Brevet FR2577996A1 — publié le 19860829

PROCEDE DE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR-FUSEE A PROPERGOLS LIQUIDES, ET MOTEUR-FUSEE POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCèDE. L'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un moteur-fusée opérant avec des propergols liquides, notamment l'hydrogène et l'oxygène, ce moteur-fusée comprenant, pour l'essentiel, une chambre de combustion avec tuyère de poussée convergente-divergente, des pompes à propergol, une ou plusieurs turbines qui servent à entraîner ces pompes et qui sont mues par l'un des deux propergols, notamment l'hydrogène, préalablement chauffé ou vaporisé par refroidissement de la paroi de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion. L'invention concerne en outre un moteur de fusée mettant en oeuvre ce procédé. Selon le brevet DE 27 43 983, on connaît déjà un moteur-fusée à propergols liquides opérant selon le mode dit à flux de dilution ou flux secondaire, dans lequel une partie de l'hydrogène sert à refroidir la paroi chaude de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion et, ce faisant, se réchauffe ou se vaporise et est utilisée pour mouvoir la turbine d'entraînement d'une pompe. L'énergie disponible encore présente dans les gaz d'échappement de la turbine est utilisée dans une tuyère suivante qui est une tuyère de poussée annexe. L'inconvénient fondamental de ce procédé réside dans la faiblesse relative de l'apport d'énergie auquel l'hydrogène est soumis pendant le refroidissement de la chambre de combustion et de la paroi de la tuyère de poussée. De la grande insuffisance de puissance de la turbine, il résulte que la pression réalisable dans la chambre de combustion se trouve plafonnée à une valeur qui est actuellement de l'ordre de 50 bars. Cet inconvénient est évité dans les moteurs fusées classiques à flux de dilution, dans lesquels la puissance nécessaire pour la ou les turbines d'entrai- nement de la ou des pompes est produite dans un générateur de gaz auxiliaire alimenté, en parallèle, par des quantités partielles de propergol.Toutefois, ce procédé présente l'inconvénient que les quantités de propergol à prélever pour le fonctionnement du générateur de gaz auxiliaire sont si importantes, pour la pression haute et très haute désirée dans la chambre de combustion du moteur, que les pertes de puissance qui en résultent pour le moteur dépassent rapidement le gain dû à l'accroissement de la pression dans la chambre du moteur, de sorte que, dans cette variante aussi, le rendement global décroît de nouveau à partir de certainés hautes pressions dans la chambre de combustion, ou à partir d'un certain niveau de pression. En outre, la limite de température de fonctionnement admissible pour les aubes des turbines a pour conséquence l'impossibilité de faire fonctionner avec le meilleur rendement, c'est-à-dire stoechiométriquement, la chambre de combustion auxiliaire ou la chambre de combustion du flux secondaire. Ainsi, une partie notable de l'énergie contenue dans les propergols est perdue à l'extérieur-, par le circuit du flux secondaire. Les inconvénients sus-mentionnés sont évités avec le procédé dit à flux principal, tel que révélé par exemple dans la demande allemande publiée n0 12 57 489 selon lequel la chambre de combustion principale est, du point de vue de l'écoulement, précédée d'une chambre de précombustion dans laquelle, par exemple, la totalité de l'hydroaène préalablement chauffé par refroidissement de la paroi de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion, et une partie de l'oxygène, sont utilisés pour la réaction, de sorte que les gaz moteurs, présentant un excédent d'hydrogène, ont encore des températures supportables pour la turbine d'entraînement de pompe située en aval. Les gaz d'échappement de la turbine s'écoulent alors dans la chambre de combustion principale qui suit, dans laquelle le reste de l'oxygène est amené pour obtenir une combustion stoechiométrique. Un certain inconvénient du principe du flux principal réside dans le fait que la tête d'injection de la chambre de combustion principale est parcourue par des gaz d'échappement de turbine encore relativement très chauds, qui, en plus d'une quantité d'oxygène partielle, résultent de la quantité totale de l'hydrogène participant au processus de propulsion. Cette charge thermique accroît notablement la difficulté de réalisation et le coût de la construction de la tête d'injection. En outre, en plus de la quantité partielle d'oxygène, la totalité de l'hydrogène doit être portée à la haute pression d'injection, ce qui exige, là encore, de fortes puissances de pompage. La présente invention a donc pour but d'éviter les inconvénients des systèmes moteurs connus dans l'art antérieur, tout en conservant leurs avantages, et de parvenir à un procédé de fonctionnement pour moteurs de fusée à propergols avec lequel on obtiendra un rendement élevé et des conditions de construction plus favorables de la tête d'injection de la chambre de combustion du moteur. Selon l'invention, ce but est atteint, avec un moteur de fusée du genre indiqué au début, par le fait que le propergol, notamment l'hydrogène, préalablement chauffé dans la paroi de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion7 reçoit, avant d'entrer dans la ou les turbines pour y opérer en tant que gaz moteur, la chaleur nécessaire pour obtenir l'énergie d'entraînement des pompes, cette chaleur étant fournie par un échangeur de chaleur auquel sont amenés des gaz de combustion produits dans une chambre de combustion auxiliaire exploitée stoechiométriquement, à partir de quantités partielles des propergols ou de l'hydrogène et de l'oxygène, les gaz d'échappement de cette chambre de combustion auxiliaire étant amenés dans une région de la tuyère de poussée où le niveau de pression est inférieur à la pression des gaz d'échappement. I1 est alors possible, dans le cadre du procédé selon l'invention, d'utiliser la chambre de combustion auxiliaire pour produire les gaz de combustion pour la marche de l'échangeur de chaleur avec un rendement optimal, c'est-à-dire avec des proportions de mélange optimalisant la puissance, ou encore des proportions stoechiométriques, et de chauffer les gaz d'entraînement des tubrbines, ou de leur fournir de l'énergie, à un point tel que l'on obtienne les puissances nécessaires pour les pompes de transport des propergols. I1 est alors possible que, sans être contraint d'admettre des pertes de puissance, la température des gaz d'échappement des turbines soit, du fait de la température préalablement plus basse des gaz actionnant les turbines, maintenue plus basse qu'avec le procédé classique à flux secondaire où, pour ce qui est du rendement de la chambre de combustion du flux secondaire, en ce qui concerne la température des gaz d'actionnement des turbines, on va jusqu'à la plus haute température que les turbines puissent admettre. Dans le procédé selon l'invention, la température plus basse des gaz d'échappement des turbines est un élément favorable à la tête d'injection de la chambre de combustion du moteur, dont la charge thermique est alors évitée ainsi que tous les inconvénients qui en découlent. Selon l'invention, une amélioration supplémentaire du rendement, ou optimisation de la puissance, est obtenue par le fait que l'échangeur de chaleur (avec chambre de combustion auxiliaire), agencé en amont des turbines d'entraînement des pompes, est précédé d'un échangeur de chaleur supplémentaire qui est parcouru, d'une part, par les gaz d'échappement des turbines qui y cèdent de la chaleur et, d'autre part, par des gaz qui y captent de la chaleur et qui sont les gaz d'entraînement des turbines, ou l'hydrogène ayant préalablement passé par la paroi de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion. Cette étape supplémentaire du procédé selon l'invention permet d'accroître le niveau de puissance de la turbine ou de l'entraîçnement des pompes, sans conséquence dommageable pour la tête d'injection de la chambre de combustion du moteur. En d'autres termes, l'accroissement de la température et donc de la chute aux turbines, obtenus grâce à l'échangeur de chaleur supplémentaire, conduisant de l'autre côté à de plus hautes températures des gaz d'échappement des turbines, n'ont par conséquent aucune répercussion thermique dommageable sur la tête d'injection qui suit (en considérant le sens de l'écoulement), puisque les températuères plus élevées des gaz d'échappement des turbines sont abaissées dans l'échangeur de chaleur supplémentaire, prévu par l'invention, avant d'atteindre cette tête d'injection. I1 en résulte, en fin de compte, un rendement global accru et une augmentation de puissance réelle. Dans un moteur-fusée pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, l'échangeur de chaleur et la chambre de combustion auxiliaire forment une unité. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement dans la description présentée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins annexés dont les figures 1 et 2 illustrent le procédé selon l'invention. Comme on peut le voir sur la figure 1, l'ensemble du dispositif moteur-fusée comprend, pour l'essentiel, une chambre de combustion 1 avec tête d'injection 2 associée à une tuyère de poussée 3 convergente-divel*gente,un réservoir 4 pour hydrogène liquide H, un réservoir 5 pour oxygène liquide 0, une pompe 6 de transport d'hydrogène, une pompe 7 de transport d'oxygène, une turbine d'entraînement de la pompe 6, une turbine 9 d'entraînement de la pompe 7, et une chambre de combustion auxiliaire 10 avec échangeur de chaleur incorporé 1 1. Partant de la pompe de transport d'hydrogène 6, une conduite 12 va à l'extrémité arrière de la tuyère de poussée 3 dont la paroi et celle de la chambre de combustion 1 est parcourue par l'hydrogène H aux fins de refroidissement. Ce faisant, l'hydrogène H est chauffé. Une partie de l'hydrogène H, désigné par Hh, passe par une conduite d'embranchement 13 allant à la chambre de combustion auxiliaire 10 et est amenée dans celle-ci. Partant de la pompe de transport d'oxygène 7, une conduite 14 va à la tête d'injection 2. De cette conduite part une conduite d'embranchement 15 allant à la chambre de combustion auxiliaire 10, dans laquelle une quantité partielle Oh de l'oxygène 0 est introduite. Les gaz de combustion B engendrés stoechiométriquement dans la chambre de combustion auxiliaire 10 opèrent d'une part sur l'échangeur de chaleur 11 qui, par ailleurs, est parcouru par l'hydrogène Hw ayant préalablement subi un premier chauffage à l'intérieur de la paroi de la tuyère et de la chambre de combustion. L'hydrogène Hw est amené à l'échangeur de chaleur 11 par une conduite intermédiaire 16. L'hydrogène recevant un chauffage supplémentaire dans l'échangeur de chaleur 10 agit, en tant que gaz moteur Ht, sur les deux turbines 8 et 9 où il fournit de l'énergie pour entraîner les pompes 8 et 9 de transport de propergol. Les gaz d'échappement He des turbines sont amenés, par une conduite de liaison 17, à la tête d'injection 2. Les gaz de sortie AB de la chambre de combustion auxiliaire sont amenés dans la tuyère de poussée 3, à savoir dans une région de celle-ci où le niveau de pression est inférieur à celui des gaz d'échappement AB. La figure 2 diffère de la figure 1 en ceci que les deux conduites 16 et 17 passent par un échangeur de chaleur supplémentaire 18 servant à réaliser un deuxième apport de chaleur à l'hydrogène Hw quittant la paroi de la chambre de combustion où il a subi un premier chauffage. La chaleur de ce deuxième apport thermique est fournie ici par les gaz d'échappement Hel des turbines. L'hydrogène Hw' ayant déjà subi deux chauffages reçoit, dans l'échangeur de chaleur suivant, 10, un troisième apport de chaleur. L'hydrogène très chaud sortant de l'écha:rgeur de chaleur ï0 constitue alors les gaz moteurs Ht' entraînant les turbines. REVENDICATIONS 1. Procédé de fonctionnement dtun moteur-fusée opérant avec des propergols liquides, notamment l'hydrogène et l'oxygène, ce moteur-fusée comprenant, pour l'essentiel, une chambre de combustion avec tuyère de poussée convergente -divergente, des pompes à propergol, une ou plusieurs turbines qui servent à entraîner ces pompes et qui sont mues par l'un des deux propergols, notamment l'hydrogène, préalablement chauffé ou vaporisé par refroidissement de la paroi de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion, caractérisé en ce que le propergol, notamment 1' hydrogène (Hw), préalablement chauffé dans la paroi de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion, reçoit, avant d'entrer dans la ou les turbines (8,9) pour y opérer en tant que gaz moteur (Ht), la chaleur nécessaire pour obtenir l'énergie d'entraînement des pompes, cette chaleur étant fournie par un échangeur de chaleur (11 auquel sont amenés des gaz de combustion (B) produits dans une chambre de combustion auxiliaire (10) exploitée stoechiométriquement, à partir de quantités -partielles des propergols ou de l'hydrogène (Hh) et de l'oxygène (Oh), les gaz d'échappement (AB) de cette chambre de combustion auxiliaire étant amenés dans une région de la tuyère de poussée (3) où le niveau de pression est inférieur à la pression des gaz d'échappement. 2. Moteur -fusée pour mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (11) et la chambre de combustion auxiliaire (10) forment une unité. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en cez que l'échangeur de chaleur (11 ) avec chambre de combustion auxiliaire (10), agencé en amont des turbines (8,9) d'entraînement des pompes, est précédé d'un échangeur de chaleur supplémentaire (18) qui est parcouru, d'une part, par les gaz d'échappement (He') des turbines qui y cèdent de la chaleur et, d'autre part, par des gaz qui y captent de la chaleur et qui sont les gaz d'entraînement des turbines ou l'hydrogène (w) ayant préalablement passé par la paroi de la tuyère de poussée et de la chambre de combustion.