Brevet FR2613775A1 — publié le 19881014

Bague d'échappement pour tuyères à fonctionnement dans le vide d'un moteur-fusée à propergols liquides. 1 La présente invention concerne une bague d'échappement pour une tuyère à fonctionnement dans le vide d'un moteur-fusée à propergols liquides, la structure de tuyè- re étant composée pour l'essentiel de tubes de refr;idis- sement par exemple rectangulaires, spiralés, reliés les uns aux autres mécaniquement à travers lesquels s'écoule une quantité partielle d'un ergol qui s'échappe à l'ex- trémité arrière de la structure de tuyère en vue d'une postcombustion, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une bague d'échappement de ce type. Le moteur-fusée HM7 du lanceur "Ariane" présente par exemple une structure de tuyère composée de tubes de re- froidissement rectangulaires et spiralés. Dans ce moteur- fusée, une quantité partielle de l'hydrogène liquide s'écoule en tant que fluide de refroidissement à travers la structure de paroi de la tuyère à fonctionnement dans le vide et s'échappe à l'extrémité de la tuyère en vue d'une postcombustion. Du point de vue de la construction, le plus simple serait de faire sortir l'hydrogène direc- tement des extrémités ouvertes des tubes de refroidis- sement, comme le décrit par exemple le brevet US 32 67 664. Toutefois, du fait de l'angle de spirale important des tubes de refroidissement, il apparaîtrait, outre la composante de poussée axiale désirée, une composante d'inclinaison au moins aussi importante, imprimant au moteurfusée un mouvement de rotation indésirable et la composante de poussée serait en outre considérablement plus faible que dans le cas d'un écoulement axial (perte de poussée). C'est pourquoi, il est raccordé aux tubes de refroidissement une bague d'échappement qui assure le respect de vitesses et de directions d'écou- 1 lement définies. Conformément à l'état de la technique, la bague est fabriquée à partir du même demi-produit que les tubes de refroidissement de la structure de tuyère, c'est-à-dire à partir d'un tube carré à paroi mince de 4 x 4 x 0,4 mm. Une pièce tubulaire droite non usinée est tout d'abord formée par cintrage (rou- lage) en une bague de diamètre prédéterminé, les ex- trémités du tube sont coupées exactement et soudées et le cordon de soudure est ensuite paré. La bague soudée est munie par électro-érosion, du c8té d'entrée de 242 ouvertures destinées à établir la communication d'écoulement avec les 242 tubes de refroidissement, et du c8té sortie, de 726 ouvertures destinées à re- cevoir les gicleurs de sortie. Les 726 bagues soudées et gicleurs de sortie doivent être fabriqués séparé- ment sous forme de pièces séparées en forme d'enton- noir et être intégrés dans la bague d'échappement par soudage par résistance. De cette manière, on obtient certes une bague d'une construction relativement légère, mais le travail de fabrication, de contr8le et le cas échéant de retouche est considérable. Ainsi, il arrive fréquemment que des soudures ne soient pas étanches et doivent être ressoudées partiellement ou entièrement. Souvent, le flux important de courant endommage le profil de la tuyère lors du ressoudage. En outre, certains gicleurs sont légèrement inclinés après avoir été intégrés, leurs c8tés frontaux ne formant ainsi pas une surface d'appui plane, ce qui entraîne un effet de rotation inacceptable du moteur- fusée et rend difficile, voire impossible le contr8le de pression de la tuyère finie à fonctionnement dans le vide. Des essais ont révélé que malgré une orientation axiale des gicleurs, le fluide de refroidissement sort toujours avec une légère inclinaison dans le 1 sens de l'angle de spirale des tubes de refroidissement (inclinaison). Aucun remède n'est possible, étant donné que le procédé de fabrication décrit n'autorise qu'une disposition axiale des gicleurs. L'image d'injec- tion des gicleurs de sortie n'est en général pas homogè- ne, en particulier parce que les différentes ouvertures d'amenée du côté d'entrée ne permettent pas une alimenta- tion régulière des gicleurs de sortie considérablement plus nombreux. L'invention a en revanche pour objet de permettre la fabrication d'une bague d'échappement qui, pour le même poids ou un poids légèrement supérieur, permet des économies considérables au niveau des coûts et du temps lors de la fabrication, des tests et de la recette, rend les travaux de retouche pratiquement inutiles et présente une image d'injection parfaitement homogène de tous les gicleurs de sortie avec un effet de rotation minimal, ce qui permet d'obtenir un rendement plus élevé du moteur-fusée. Cet objectif est résolu par le fait que la forme de la bague d'échappement correspond en coupe axiale à un polygone plein avec des angles en partie arrondis et une enveloppante rectangulaire, que la forme de la bague d'échappement définit du côté d'entrée un canal collecteur continu, en forme de gorge de profil rectangulaire et ouvert vers l'avant et qu'une multitude de trous de gicleurs de sortie s'élargissant en enton- noir, répartis régulièrement sur le pourtour de la bague d'échappement et dont les axes soit sont orientés parallèlement à l'axe de la bague soit présentent un angle d'inclinaison opposé à l'angle de spirale des tubes de refroidissement de la structure de tuyère, s'étendent à partir de la paroi frontale arrière ou 1 fond du canal collecteur vers le côté de sortie de la bague d'échappement. Cet objectif est également résolu par les étapes de fabrication suivantes: 1. Préparation d'une barre droite et pleine en matériau réfractaire aux hautes températures (en Inconel 600, par exemple) ayant une section transversale rectangulai- re, de préférence carrée, arrondie aux angles. 2.1 Usinage par enlèvement de copeaux (par fraisage, par exemple) du canal collecteur en forme de gorge de profil rectangulaire situé du côté d'entrée. 2.2 Réalisation par enlèvement de copeaux (par perçage, par exemple) des trous en entonnoir des gicleurs de sortie. 3. Cintrage (par roulage, par exemple) de la barre usinée en une bague de diamètre prédéterminé. 4.1 Coupe et soudage des extrémités de la barre. 4.2 Parage du cordon de soudure. La bague d'échappement est fabriquée à partir d'une barre carrée pleine et massive. Il est ainsi possible de créer du côté d'entrée un canal collecteur continu, c'est-à-dire ininterrompu qui garantit une distribution régulière du débit vers tous les gicleurs de sortie. La réalisation à âme pleine permet en outre de supprimer des corps de gicleurs séparés devant être soudés, étant donné que les gicleurs de sortie sont formés directement dans la bague d'échappement sous forme de trous simples et précis. En dehors de la précision importante, il convient en outre de souligner l'encombrement moindre des trous par rapport aux corps de gicleurs, un nombre plus important de gicleurs pouvant être ainsi disposés sur le pourtour de la bague d'échappement. Il est également possible de fabriquer les gicleurs de sortie avec un angle d'inclinaison opposé à l'angle de spirale des tubes de refroidissement et d'obtenir ainsi un 2 6 1 3 7 75 1 échapoement du fluide de refroidissement essentiellement sans effet de rotation. Du point de vue de la technique de fabrication, il est important que le canal collecteur et les gicleurs de sortie soient fabriqués lorsque le matériau de la barre est à l'état droit, ce qui simplifie la fabrica- tion ( enlèvement de copeaux, usinage) et augmente la précision. Selon un mode de mise en oeuvre privilégié, les points d'intersection des axes des trous de gicleurs de sortie avec la paroi frontale arrière ou fond du canal col- lecteur se trouvent radialement à l'intérieur du diamètre médian de ce dernier et le diamètre extérieur de la bague d'échappement diminue par palier (gradin) du côté d'entrée vers le côté sortie; le gradin destiné à réduire le diamètre extérieur côté sortie de la bague d'échappement est réalisé soit par usinage par enlèvement de copeaux (fraisage, par exemple) de la barre à l'état droit, soit par usinage par enlèvement de copeaux (tournage, par exemple) de la barre annulaire soudée. Du point de vue du poids, ce mode de mise en oeuvre est équivalent à l'art antérieur, voire plus favorable. Une disposition radiale asymétrique des gicleurs de sortie accompagnée d'une augmentation de leur nombre et d'une réduction de leur dimension permet d'approfondir axialement le canal collecteur et de réduire par palier le diamètre de la bague d'échappement côté sortie, le handicap de poids (environ 75g) d'une bague réalisée pleine avec des trous de gicleurs de sortie disposés symétriquement et ayant la même taille que dans la version soudée, pouvant être ainsi écarté, une bague d'un poids inférieur à celui de la version soudée pouvant même être obtenue. 1 Il convient à présent d'expliquer plus en détails l'in- vention à l'aide d'exemples de mise en oeuvre représentés sur les dessins, sur lesquels: La figure 1 représente une vue radiale d'une partie de la structure de tuyère et de la bague d'échappement, la structure et la bague étant localement coupées, la figure 2 représente une coupe longitudinale d'une bague d'échappement dans la zone d'un gicleur de sortie, la figure 3 représente une coupe longitudinale d'une bague d'échappement de construction légère dans la zone d'un gicleur de sortie. La figure 1 représente une petite partie de la structure superficielle d'une tuyère spiralée à fonctionnement dans le vide, dans la zone de l'orifice de la tuyère, c'est-à-dire dans la zone du plus grand diamètre de la tuyère divergente. Sur la figure 1, la structure de tuyère 10 est vue de l'extérieur selon une direction radiale et la poussée s'effectue horizontalement, de droite à gauche. Pour une meilleure compréhension la structure est partiellement coupée. On voit que la structure de tuyère 10 est composée pour l'essentiel de tubes de refroidissement 11 spiralés (angle de spirale *) qui sont soudés les uns aux autres et que la fermeture c8té sortie de la structure de tuyère est constituée par une bague d'échappement 1 s'éten- dant perpendiculairement à l'axe du moteur-fusée et soudée aux extrémités biseautées des tubes de refroidis- sement 11. Le fluide de refroidissement, de l'hydrogène liquide, par exemple, est acheminé vers la structure de tuyère 10 dans une zone (non représentée) entre le col et l'orifice de la tuyère et est réparti réguliè- 1 rement sur les tubes de refroidissement 11 montés en parallèle du point de vue de la technique d'écoule- ment. Il suit le parcours spiralé des tubes de refroi- dissement 11 en absorbant de la chaleur à l'intérieur de la tuyère jusqu'à ce qu'il parvienne dans la zone de la bague d'échappement 1. Sur la figure 1, l'écoule- ment dans les tubes de refroidissement 11 s'effectue donc d'en haut à gauche vers le bas à droite selon un angle de spirale ( par rapport à l'horizontale. Les différents courants sortant des extrémités acutangu- laires des tubes de refroidissement 11 sont réunis dans le canal collecteur 3 de la bague d'échappement 1 puis, à partir de la paroi frontale arrière 5 du canal collecteur 3, acheminés régulièrement vers l'exté- rieur par les trous de gicleurs de sortie 7. C'est là que l'hydrogène s'enflamme et contribue ainsi à augmenter la poussée du moteur-fusée. Etant donné que la sortie du fluide de refroidissement ne doit pas avoir d'effet de rotation sur le moteur-fusée, le mieux serait théoriquement de disposer les axes X des trous de gicleurs de sortie 7 parallèlement à l'axe du moteur-fusée, c'est-à-dire horizontalement sur la figure 1. Des essais ont cependant montré qu'une orientation axiale des trous de gicleurs de sortie 7 ne suffit pas à dévier précisément dans la direction de poussée les courants de fluide de refroidissement arrivant très inclinés (angle de spirale "). Si l'on désire obtenir une large absence d'inclinaison, il convient, comme à la figure 1, de donner aux trous de gicleurs de sortie 7 un petit angle d'inclinaison B qui est opposé à l'angle de spirale ". Ce n'est qu'ainsi qu'il est possible d'obtenir une sortie large- ment axiale du fluide de refroidissement. 1 La figure 2 représente une coupe longitudinale radiale de la bague d'échappement 1, le plan de coupe passant par l'axe de la bague (= axe du moteur-fusée) non représenté ainsi que par un trou de gicleur de sortie 7. L'éventuel angle d'inclinaison B de l'axe X n'est pas pris en considération dans cette représentation (l'axe X traverserait le plan de la feuille horizonta- lement d'avant en arrière de gauche à droite). Le profil extérieur carré avec les quatre angles arrondis correspond de manière inchangée à la section transversale du matériau plein de la barre à partir duquel la bague d'échappement 1 est cintrée puis jointe par soudage. Pour avoir une meilleure idée des dimensions, il convient de dire que la bague d'échappement 1 peut avoir un diamètre de 1 m et plus mais que la surface de coupe représentée sur les figures 2 (et 3) ne mesure que quelques millimètres, 4 x 4 mm, par exemple. Le canal collecteur 3 ainsi que les trous de gicleurs de sortie 7 sont façonnés par enlèvement de copeaux dans le matériau plein; les zones de paroi fines et circulaires qui limitent radialement le canal col- lecteur 3 vers l'intérieur et vers l'extérieur ont à peu près la même épaisseur que les parois des tubes de refroidissement 11 (non représentés) et servent de lèvres de soudage. Comme il a déjà été mentionné, une bague d'échappement conforme à l'art antérieur est constituée par un tube carré à paroi mince (épaisseur de paroi de 0,4 mm, par exemple) cintré et soudé dans lequel une multitude de corps séparés de gicleurs de sortie en forme d'enton- noir sont soudés par l'arrière. La réalisation à paroi pleine selon la figure 2 entra!ne, par rapport à la version soudée, un certain alourdis- 1 sement de la bague d'échappement 1 (environ 75 g) pour un nombre et une taille à peu près égaux des gicleurs de sortie. Si l'on exploite le fait que la réalisation à paroi pleine selon l'invention permet de disposer plus de gicleurs de sortie sur le pourtour (encombrement moindre du trou par rapport au corps de gicleur) et si, en augmentant encore le nombre, on réalise, pour une même résistance à l'écoulement (perte de poussée), les gicleurs de sortie plus petits et partant, axialement plus courts, il est ainsi égale- ment possible d'approfondir axialement le canal col- lecteur. On parvient ainsi à une solution ayant à peu près le même poids que la version soudée. Si l'on déplace encore radialement vers l'intérieur ces gicleurs de sortie plus petits par rapport au diamètre médian du canal collecteur, il est possible de réaliser un gradin dans le diamètre extérieur de la bague, ce qui entraîne même une réduction de poids par rapport à la version soudée. Cette version de construction légère de la bague d'échappement 2 est représentée à la figure 3. Il convient d'attirer l'attention sur le décalage radial de l'axe Y du trou de gicleur de sortie 8 par rapport au diamètre médian D du canal collecteur 3, sur la paroi frontale 6 décalée axialement loin vers l'arrière et sur le gradin 9 du diamètre extérieur de la bague. En dehors des nombreux avantages quant à la fabrication, le contr8le et la recette, la réalisation à paroi pleine permet donc en outre d'obtenir contre toute attente un poids équivalent, voire une réduction de poids par rapport à la version soudée à paroi creuse. REVENDICATIONS 1 1. Bague d'échappement pour une tuyère à fonctionnement dans le vide d'un moteur-fusée à propergols liquides, la structure de tuyère étant composée pour l'essentiel de tubes de refroidissement par exemple rectangulaires, spiralés, reliés les uns aux autres mécaniquement à travers lesquels s'écoule une quantité partielle d'un ergol qui s'échappe à l'extrémité arrière de la structure de tuyère en vue d'une postcombustion, caractérisée en ce que la forme de la bague d'échap- pement (1, 2) correspond en coupe axiale à un polygone plein avec des angles en partie arrondis et une envelop- pante rectangulaire, en ce que la forme de la bague d'échappement (1, 2) définit du c8té d'entrée un canal collecteur (3, 4) continu, en forme de gorge de profil rectangulaire et ouvert vers l'avant et en ce qu'une multitude de trous de gicleurs de sortie (7, 8) s'élar- gissant en entonnoir, répartis régulièrement sur le pourtour de la bague d'échappement (1, 2) et dont les axes (X, Y) soit sont orientés parallèlement à l'axe de la bague soit présentent un angle d'inclinaison (B) opposé à l'angle de spirale (O) des tubes de refroi- dissement (11) de la structure de tuyère (10), s'étendent à partir de la paroi frontale arrière ou fond (5, 6) du canal collecteur (3, 4) vers le c8té de sortie de la bague d'échappement (1, 2). 2. Bague d'échappement selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les points d'intersection des axes (Y) des trous de gicleurs de sortie (8) avec la paroi frontale arrière ou fond (6) du canal collecteur (4) se trouvent radialement à l'intérieur du diamètre médian (D) de ce dernier et en ce que le diamètre exté- rieur de la bague d'échappement diminue par palier 2 6 1 3 7 7 5 1 (gradin 9) du côté d'entrée vers le c8té sortie (fig. 3). 3. Procédé de fabrication d'une bague d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par les étapes opératoires suivantes: 1. Préparation d'une barre droite et pleine en matériau réfractaire aux hautes températures (en Inconel 600, par exemple) ayant une section transversale rectangulai- re, de préférence carrée, arrondie aux angles. 2.1 Usinage par enlèvement de copeaux (par fraisage, par exemple) du canal collecteur (3) en forme de gorge de profil rectangulaire situé du côté d'entrée. 2.2 Réalisation par enlèvement de copeaux (par perçage, par exemple) des trous en entonnoir des gicleurs de sortie (7). 3. Cintrage (par roulage, par exemple) de la barre usinée en une bague de diamètre prédéterminé. 4.1 Coupe et soudage des extrémités de la barre. 4.2 Parage du cordon de soudure. 4. Procédé selon la revendication 3 de fabrication d'une bague d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gradin (9) destiné à réduire le diamètre extérieur côté sortie de la bague d'échappement (2) est réalisé soit par usinage par enlèvement de copeaux (fraisage, par exemple) de la barre à l'état droit, soit par usinage par enlèvement de copeaux (tournage, par exemple) de la barre annulaire soudée.