Brevet FR2618488A1 — publié le 19890127

Divergent à rupture de galbe pour tuyère de moteur-fusée. La présente invention a pour objet un divergent à rupture de galbe pour tuyère de moteur-fusée présentant à partir du col de la tuyère un premier tronçon constitué par une première surface de révolution autour de l'axe de la tuyère qui présente dans un plan axia'l un profil galbé et un deuxième tronçon constitué par une seconde surface de révolution autour de l'axe de la tuyère qui présente également un profil galbé dans un plan axial, les premier et deuxième tronçons définissant une rupture de galbe au niveau de leur zone de raccordement. La performance optimale d'un moteur-fusée est obtenue lorsqu'il y a égalité entre la pression de sortie du divergent et la pression ambiante. Ceci conduit à fixer le rapport de sections entre la section au col de la tuyère et la section de sortie du divergent de manière à adapter la pression de sortie du divergent à la pression ambiante. Dans le. cas de divergents classiques à rapport de sections fixe prévus pour des moteurs-fusée fonctionnant à partir du sol, le rapport des sections est déterminé pour un fonctionnement correct au niveau du sol. Il en résulte des performances relativement faibles en altitude, car la pression externe qui a diminué n'est plus adaptée à la pression de sortie du divergent restée constante. Pour améliorer les performances moyennes sur la durée du vol et en particulier celles en haute altitude, on a-déjà proposé de réaliser des divergents à rapport de sections variable, tels que les divergents déployables de forme tronconique ou à simple galbe, tels que décrits par exemple dans le document -de brevet FR-A-2 457 390. On a également proposé d'utiliser des divergents fixes à rupture de galbe. L'utilisation, sur un moteur-fusée, d'un divergent déployable à simple galbe présente, outre les problèmes éventuels liés au système de déploiement proprement dit, des contraintes au niveau de l'architecture moteur. En effet, sur un divergent déployable à simple galbe, la partie mobile qui remonte autour du 2618 4 8 8 moteur en position de départ non déployée est très longue et présente un faible diamètre intérieur. Ceci impose des contraintes très strictes d'architecture jusqu'en haut du moteur. Le principe du divergent fixe à rupture de galbe est OS d'avoir au sol un décollement du jet à la rupture de galbe, c'est-à-dire que le jet ne suit plus la paroi du divergent, et il se crée une zone d'eau morte entre le jet et la paroi. Ensuite, quand l'altitude augmente et la pression externe diminue, il y a recollement sur la partie basse du divergent et donc, pour le jet, un accroissement du rapport de section apparent, donc des performances améliorées en altitude. Ce système présente cependant des inconvénients en ce qui concerne à la fois la stabilité et les performances. Il est en effet très difficile d'avoir un décollement net au sol ou à basse altitude puis un recollement à la fois symétrique et stable à plus haute altitude. De plus, la rupture de galbe introduit, après le recollement, un accroissement de la couche limite donc une perte de performance. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre une adaptation de la section de sortie d'un divergent de type fixe ou déployable sans impliquer de contraintes d'architecture sévères ni de limitation sensible des performances ou de la stabilité du fonctionnement du moteur-fusée. L'invention vise encore à améliorer l'opération de déploiement des divergents de type déployable. Ces buts sont atteints grâce à un divergent à rupture de galbe du type défini en tête de la description, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif d'injection contrôlée d'un jet additionnel de gaz dans le divergent en direction du flux principal de gaz évacué par la tuyère et en ce que ledit dispositif d'injection contrôlée est disposé à l'extérieur du divergent au voisinage de la zone de raccordement entre les premier et deuxième tronçons pour injecter vers l'intérieur du divergent avec un débit déterminé ledit jet additionnel de gaz selon une direction non tangentielle à la paroi du divergent. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif d'injection contrôlée comprend des moyens de récupération de débits dérivés de gaz utilisés dans le moteur-fusée ou préLevés sur L'étage de La fusée équipée du moteur-fusée. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'injection contrôlée comprend une source indépendante de gaz. sous pression. Le dispositif d'injection contrôlée peut être adapté pour n'autoriser une injection de jet additionnel de gaz que pendant une fraction du temps de fonctionnement du moteur-fusée. Le divergent à rupture de galbe selon L'invention est avantageusement du type déployable. Dans ce cas, le dispositif d'injection contrôlée constitue avantageusement en outre un système d'amorçage du déploiement du deuxième tronçon dépLoyable du divergent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite de modes particuliers de réalisation'donnés à titre d'exemples en référence aux dessins annexés, sur-lesquels: - la figure 1 représente schématiquement en coupe axiale, en traits pleins, un divergent à rupture de galbe auquel est applicable l'invention et, en traits discontinus, un divergent déployable à simple galbe conforme à l'art antérieur, - la figure 2 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'un divergent à rupture de galbe connu présentant une couche limite importante, - la figure 3 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'un autre divergent à rupture de galbe connu présentant une zone de recirculation de gaz, - la figure 4 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'un divergent à rupture de galbe muni d'un dispositif d'injection de gaz conforme à l'invention, - les figures 5 à 7 sont des vues schématiques en demi-coupe axiale d'un divergent à rupture de galbe muni d'un dispositif d'injection de gaz équipé d'un réservoir indépendant de gaz sous *pression selon un premier mode de réalisation de l'invention, respectivement avant une phase de débit d'injection de gaz additionnel, pendant une phase de début d'injection de gaz additionnel et après une phase de début d'injection de gaz additionnel, - la figure 8 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'un divergent à rupture de galbe muni d'un dispositif d'injection de gaz additionnel équipé d'un générateur de gaz selon un second mode de réalisation de l'invention, - les figures 9 et 10 sont des vues schématiques en demi-coupe axiale d'un divergent à rupture de galbe muni d'un dispositif d'injection de gaz additionnel comprenant des moyens de récupération de débits dérivés de gaz du moteur-fusée selon deux variantes de réalisation, et - les figures 11 et 12 représentent des vues schématiques en coupe axiale d'un divergent déployable à rupture de galbe équipé d'un dispositif d'injection de gaz additionnel conformément à l'invention, respectivement en position repliée et déployée du divergent déployable. On a représenté en pointillés sur la figure 1 un exemple de divergent déployable classique 20 de tuyère de moteur-fusée, lequel divergent 20 est du type à simple galbe, c'est-à-dire présente en coupe axiale une courbure continue. Le divergent déployable 20 présente un col de tuyère 13 auquel est rattachée une première partie fixe 21 présentant une section de sortie 24 de diamètre g 2. Dans la position de déploiement représentée sur la figure 1, qui correspond à un fonctionnement à partir d'une certaine altitude, une seconde partie 22 prolonge la partie fixe 21 et définit une section de sortie 15 de diamètre 3 beaucoup plus important que le diamètre P 2 correspondant à la section de sortie 24 de la partie fixe 21. La partie mobile 22 du divergent déployable classique 20 présente une longueur importante et une section d'entrée de faible diamètre P 2 qui doit correspondre exactement à la section de sortie 24 de la partie fixe 21. Dans la position initiale non déployée au départ du sol, la partie mobile 22 de grande longueur doit alors être remontée ou rabattue le long du moteur en amont de la partie fixe 21 de faible longueur et faible section, ce qui pose des problèmes techniques importants d'architecture. Par ailleurs, du fait de sa grande longueur, la partie mobile 22 présente une masse importante et le système de déploiement doit être relativement puissant. La figure 1 montre par ailleurs en traits continus un divergent 10 à rupture de galbe conforme à la présente invention, qui peut être fixe ou déployable, et se trouve agencé de manière à présenter, en fonctionnement en haute altitude, la même section de sortie 15 que celle du divergent 20, avec le même diamètre 03, le col 13 de la tuyère étant lui-même identique pour le divergent à simple galbe et le divergent 10 à rupture de galbe. On remarque que selon la présente invention, la première section 11 du divergent à rupture de galbe 10, qui est fixe dans tous les cas, peut présenter une longueur plus importante que la partie fixe 21 du divergent 20, et une section de sortie 14 plus importante que la section de sortie 24 de la partie fixe 21 du divergent 20. La partie fixe 11 du divergent à rupture de galbe est optimisée pour un fonctionnement au niveau du sol tel que le flux de gaz ne se décolle pas de la paroi le long de la partie fixe 11. La partie aval 12 qui définit une rupture de galbe par rapport à la partie avant fixe 11 peut présenter une longueur L relativement réduite, et une section relativement importante sur toute sa longueur, ce qui ne pose pas de problèmes importants pour conférer à la partie aval un caractère de mobilité. Ainsi, en position de départ, la partie aval 12 peut facilement être placée en position repliée autour de la partie fixe 11, et au moment du déploiement, la puissance nécessaire pour le déploiement est limitée. Les caractéristiques de la présente invention qui seront explicitées plus Loin permettent de garantir un fonctionnement optimisé et de simplifier la réalisation d'un divergent à rupture de galbe, que celui-ci soit de type déployable ou fixe. La figure 2 montre l'existence d'une couche limite 33 importante entre la paroi de la partie aval 12 d'un divergent à rupture de galbe fixe classique, et le jet de gaz 32 qui, à haute altitude ne peut pas recoller à la paroi 12 aussi bien que le jet de gaz amont 31 qui, dès le départ est collé à la partie amont 11 du divergent entre le col 13 de la tuyère et la zone 16 de rupture de galbe. La figure 3 montre, dans le cas d'un divergent à rupture de galbe fixe classique dont le changement de pente est important entre la partie amont 11 et la partie aval 12, un décollement du jet de gaz 31 avec une remontée de la pression externe et une zone 34 de recirculation de gaz au voisinage de la zone 16 de rupture de galbe, ce qui conduit à empêcher que le jet de gaz 36 puisse recoller à la paroi du divergent dans la partie aval 12, même à haute altitude. La figure 4 montre de façon schématique, des moyens 100 d'injection additionnelle contrôlée d'un jet de gaz 35 dans la zone 16 de rupture de galbe du divergent, ce qui conduit à entraîner le jet principal de gaz 32 de façon sûre le long de la paroi de la partie aval 12, même si la rupture de pente est importante. La couche limite est alors considérablement réduite. Ainsi, l'injection de gaz à la rupture de galbe permet de maitriser la couche limite, c'est-à-dire qu'elle assure un recollement stable et symétrique sur un divergent fixe à rupture de galbe à partir de l'instant prédéterminé o la partie aval 12 du divergent doit entrer en action. Par la suite, la couche limite peut être contrôlée de façon continue et les pertes de performances en fonctionnement permanent peuvent être réduites. La présence d'un dispositif d'injection de gaz permet de réaliser une partie aval 12 de divergent présentant un changement de pente important par rapport à la partie amont 11, de sorte qu'il est possible d'obtenir une section de sortie 15 de diamètre déterminé 03 (figure 1) avec une partie aval 12 de faible longueur L et donc de faible masse. Dans tous les cas, il n'y a ni perte de performance, ni risque de décollement intempestif du jet principal de gaz 32, puisque l'injection additionnelle de gaz 35 effectuée au niveau de la rupture de galbe 16 permet de souffler la zone de décoLlement et par suite d'aspirer le jet principal 32 en direction de la paroi. On notera que, conformément à l'invention, l'injection additionnelle de gaz est réalisée de façon contrôlée, c'est-à-dire avec un débit ajusté et un angle d'injection déterminé qui produit un jet additionnel non tangentiel à La paroi de la partie aval 12 du divergent 10 à rupture de gaLbe. Le disposiif 100 d'injection de gaz peut être réalisé de diverses manières et peut en particulier, selon les applications envisagées, être mis en oeuvre de façon intermittente ou permanente. Les figures 5 à 7 illustrent un mode particulier de réalisation d'un dispositif 100 d'injection contrôlée de gaz additionnel dans une zone de rupture de galbe d'un divergent comportant une partie amont fixe 11 et une partie aval 12 fixe ou mobile. Le dispositif 100 des figures 5 à 7 comprend un réservoir de gaz sous pression, une ligne 115 d'alimentation qui débouche par des injecteurs 113 dans le divergent au niveau de la zone 16 à rupture de galbe. Une vanne 111 et un détendeur 112 sont disposés sur la ligne 115 pour permettre un contrôle de l'injection de gaz additionnel. Un carter 114 composé d'éléments rapportés sur la partie amont 11 du divergent ou sur la partie aval 12 du divergent protège les injecteurs 113. La figure 5 montre l'écoulement du jet principal de gaz 31 dans le divergent en l'absence d'injection de gaz additionnel et dans une phase initiale au cours de laquelle le jet principal s'écarte de la paroi aval 12 (jet 36). La vanne 111 est alors fermée. La figure 6 concerne le début d!une phase d'injection de gaz additionnel 35, La vanne 111 ayant été ouverte, pour forcer et faciliter le recollement du jet principal de gaz 31, 36 contre la paroi aval 12, à un instant prédéterminé qui correspond à une certaine altitude atteinte par la fusée et, dans le cas d'un divergent déployable, au déploiement de la partie aval 12. La figure 7 montre la forme de L'écoulement du jet principal de gaz 31, 32 après La phase de recollement, alors que la vanne 11 est toujours en position ouverte. Le jet principal 32 est stabilisé le long de la paroi de La partie aval 12 par l'écoulement du jet secondaire 35, initialement injecté par l'injecteur 113 de façon non tangentielle à la partie aval 12. La figure 8 montre un autre mode de réalisation du dispositif 100 d'injection contrôlée de gaz additionnel, dans une phase de fonctionnement qui correspond à celle de la figure 7. Dans le cas de la figure 8, le système à gaz stocké des figures 5 à 7 a été remplacé par un générateur de gaz 120 à bloc de poudre muni d'un système d'allumage 121 qui'est commandé à l'instant o le recollement du jet principal 31, 32 doit avoir lieu. Le générateur de gaz 120 pourrait également être à liquide, par exemple à décomposition catalytique d'hydrazine et fonctionnerait alors sans le système d'allumage 121. Les dispositifs 100 d'injection de gaz des figures 5 à 8 présentent l'avantage de permettre facilement des fonctionnements non permanents ou à régime variable. L'optimisation du débit de gaz additionnel 35 permet d'atteindre l'objectif principal recherché qui peut être le contrôle du recollement du flux principal 31, 32 ou une maximisation des performances. Les gaz additionnels réinjectés par le dispositif 100 peuvent provenir de dispositifs séparés comme dans le cas des figures 5 à 8, ou être prélevés sur l'étage de la fusée sur lequel est monté le moteur-fusée. Il est alors possible grâce à des dispositifs de récupération, d'utiliser une partie de gaz de pressurisation ou de gaz haute pression stocké dans des réservoirs pour le pilotage de vannes. Les gaz additionnels réinjectés par le dispositif 100 peuvent encore provenir du moteur-fusée lui-même et être réinjectés grâce à des moyens de récupération, dans la zone de rupture de galbe du divergent. Les gaz provenant du moteur-fusée peuvent être constitués par les débits de gaz d'échappement de turbines de turbopompes d'alimentation du moteur-fusée, des débits de fluide de refroidissement (dits "débits dump") ou des débits de gaz prélevés par piquage dans la chambre de combustion. La récupération de gaz provenant du moteur-fusée implique un fonctionnement permanent du dispositif 100 d'injection de gaz additionnel, mais permet toujours un contrôle du débit réinjecté dans la zone de rupture de galbe. Les figures 9 et 10 montrent deux variantes de réalisation de moyens 130, 140 de récupération et réinjection de gaz provenant du moteur-fusée, en particulier de gaz d'échappement d'une turbine. Sur la figure 9, le dispositif 100 d'injection contrôlée de gaz additionnel comprend des moyens 130 de récupération de gaz comportant une volute 132 dans laquelle débouche au moins un tube 131 relié à l'échappement de la turbine d'une turbopompe du moteur-fusée. La volute 132 débouche sur un tore 133 qui communique par des injecteurs 134 avec l'intérieur du divergent 10 et permet une injection de gaz additionnel selon une direction prédéterminée, qui au départ est non tangentielle à la partie aval 12. L'utilisation d'une volute et d'un bore pour l'injection des gaz d'échappement turbine permet d'assurer une bonne homogénéité et une bonne répartition des gaz à leur injection dans la tuyère. Sur la figure 10, les moyens 140 de récupération de gaz sont légèrement différents des moyens 130 de récupération de gaz représentés sur la figure 9, et comprennent un simple tore 142 dans lequel débouche au moins un tube 131 relié à l'échappement de la turbine, et qui communique par des injecteurs 144 et un réseau de tubes 143 avec l'intérieur du divergent 10 de façon à permettre comme dans le cas de la figure 9, une injection de gaz additionnel selon une direction prédéterminée qui au départ n'est pas tangentielle à la partie aval 12. Cette solution permet de réaliser des moyens 140 de récupération de gaz présentant une masse réduite. Les premier et deuxième tronçons 11, 12 du divergent 10 à rupture de galbe constituent avantageusement un divergent déployable qui peut être par exemple du type à anneaux et pétales comme décrit dans le document de brevet FR-A-2 457 390. Dans ce cas, le déploiement du tronçon aval 12 est amorcé après une durée prédéterminée de fonctionnement du moteur-fusée qui correspond à une certaine altitude. Il est préférable que le dispositif 100 d'injection contrôlée n'autorise une injection de jet additionnel de gaz qu'après une durée prédéterminée de fonctionnement du moteur-fusée qui correspond à l'initialisation du déploiement du second tronçon 12. Avantageusement, la mise en oeuvre du dispositif 100 d'injection contrôlée contribue à amorcer le déploiement du tronçon aval déployable 12, tandis que le jet principal permet de fournir l'énergie nécessaire au déploiement total des pétales 40 constituant le tronçon aval 12 du divergent (figures 11 et 12). Après le déploiement du tronçon aval 12 et l'injection de gaz additionnnel par le dispositif 100 pour provoquer le recollement du jet principal de gaz contre la paroi du tronçon aval 12, l'injection de gaz additionnel par le dispositif 100 peut être interrompue. En effet, c'est la phase de déploiement du tronçon aval 12 qui constitue la période la plus critique du point de vue du contrôle du comportement des gaz du jet principal à la rupture de galbe. Toutefois, il est utile de poursuivre la réinjection de gaz, à débit fixe ou variable, après la phase de déploiement du tronçon aval 12, pour contrôler de façon stricte la couche limite et ainsi contribuer à améliorer les performances du, moteur-fusée. Les figures 11 et 12 montrent un divergent à rupture de galbe à tronçon aval 12 replié dans une première phase de fonctionnement (figure 11) et déployé dans une seconde phase de fonctionnement (figure 12). On a représenté sur les figures 11 et 12 un tronçon aval 12 composé d'un ensemble d'éléments 40 ou pétales comprenant chacun un volet 42 relié à une extrémité par une articulation 43 à une extrémité d'un autre volet 41 lui-même rattaché par une articulation 44 à l'extrémité inférieure du tronçon amont fixe 11 du divergent 10. Des anneaux 45 assurent la solidarisation des différents pétales entre eux. Naturellement, chaque pétale 40 pourrait comprendre un nombre de volets 41, 42 repliés en accordéon, qui diffère de deux, par exemple trois volets successifs. Sur les figures 11 et 12 on a représenté un dispositif d'injection de jet de gaz additionnel qui correspond au mode de réalisation des figures 5 à 7, mais d'autres modes de réalisation, tels que celui de la figure 8, sont possibles. Dans le cas o le dispositif 100 combine les fonctions d'amorçage du déploiement des éléments 40 constituant la partie aval 12 du divergent, et de forçage du recollement du jet principal de gaz contre la partie aval 12 du divergent 10, il suffit que ce dispositif 100 d'injection contrôlée puisse n'autoriser une injection de gaz additionnel qu'après une durée de fonctionnement prédéterminée du moteur-fusée. 26 18 4 8 8 REVENDICATIONS 1. Divergent à rupture de galbe pour tuyère de moteur-fusée présentant à partir du col de la tuyère (13) un premier tronçon (11) constitué par une première surface de révolution autour de L'axe de La tuyère qui présente dans un plan axial un profil galbé et un deuxième tronçon(12) constitué par une seconde surface de révolution autour de l'axe de La tuyère qui présente également un profiL gaLbé dans un plan axial, les premier et deuxième tronçons (11,12) définissant une rupture de galbe au niveau de Leur zone de raccordement (14), caractérisé en ce qu'iL est équipé d'un dispositif (100) d'injection contrôlée d'un jet additionneL de gaz (35) dans le divergent (10) en direction du flux principal de gaz (31) évacué par La tuyère et en ce que Ledit dispositif (100) d'injection contrôlée est disposé à L'extérieur du divergent (10) au voisinage de La zone de raccordement (14) entre les premier et deuxième tronçons (11,12) pour injecter vers L'intérieur du divergent (10) avec un débit déterminé Ledit jet additionnel de gaz (35) selon une direction non tangentielLe à la paroi du divergent (10). 2. Divergent seLon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième tronçons (11,12) sont raccordés de façon fixe en position déployée pendant toute la durée du fonctionnement du moteur-fusée. 3. Divergent selon La revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième tronçons (11, 12) constituent un divergent déployable et en ce que le deuxième tronçon (12) n'est déployé qu'après une durée prédéterminée de fonctionnement du moteur-fusée. 4. Divergent selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée assure en permanence pendant toute la durée du fonctionnement du moteur-fusée l'injection d'un jet additionnel de gaz (35). 5. Divergent selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée n'autorise une injection de jet additionnel de gaz (35) qu'après une durée de fonctionnement prédéterminée du moteur-fusée. 6. Divergent selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée n'autorise une injection de jet additionnel de gaz (35) que pendant une période de temps limitée qui est interrompue avant la fin du fonctionnement du moteur-fusée. 7. Divergent selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée comprend des moyens (130,140) de récupération de débits dérivés de gaz utilisés dans le moteur-fusée, tels que des débits de gaz d'échappement de turbines, de turbo-pompes d'alimentation du moteur-fusée, des débits de fluide de refroidissement ou des débits de gaz prélevés dans la chambre de combustion. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée comprend des moyens (130, 140) de récupération de débits dérivés de gaz prélevés sur l'étage de la fusée équipée du moteur-fusée à partir de gaz de pressurisation ou de gaz haute pression stocké dans des réservoirs pour le pilotage de vannes. 9. Divergent selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens (130) de récupération de débits dérivés de gaz comprennent une volute (132) et un tore d'admission (133). 10. Divergent selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens (140) de récupération de débits dérivés de gaz comprennent un réseau de tubes (143). 11. Divergent selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée comprend une source indépendante (110, 120) de gaz sous pression. 12. Divergent selon la revendication 11, caractérisé en ce que la source indépendante (110, 120) de gaz sous pression est constituée par un réservoir (110) de gaz haute pression, et, en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée comprend une ligne d'alimentation (115) équipée d'une vanne (111) et d'un détendeur (112) pour relier le réservoir (110) de gaz haute pression à des injecteurs (113) disposés sur le divergent au voisinage de la zone de raccordement des premier et second tronçons (11, 12) avec rupture de galbe. 13. Divergent selon la revendication 11, caractérisé en ce que la source indépendante de gaz sous pression comprend un générateur de gaz (120) à poudre ou à liquide. 14. Divergent selon les revendications 3, 5 et l'une quelconque des revendications 8, 11, 12 et 13, caractérisé en ce que le dispositif (100) d'injection contrôlée constitue en outre un système d'amorçage du déploiement du deuxième tronçon déployable (12) du divergent (10).