Brevet FR2593236A1 — publié le 19870724

La présente invention est relative à un ensemble de tuyère dont la section du col est réglable et destiné à être utilisé comme tuyère d'un moteur-fusée pour faire varier la poussée du propulseur par le seul réglage de la section de passage des gaz chauds produits par un propergol solide et dans lequel la gamme de réglage de la poussée doit être com- prise dans un rapport d'environ 1 à 100. Dans ce but, on utilise déjà des vannes dont l'ou- verture et la fermeture sont pilotées par un dispositif d'actionnement extérieur. US-A-3.743.184 décrit une tuyère comportant quatre lames mobiles disposées à 900 et s'étendant radialement à l'intérieur du col de la tuyère, ces lames étant réglables radialement par rapport à l'axe de la tuyère et étant égale- ment susceptibles de tourner indépendamment autour de leur propre axe permettant ainsi de régler le débit et, par suite, la poussée. Ce dispositif, qui ne permet pas une obturation totale du col de latuyère. , nécessite une source de puissance distincte pour chacune des quatre lames, ou bien un mécanisme compliqué, peu fiable et coûteux, de renvoi sur les quatre axes à 90 , capable en outre d'assurer deux mouvements dif- férents, en translation et en rotation sur chacun de ces axes. US-A-3.192.709 décrit une tuyère dont la section de passage du col est réglable au moyen de trois éléments mobiles radialement dans le col, en translation, disposés à 120 et actionnés par une came annulaire rotative dans un plan per- pendiculaire à l'axe de la tuyère. La rotation de la came amène des rampes de celle-ci à agir sur des ergots solidaires des éléments mobiles et déplace ceux-ci radialement dans un sens ou dans l'autre. Non seulement ces trois éléments mobiles ne peuvent obturer complètement le col de la tuyère mais les saillies qu'ils forment dans ce col provoquent de violentes et incon- trôlables turbulences dans les gaz chauds sortant de la tuyère. Cet inconvénient majeur se retrouve du reste égale- ment dans le dispositif décrit dans US-A-3.743.184. On remarquera enfin que dans ces deux dispositifs les organes coulissants travaillent en porte-à-faux, ce qui est nuisible en raison des hautes pressions auxquelles ils sont exposés sous des températures extrêmement élevées. L'invention a pour but de remédier à ces inconvé- nients en réalisant un ensemble de tuyère à poussée réglable par la seule variation de la section de passage des gaz chauds produits par un propergol, de construction simple et fiable et procurant en sortie de tuyère un jet ayant une symétrie et une homogénéité très améliorées, permettant ainsi de mesurer la pression et de calculer la poussée. L'invention a pour objet à cet effet un ensemble de tuyère comportant un col et des moyens de réglage de la section de ce col montéscoulissants perpendiculairement à l'axe de la tuyère, ensemble caractérisé en ce qu'il comprend, successivement dans le sens de l'éjection des gaz, un premier col, une chambre de tranquillisation des gaz, un second col et un divergent, lesdits moyens de réglage étant constitués par une vanne à obturateur perforé. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un organe d'actionnement de l'obturateur, cons- titué par un arbre monté rotatif parallèlement à l'axe de l'ensemble de tuyère et dans le corps de cet ensemble. Suivant un mode de réalisation, l'obturateur perforé coulisse sur un siège entourant le premier col et suivant un arc de cercle dont le centre coincide avec l'axe dudit arbre rotatif. De préférence l'obturateur est perforé d'une ouver- ture présentant dans son ensemble en plan une forme triangu- laire. Suivant une variante, l'obturateur perforé est di- o vise en deux parties égales présentant chacune une moitié de ladite perforation et coulissant simultanément en ligne droite l'une contre l'autre en sens inverse symétriquement dans un même plan sur un siège entourant le premier col. De préférence les moitiés de ladite perforation sont semi-circulaires et ont le même diamètre. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 est une vue en section longitudinale d'un ensemble de tuyère selon l'invention. La figure 2 en est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe d'une variante. La figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3. En se référant tout d'abord aux figures 1 et 2, l'ensemble de tuyère suivant l'invention comporte une enve- loppe 1 ayant par exemple en section la forme d'un solide de révolution et entourant partiellement un corps 2 en matière refractaire ayant une partie amont 3 de grand diamètre et une partie aval 4 de diamètre réduit délimitant entre elles un épaulement 5. Sur l'épaulement 5 est disposée une pièce 6 en matière réfractaire qui délimite un premier col 7 de la tuyère et présente une surface plane 8 formant un siège pour un obturateur comme on le décrira dans la suite. La pièce 6 présente une forme circulaire correspon- dant à celle de la partie 3 du corps et une ouverture excen- Ctrée 9 dans un but qui apparaîtra dans la suite. D'une façon avantageuse une cuvette peu profonde forme un logement creusé dans la surface plane 8 de la pièce 6 pour recevoir un disque 10 en graphite expansé entourant le col 7 de la tuyère. D'une façon classique, le col 7 s'évase en direction aval dans le sens de l'écoulement des gaz à travers la tuyère comme représenté en 1i pour rejoindre la paroi de la partie aval 4 du corps 2 délimitant ainsi l'extrémité supérieure d'une chambre 12 de tranquillisation cylindrique dont l'ex- trémité inférieure ou aval est délimitée par une garniture 13 en matière réfractaire, de forme annulaire, reposant en appui sur un épaulement 14 du corps 2 et qui délimite un second col 15 dans le prolongement duquel s'étend vers l'aval une partie divergente 16 de la tuyère. Un obturateur 17, réalisé en un composite résistant a la chaleur, comprenant un substrat fibreux et une matière réfractaire, par exemple carbone-carbone, carbone-céramique, ou encore céramique-céramique, repose sur la surface supé- rieure 8 de la pièce 6 et sur la garniture annulaire 10 en carbone expansé. L'obturateur 17 présente la forme d'une plaque comportant une ouverture 18 ayant dans son ensemble une forme triangulaire, qui est maintenue en appui sur la sur- face 8 et la garniture 10 par une garniture annulaire l0a également en carbone expansé maintenue dans une gorge cir- culaire de forme complémentaire ménagée dans une pièce 19 de forme générale circulaire présentant en son centre une ouverture 20 de forme convergente alignée avec le col 7. La pièce 19 est également réalisée en une matière réfrac- taire et présente un rebord 21 s'étendant vers le bas, déli- mitant avec la pièce 6 un espace 22 entourant l'obturateur 17. Dans l'ouverture 9 de la pièce 6 s'étend une ex- trémité d'un arbre 23 monté rotatif dans l'enveloppe 1, dans un alésage de celle-ci s'étendant parallèlement à l'axe de la tuyère. L'autre extrémité de l'arbre 23 comporte deux doigts 24 diamétralement opposés par rapport à l'axe de l'arbre 23 et s'étendant dans deux trous complémentaires prévus dans la plaque 17 constituant l'obturateur. De préférence l'arbre 23 comporte une partie 23a a de diamètre plus grand ayant/son extrémité inférieure, ou aval, une partie chanfreinée 25 reposant en appui sur une garniture 26 en carbone expansé ou en carbone-carbone cons- tituant un joint d'étanchéité, la partie inférieure de l'arbre 23 s'étendant à travers un presse-étoupe comprenant une partie 27 en un matériau élastique (graphite expansé ou carbone-carbone) serrée autour de l'arbre 23 par des rondelles 28. L'extrémité inférieure ou aval de l'arbre 23 est fixée sur une extrémité d'un levier d'actionnement 29 d'une façon quelconque connue. Grâce à cet agencement, lorsqu'on actionne le levier 29, l'obturateur 17 décrit un arc de cercle ayant pour centre l'axe de l'arbre 23, ce qui a pour effet de déplacer son ouverture 18 de forme triangulaire suivant un arc de cercle passant par l'axe du col 7 de la tuyère. En raison de sa forme triangulaire, l'ouverture 18 peut venir en coincidence progressivement avec le col 7 et passer d'une position d'obturation totale de ce dernier à différentes positions dans lesquelles la largeur de la base triangulaire 18 s'approche progressivement d'une position de coincidence avec le col 7 de l'ensemble de tuyère. On peut ainsi régler S à volonté la section de passage des gaz dans le col 7. En se référant maintenant aux figures 3 et 49 on a représenté un second mode de réalisation de l'invention dans lequel les organes identiques sont désignés par les mêmes références. Dans cette variante, l'obturateur désigné dans son ensemble par la référence 37, coulisse transversalement par rapport à l'axe de l'ensemble de tuyère sur la garniture et il est constitué d'une plaque divisée en deux moitiés égales 37a, 37b comportant chacune une moitié d'un orifice 38a, 38b respectivement, ces demi-plaques 37a, 37b étant maintenues et guidées latéralement dans l'espace 22 ménagé entre les pièces 6 et 19. D'une façon avantageuse le logement 22 présente en plan une forme à peu près rectangulaire et les deux demi- plaques 37a et 37b disposées côte à côte comme représenté à la figure 4 ont une forme globale complémentaire de celle de l'espace 22 et se déplacent en coulissant dans ce dernier l'une contre l'autre suivant la ligne de séparation. Les demi-plaques 37a, 37b constituant l'obturateur 37 comportent chacune au voisinage de l'une de leurs extré- mités une échancrure 39 dans laquelle est engagé l'un des doigts 24 solidaires de l'extrémité de l'arbre 23. En considérant la figure 4, on comprend que lorsque l'arbre 23 est entraîné en rotation au moyen du levier 29, les deux demi-plaques 37a, 37b se déplacent en coulissant en sens inverse de façon symétrique par rapport à l'axe de l'ensemble de tuyère, et que lorsque les deux demi- ouvertures 38a, 38b se trouvent l'une en face de l'autre, la section totale de passage du col 7 est dégagée tandis que lorsque les deux demi-plaques se trouvent dans la position représen- tée à la figure 4 le col 7 se trouve obturé. Dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus le déplacement de l'obturateur s'effectue dans un plan per- pendiculaire à l'axe d'écoulement des gaz chauds et on remarquera que l'obturateur 17 ou 37 est appliqué par ces gaz contre le siège ménagé sur la pièce 6 et que, contraire- ment aux dispositifs décrits dans la technique antérieure, l'obturateur ne s'étend pas à travers la paroi de l'enveloppe 1, ce qui améliore l'étanchéité de ce dispositif. En effet, la communication avec l'extérieur ne pourrait s'établir qu'à travers le passage de l'arbre 23 dans le corps 2 et l'enveloppe 1 dans lequel l'étanchéité est assurée d'une part par la garniture 26 et par le presse- étoupe entourant l'arbre 23 dans sa partie traversant l'enveloppe 1. On remarquera également que la chambre cylindrique 12 permet d'obtenir une tranquillisation de l'écoulement des gaz chauds après une onde de choc qui rend l'écoulement subsonique. En outre, dans le mode de réalisation de la figure 3, la force nécessaire devant être appliquée au levier 29 pour déplacer les deux demi-parties de l'obtura- teur est encore inférieure à celle nécessaire pour actionner l'obturateur dans le mode de réalisation de la figure 1. La chambre 12, qui constitue une seconde chambre dans un dispositif de tuyère pour des gaz chauds produits par un propergol solide, permet d'améliorer la ualité du jet en ce qui concerne sa symétrie et son homogénéité en sortie de tuyère, ainsi que de mesurer la pression régnant dans cette chambre, ce qui permet d'en déduire la poussée par la connaissance d'un seul paramètre de pression, ce qui facilite par conséquent la conception de la boucle d'as- servissement utilisée pour le pilotage de cet ensemble de tuyère. On a représenté à la figure 3 un conduit 40 adapté pour permettre la pose d'une sonde de pression (non repré- sentée) maintenue en position au moyen d'une vis disposée dans un trou taraudé 41. Les différents éléments constituant l'ensemble de tuyère décrit ci-dessus et notamment les parties exposées directement aux gaz chauds peuvent être réalisés en un matériau composite comprenant un substrat fibreux et une matière réfractaire, par exemple les "carbone-carbone", "carbonecéramique" ou "céramique-céramique" ou autre ?593236 matériau approprié étant choisi pour ses propriétés per- mettant de conserver à très haute température ses propriétés mécaniques, son faible coefficient de frottement et sa stabilité dimensionnelle. REVENDICATIONS 1. Ensemble de tuyère comportant un col et des moyens de réglage de la section de ce col, montés coulis- sants perpendiculairement à l'axe de la tuyère, ensemble caractérisé en ce qu'il comprend, successivement dans le sens de l'éjection des gaz, un premier col (7), une chambre (12) de tranquillisation des gaz, un second col (13) et un divergent (16), lesdits moyens de réglage étant constitués par une vanne à obturateur perforé (17, 37). 2. Ensemble de tuyère suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un organe d'actionnement de l'obturateur (17, 37), constitué par un arbre (23) monté rotatif parallèlement à l'axe de l'ensemble de tuyère et de façon étanche dans le corps (2) de cet ensemble. 3. Ensemble de tuyère suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'obturateur perforé (17, 37) coulisse sur un siège (8) entourant le premier col (7) et suivant un arc de cercle dont le centre coïncide avec l'axe dudit arbre rotatif (23). 4. Ensemble de tuyère suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'obturateur (17,37) est perforé d'une ouverture (18) présentant dans son ensemble en plan une forme triangulaire. 5. Ensemble de tuyère suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'obturateur perforé (37) est divisé en deux parties égales (37a, 37b présentant chacune une moitié (38a, 38b) de ladite perforation et coulissant simul- tanément en ligne droite l'une contre l'autre en sens inverse symétriquement dans un même plarn sur un siège entourant le premier col (7). 6. Ensemble de tuyère selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moitiés (38a, 38b) de ladite per- foration sont semi-circulaires et ont le même diamètre. 7. Ensemble suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit arbre (23) comporte deux doigts (24) d'en- trainement de l'obturateur. 8. Ensemble de tuyère suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'étanchéité entre l'arbre (23) et le corps (2) est assurée d'une part au moyen d'une partie chanfreinée (25) dudit arbre, qui repose en appui sur une garniture d'étanchéité (26) et, d'autre part,au moyen d'un presseétoupe (27), ce dernier et la bague (26) étant réalisés par exemple en carbone expansé ou en carbone- carbone.