Brevet FR2602275A1 — publié le 19880205

-1-. Perfectionnements aux tuyères de propulseurs pour réduction d'efforts latéraux La présente invention concerne une tuyère de propulseur notamment pour un engin, tel qu'un missile ou une fusée, dans laquelle des efforts latéraux génants peuvent apparaître. Comme il est connu, une telle tuyère éjectant un fluide gazeux propulsif à l'arrière d'un engin comporte un élément convergent, une section minimale dite col, et en aval, un élément divergent accolé à la section minimale du col et ayant une section croissante vers l'aval, suivant la direction de déplacement de l'engin. Les observations et des mesures expérimentales ont montré que 10 la tuyère est soumise à des efforts latéraux d'autant plus importants que le rapport de la section de sortie du divergent à la section du col, est grand. Ces efforts apparaissent brièvement au début de la montée en pression du propulseur. Bien que ces efforts aient des conséquences très limitées sur la stabilité de l'engin, 15 du fait qu'ils sont brefs, il sont très importants sur la conception et la réalisation de la ou des tuyères et des dispositifs de pilotage associés de l'engin. Dans le cas d'un engin à étages séparables, ces efforts latéraux apparaissent lorsque le rapport de la pression interne des gaz dans le propulseur devient 20 égal à 2 à 4 fois environ celle dans l'interétage de l'engin. Ces efforts latéraux sont dûs à un décollement du fluide gazeux émanant du propulseur et qui est localisé dans la tuyère, lorsque celle-ci est sur-détendue. La position du décollement est fonction du rapport de la pression dans le propulseur à la pression 25 à l'aval de la tuyère. Des essais en soufflerie ont confirmé que, lorsque ce -apport de pression est compris entre 2 et 4 environ, le Jecodieme&t est disgmékr;iwe. eb/ow %nSt8à1c., te. devat afparaeLt juste en av-zd col ccl au lzjie du à.. verg" de la tuyort et cr4. des efforts latéraux qui ui. d'aut-A% pLIb êleveb que la surface affectée par le décollement est importante. Il est à noter que ladite surface affectée est grande et par suite, leb eP >s latéraux sont considérables pour des divergents i lvère longs présentant un grand rapport de sections. De telles tuyèreb sz-Z fréquemment envisagées pour les missiles futurs devant - 2 fournir des accélérations initiales de plus en plus élevées pour réduire les altitudes o sont opérées les séparations d'étages. En conséquence, la pression régnant dans les propulseurs de tels engins doit être de plus en plus élevée, et les tuyères ont des 5 dimensions de plus en plus grandes afin de maintenir de bonnes adaptations, et ainsi le rapport des sections des divergents de tuyère devient plus élevé. Il convient donc de remédier aux efforts latéraux considérables auxquels sont soumises ces tuyères. La présente invention vise ainsi à minimiser, voire supprimer 10 les efforts latéraux dans une tuyère de propulseur. A cette fin, une tuyère de propulseur notamment pour engin, comprenant un conduit de révolution ayant une section minimale au col, et un profil divergent ayant une grande section de sortie, est caractérisée en ce que le conduit de révolution comprend des moyens 15 localisés au voisinage d'une section interne au profil divergent, sensiblement en aval de la section minimale, pour rendre stable, symétrique et coaxial à la tuyère un décollement du fluide gazeux traversant la tuyère. Pendant le début de la montée en pression du propulseur, pour 20 obtenir un décollement symétrique et coaxial par rapport à l'axe longitudinal de la tuyère, il est nécessaire que lesdits moyens selon l'invention soient eux-mêmes symétriques et coaxiaux à l'axe longitudinal de la tuyère, au voisinage de la section interne o apparait le décollement de fluide gazeux. Selon diverses réalisations, lesdits moyens comprennent par exemple au moins une gorge ou une saillie prévue au niveau de ladite section interne de décollement, et/ou comprennent des éléments équirépartis circulairement au niveau de la section interne de décollement, tels a'e des évidements ou des protubérances. 3Dn5 le cab d'un Sil tg exe gu'une bigue o OA ense lors de la fin de la montée ef pression du propulseur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 35 appaú.!,LncL plus cl:.emt à la lecture de la description ivante de À Ci-eurs réalisations préférées selon l'invention en refi,znce aux dessins anexés correspondants dans lesquels: - 3 - la Fig. est une vue axiale en coupe schématique d'une tuyère comprenant une gorge au niveau d'une section de décollement; - la Fig.2 montre deux demi-vues axiales en coupe schématiques d'une tuyère comprenant soit une bague soit un ensemble de protubérances au niveau d'une section de décollement; - la Fig.3 est une vue axiale en coupe schématique d'une tuyère comprenant une saillie, telle qu'une bague, et une gorge accolées au niveau d'une section de décollement; - les Figs.4 à 8 représentent diverses sections de décollement réalisées pour des essais; et - la Fig.9 montre des variations de l'effort latéral en fonction de la pression génératrice pour une tuyère lisse connue, et une tuyère à ressaut selon l'invention. Comme montré dans les Figs.1 à 3, une tuyère de propulseur est un conduit de révolution 1. Le conduit 1 comprend, du côté du propulseur d'un engin, un profil convergent 2, de faible longueur et ayant une section d'entrée S, une section minimale ou col Sc, plus petite, S a rapport de sections S /S est supérieur à 10. S c Comme déjà dit, un décollement de fluide dans la tuyère provoquant des efforts latéraux sur celle-ci est localisé juste en aval de la section minimale S, à proximité de l'entrée du c divergent 3, au voisinage d'une section Sd. En pratique, la section de décollement Sd est telle que 1,3 a L'i nveèdoi. des mloyens PeuT tendre le- déccollemenit sf ble. > er; DAe et: coaxi &L par rpport a l'axe 4e la t'u>grC Sont P->su au niveau de 1 cvrface interne au vo,.inage de la section Sd. Selon une première réalisation, lesdits moyens sont sous la forme soit de petits évidements équirépartis circulairement, soit, comme montre N 1 Fig. 1, d'une soe circulaire pratiquée dans la paroi de la tuyère, tdimensionnée convenablement le long de la section Sd* -4 Selon une seconde réalisation illustrée à la Fig.2, lesdits moyens sont sous la forme d'une saillie circulaire, telle qu'une bague de faible épaisseur 5, solidaire de la surface interne de la tuyère en aval de la section S, ou, telle qu'un ensemble de c petites protubérances radiales 6, du genre picots, équirépartis circulairement et rapportés le long de la section Sd. La saillie circulaire peut être formée par la paroi elle-même. Selon une première variante, la saillie circulaire demeure pendant toute la phase de vol de l'engin et est dimensionnée pour limiter le plus 10 possible les pertes de poussée; la saillie est alors de préférence dans la même matière que la tuyère, telle par exemple qu'un matériau composite carbonecarbone. Selon une seconde variante, la saillie assure sa fonction lors du début de la montée en pression du propulseur, puis disparaît lors de la fin de la montée en 15 pression dans le propulseur pour laisser lisse la surface interne du divergent de la tuyère; la disparition de la bague et des picots est obtenue soit par éjection commandée, sous la pression des gaz éjectés, soit par érosion mécanique et/ou fusion; dans ce dernier cas, la bague ou les picots sont métalliques ou en un 20 matériau tel que le Téflon et résistent seulement pendant quelques dixièmes de secondes aux gaz éjectés afin d'assurer correctement leur mission. Selon une troisième réalisation, lesdits moyens combinent les moyens selon les première et seconde réalisations. Par exemple, 2 5 comme montré à la Fig.3, au niveau de la section Sd sont prévues une saillie, telle qu'une bague 5, accolée à une gorge 4. Selon d'autres réalisations, la tuyère - comprend une combinaison de plusieurs des moyens ci-dessus pour rendre stable, symétrique et coaxial le décollement. Ces moyens combinés sort repartes. Le, lcI.on de. I& surface JAcer latéraux sur les parois d'une tuyère. Pour ces essais, lz tubyar est une tuyère omprenant un divergent conique aycnt us demi-anglet au sommet de 17 et un diamètre au col de c'. TLe moilis localises Sur la. paroi interne de la tuyère sont disposés dans la section de décollement Sd à une distance du col comprise entre 0,5 c et 0, 7 cI La Fig.4 représente le cas d'une gorge 4 ayant une largeur de 0,17 c et une profondeur moyenne de 0,15 4c. La Fig.5 représente une bague 5 placée à 0,53 c du col et ayant une hauteur moyenne de 0,052 c. La Fig.6 montre une série de picots 6, de hauteur h = 0,05 c' places à 0, 6 c du col et implantés angulairement tous les 15 degrés. Les Figs.7 et 8 montrent respectivement un ressaut 5' et un ressaut 5" suivi d'une gorge 4'. La Fig.9 est un diagramme montrant l'effort latéral en fonction de la pression génératrice pour une tuyère à -divergent lisse selon l'art antérieur, et pour une tuyère selon l'invention 15 comportant un ressaut 5'. REV E N D I C AT I 0 N S 1 - Tuyère de propulseur notamment pour engin, comprenant un conduit de révolution (2, 3) ayant une section minimale (S) au c col, et un profil divergent (3) ayant une grande section de sortie (S), caractérisée en ce que le conduit de révolution (2, 3) 5 comprend des moyens (4; 5; 6) localisés au voisinage d'une section (Sd) interne au profil divergent (3) et sensiblement en aval de la section minimale (Sc), pour rendre stable, symétrique et coaxial à la tuyère un décollement de fluide gazeux traversant la tuyère. 2 - Tuyère conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent au moins une gorge (4) ou un ensemble d'évidements répartis uniformément, au niveau de ladite section interne (Sd). 3 - Tuyère conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en 15 ce que lesdits moyens comprennent au moins une saillie (5) ou un ensemble de protubérances (6) réparties uniformément, au niveau de ladite section interne (Sd). 4 - Tuyère conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que ladite saillie (5) ou l'ensemble de protubérances (6) sont 20 destructibles, par érosion mécanique et/ou fusion sous l'action du fluide gazeux. - Tuyère conforme à l'une quelconque des revendications 1 à4, caractérisée en ce que ladite section interne (Sd) est égale à environ 1,3 à 2 fois la section au col (Sc).