monergol avec un catalyseur en suspension et est fermée, jusqu'à l'allumage, par deux membranes claquables 20, 22 et par une charge d'allumage solide 24 pyrotechnique située entre les deux membranes 20, 22 et servant d'appui a ces dernières, de sorte que la colonne de liquide 18 se trouve stockée jusqu 'à l'allumage du dispositif de propulsion 2 de façon stre et étanche dans la chambre de combustion 4. Lors de l'allumage de la charge solide 24, se decompo- sant d'elle-même, les membranes 20, 22 sont détruites et le monergol liquide est activé dans la chambre de combustion 4 jusqu'au point de réaction, ae manière à réagir de lui-même. Les gaz propulsifs chauds ainsi produits quittent la chambre de combustion 4 à l'extrémité de cette dernière qui est située à l'avant dans le sens de vol A et qui est maintenant ouverte et sont envoyés par les coudes lO, 12 jusqu'aux tuyères individuelles 14, 16 où ils se détendent en produisant une poussée. Sous l'action d'accélérations extrêmement élevées qui, pour une durée de combustion de 0,1 s ou moins et une pression dans la chambre de combustion de l'ordre de 1000 bars doivent atteindre~des valeurs comprises entre 1000 et 4000 g, la colonne de liquide 18 est refoulée vers l'extrémité arrière de la chambre de combustion, et l'enveloppe 6 ainsi que la paroi de délimitation 8 de la chambre de combustion sont conçues de manière à assurer, même sous ces accélérations importantes, un appui sûr à la colonne de liquide 18. Dans le dispositif de propulsion 26 représenté sur la fig. 2, la chambre de combustion 32 composée d'une enveloppe 28 et d'une paroi de délimitation 30 est maintenue par des éléments d'espacement 34 coaxialement dans un carter extérieur 36 présentant une surface latérale extérieure cylindrique 38 se raccordant, à l'extrémité arrière de vol A, à une tuyère de poussée 40. Lors de l'utilisation du dispositif de propulsion pour le lancement sans recul, par exemple de projectiles cinétiques ou de projectiles à charge creuse, le diamètre extérieur de l'enveloppe extérieure 38 correspond au calibre du dispositif de lancement. La chambre de combustion 32 est de nouveau remplie d'une colonne 42 de propergol liquide monergolique et est obturée à son extrémité située à l'avant dans le sens de vol A par deux membranes claquables 44, 46 et par une charge d'allumage solide intermédiaire 48. La chambre de combustion 32 est traversée par un tube de guidage de gaz 50 central qui est également obturé i I'extrémité avant de la chambre de combustion par des membranes claquables 44, 46 et par la charge d'allumage 48 et qui est ouvert à l'extrémité arrière de la chambre de combustion, vers la tuyère de poussée 40. Pendant la combustion de la colonne de liquide 42, les gaz propulsifs chauds s'échappant de l'extrémité avant de la chambre de combustion sont amenés en partie directement dans le tube de guidage de gaz 50 central 50 traversant la colonne de liquide 42 et par ce tube à la chambre de combustion 40, tandis que la partie restante des gaz propulsifs quitte la chambre de combustion 32 par la sortie 52 située à l'avant dans le sens de vol A et rétrécie en forme de col pour revenir par le tronçon de canal annulaire 54 entre l'enveloppe 28 de la chambre de combustion et le carter extérieur 36 vers la tuyère de poussée 40 où cette partie des gaz, après s'être mélangée avec la partie des gaz propulsifs renvoyés dans le tube de guidage de gaz 50, se détend en produisant une poussée.Par les gaz propulsifs chauds revenant a la tuyère de poussée 40 suivant la direction longitudinale de la chambre de combustion, en opposition au sens du vol A, la colonne de liquide 42 est chauffée, d'une part de l'extérieur en passant par l'enveloppe 28 de la chambre de combustion et d'autre part de l'intérieur en passant par le tube central de guidage des gaz 50, localement jusqu'au-deld du point de réaction, de sorte que la colonne de liquide 42 brdle non seulement depuis l'extrémité avant de la chambre de combustion, mais également au niveau de surfaces de réaction supplémentaires, ce qui augmente la vitesse de combustion. Pour accroître encore davantage la vitesse de combustion, il est en outre prévu de former dans la zone de l'extrémité arrière de la chambre de combustion, dans l'enveloppe 28 de cette dernière, dans la paroi de délimitation 30 et dans le tube central de guidage de gaz 50, une série d'ouvertures d'étranglement 56 qui sont fermées par un atriau, par exemple sensible à la chaleur, tel qu'une ou plusieurs membranes non représentées en matière plastique fondant après l'allumage du dispositif de propulsion 26 sous l'action de la chaleur des gaz propulsifs chauds qui les longent-et dégageant ainsi les ouvertures d'étranglement 56, De ce fait, une quantité partielle limitée de propergol liquide est injectée, sous l'action des forces d'accélération élevées, en passant par les ouvertures d'étranglement 56 maintenant dégagées, dans le jet de gaz propulsifs chauds dans le tube de guidage du gaz 50 ou le tronçon de canal 54 et y réagit, ce qui permet une accélération supplémentaire contrôlée de la combustion. Dans le but d'obtenir un déroulement contrôlé de la réaction, la colonne de liquide 42 est en outre, dans l'exem ple de réalisation de la fig. 2, subdivisée par une paroi annulaire coaxiale 58 en deux chambres parallèles de liquide 60 et 62 dont chacune réagit séparément. Cela assure, surtout dans le cas de colonnes de liquide ayant une section droite importante comparativement à la longueur axiale, une propagation dirigée du front de réaction dans les chambres de liquide 60, 62 allongées, parallèles et empêche que par suite de phénomènes de turbulence ou de rayonnement, la combustion se propage de façon incontrôlée dans la colonne de liquide et qui se produise, par exemple, une réaction explosive du liquide.Pour subdiviser encore davantage la colonne de liquide en un grand nombre de volumes de liquide de section à peu près égale, réagissant séparément, il est possible de monter dans la chambre de réaction 32 plusieurs parois annulaires coaxiales 58 et au choix ou de façon complémentaire des parois de séparation radiales réparties uniformément en direction circonférentielle. La fig. 3 représente un projectile cinétique 64 avec un dispositif de propulsion 66 conforme à l'invention, à faible durée de combustion. Le projectile 64 comprend une enveloppe extérieure 68 cylindrique se raccordant, à la pointe du projectile, à un carénage conique (ogive) 70 et à l'extrémité arrière du projectile à une tuyère de poussée 72. Dans la partie avant du projectile 68, séparée par une cloison 74 de la partie arrière, un barreau 78 constituant le projectile cinétique proprement dit, est disposé, avec une charge propulsive 80 située à l'extrémité arrière, à l'intérieur d'un tube de guidage 78 coaxial à l'axe du projectile, tandis que l'espace annulaire 82 situé entre le tube de guidage 78 et l'enveloppe extérieure 68 ou le carénage 70 sert à recevoir des dispositifs auxiliaires, par exemple le dispositif de guidage.Le diamètre extérieur de l'enveloppe extérieure 68 correspond de nouveau au calibre du dispositif de lancement du projectile. Le dispositif de propulsion 66 à faible durée de combustion, se trouvant dans la partie arrière du projectile, contient une chambre de combustion 92 disposée dans l'enveloppe extérieure 68, de manière à laisser subsister une section de canal annulaire 84, en passant par des éléments d'espacements 86, coaxialement à l'axe du projectile et à distance axiale de la cloison 74, cette chambre de combustion 92 étant formée d'une enveloppe 88 et d'une paroi de délimitation 90 et étant traversée par un tube de guidage de gaz 94 central ouvert en direction de la tuyère de poussée 72 t tandis qu'elle est fermée à l'extrémité avant par deux membranes claquables 96, 98 avec une charge d'allumage solide 100 intermédiaire.Jusque là, le dispositif de propulsion 66 présente la même structure de principe que le dispositif selon la fig. 2. Cependant, le dispositif de propulsion 66 ne comporte pas les ouvertures d'étranglement prévues à l1extrémité arrière de la chambre de combustion et ne présentent pas de parois de séparation pour subdiviser la chambré de combustion en plusieurs volumes de liquide parallèles réagissant séparément. Pour contrôler la réaction, la chambre de combustion 92 selon la fig. 2 est cependant remplie d'une pièce de mousse de carbone 102 présentant une structure à cellules ouvertes et imprégnée par le propergol monergolique. La mousse de carbone possède une grande capacité pour le propergol liquide et son poids ne s'élève qu'à environ 5% du poids de la quantité de liquide absorbé. Par la structure à cellules ouvertes de-la pièce de mousse de carbone 102, on obtient une combustion contrôlée du propergol liquide, à partir de l'extrémité avant de la chambre de combustion et Eventuel- lement à partir de surfaces de réaction supplémentaires crées par l'effet d'échange de chaleur avec les gaz propul sifs chauds, et on empêche une réaction incontrôlée a la manière d'une explosion de la réserve de propergol stockée dans la chambre de combustion 92. REVENDICATIONS 1. Dispositif de propulsion à faible durée de combustion et à forte densité de puissance, en particulier pour des projectiles cinétiques, comprenant une réserve de propergol liquide brûlant dans une chambre de combustion suivie d'une tuyère de poussée, caractérisé par le fait que la réserve de propergol liquide est stockée à la manière d'une colonne de liquide (18, 42) directement dans la chambre de combustion (4, 32, 92), que la colonne de liquide est supportée par une paroi de délimitation (8, 30, 90) à l'extrémité de la chambre de combustion située à l'arrière dans le sens de vol (A) et qu'un canal de renvoi (10, 12, 50, 52, 54, 84, 94) menant de l'extrémité avant de la chambre de combustion vers la tuyère de poussée (14, 16, 40, 72) est prévu pour les gaz propulsifs chauds s'échappant pendant la combustion de la colonne de liquide. 2. Dispositif de propulsion suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la colonne de liquide (18, 42) stockée dans la chambre de combustion (4, 32, 92) est constituée par un propergol liquide monergolique. 3. Dispositif de propulsion suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la colonne de liquide (18, 42) est délimitée à l'extrémité avant de la chambre de combustion par une ou plusieurs membranes claquables (20, 22, 4t, 46, 96, 98) éclatant lors de l'allumage. 4. Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une charge d'allumage (24, 48, 100) disposée a l'extrémité avant de la chambre de combustion et séparée de la colonne de liquide (18, 42) par une membrane claquable (22, 46, 96). 5. Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le canal de renvoi (10, 12, 50, 52, 54, 84, 94) présente une ou plusieurs sections de canal (50, 54, 84, 94) s'étendant suivant la direction longitudinale de la colonne de liquide (18, 42) et directement contiguë à cette dernière. 6. Dispositif de propulsion suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que plusieurs ouvertures d'étranglement (56) obturées jusqu'à l'allumage et permettant une sortie de liquide limitée dans les gaz propulsifs chauds sont formées dans les parois de délimitation (28 D 30) entre la colonne de liquide (42) et les sections de canal (50e 54, 84, 94) contiguës à cette dernière, dans la zone de l'extr6- mité arrière de la chambre de combustion. 7. Dispositif de propulsion suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que les ouvertures d'étranglement (56) sont obturées par une membrane susceptible dlêtre détruite sous l'action de la chaleur des gaz propulsifs. 8. Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendications 5, 6, 7, caractérisé par le fait que le canal de renvoi (10, 12, 50, 52, 54, 84, 94) contient une section de canal (54, 84) annulaire, s'étendant entre une enveloppe extérieure (38, 68) et la colonne de liquide (42) suivant la direction longitudinale de la chambre de combustion (32, 92). 9. Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que le canal de renvoi (10, 12, 50, 52, 54, 84, 94) contient un ou plusieurs tubes de guidage de gaz (50, 94) traversant la colonne de liquide (42) depuis l'extrémité avant de la chambre de combustion vers l'extrémité arrière, côté tuyère de poussée, de cette chambre. 10. Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'en vue du contrôle de la vitesse de combustion, la colonne de liquide contient des additifs chimiques et/ou des pièces solides (102), par exemple de la mousse carbone. 11, Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'en vue du contrôle dé la combustion, la section droite de la colonne de liquide (18, 42) est faible par rapport à la longueur axiale de cette colonne et/ou dans le cas d'lssn système monergolique, la colonne de liquide (42) est subdivisée en plusieurs volumes de liquide parallèles (60, 62).