Brevet FR2622931A1 — publié le 19890512

Mécanisme d actionnement de tuvère de Poussée D olonaeable de moteur-fusée L'invention concerne un mecanisme d'actionnement pour la tuyère de poussée prolongeable d;un moteur-fusée, qui se compose d'une tuyère de fond reliee de manière fixe à la chambre de combustion et d'une tuyere d'expansion en une ou plusieurs parties et mobile dans le sens axial, la tuyere d'expansion etant montee en aval de la tuyere de fond comme prolongement fluidique en cas de faible pression ambiante (vol en haute altitude, vide). Pour des moteurs-fusees qui doivent fonctionner, en partant de la pression ambiante a la surface terrestre jusqu'au vide dans l'espace, Si possible touJours avec une poussee optimale, il est necessaire d'adapter, par l'intermediaire de sa geometrie, le rapport d'expansion de la tuyere de poussee a la pression ambiante. La meilleure solution consisterait en une augmentation continue du rapport d'expansion, c'est-a-dire de la section de sortie de la tuyere de poussee, a mesure que la pression ambiante diminue. Or pour des raisons de construction, l'augmentation n'est effectuee dans la pratique qu'en une ou en peu d'etapes. Le decollage se fait avec une tuyere de fond qui est reliée de maniere fixe a la chambre de combustion et a laquelle est connectee en aval du point ae vue technique des fluides, a une altitude de vol déterminee, une tuyere d'expansion pouvant etre réalisee d'une seule piece ou en plusieurs parties. Du brevet US-37 11 027 on connaît une tuyere de poussee qui est raccourcie, avant la mise en service et pour des raisons de place, a une petite longueur à la maniere d'une chaussette roulée. Fondamentalement, ce principe de l'accordeon ou de la chaussette roulee convient également pour modifier le rapport d'expansion, mais uniquement pour des tuyères ayant des parois flexibles trés minces. Pour des moteurs a grande puissance comportant des canaux de refroidissement dans la paroi de la tuyère, ce principe ne peut pas etre applique, car la paroi et les canaux de refroidissement seraient detruits en cas de forte deformation. Le brevet US-32 29 457 montre d autres possibilites pour modifier le rapport d'expansion. Les figures l, 4 et 5 representent des clapets qui peuvent pivoter radialement et permettent de modifier le diamètre de sortie efficace. De tels clapets presentent neanmoins de nombreux inconvénients. Dans le sens périphérique, ils ne forment pas un contour d'écoulement de l'air cohérent, en raison des Joints et interstices se trouvant entre eux, leur refroidissement est difficile ou tout à fait impossible, ils augmentent le poids du moteur et exigent des mecanismes de réglage et des paliers qui sont compliqués et sensibles aux perturbations. Dans les figures 8 et 11, la tuyere de poussee est constituee d'une partie solidaire a la chambre de combustion et de deux parties mobiles en translation axiale, qui forment la tuyere d'expansion. De ce fait, il existe a linterieur de la tuyere deux aretes de decollement peripheriques qui peuvent etre rendues Inefficaces, du point de vue mecanique des fluides, par la translation vers 'arriere de la partie de tuyere suivante. Or la translation relative axiale des parties est si faible que l'ecoulement de l'air vient sous certaines conditions s'appliquer derriere les aretes de decollement a nouveau a la paroi de tuyere suivante. Du brevet DE-34 27 169 on connaît une tuyere de poussée divisée en deux, dont la tuyere d'expansion forme, a l'état avance raccourci, avec la tuyere de fond un eJecteur augmentant la poussée. La tuyere d'expansion est montee mobile en translation axiale par des douilles de glissement sur des guidages rectilignes. Les guidages rectilignes sont fixes avec une extrémité dans la zone des suspensions du moteur et avec l'autre extrémité à la tuyère de fond. Ainsi la course de translation maximale est prédéterminée essentiellement par la longueur libre des guidages rectilignes. Or dans la pratique, on dispose genéralement autour de la chambre de combustion et de la tuyère de fond de nombreux conduites et ensembles qui ne laissent que peu ou pas de place pour des guidages rectilignes. Cela rend quasiment Impossible des équipements ulterieurs. Des douilles de glissement ou des sabots a circulation de billes exigent des surfaces dures resistant a l'usure, de sorte que les guidages rectilignes sont en general fabriques en metal trempe, ce qui augmente la masse du moteur.Un autre inconvénient reside dans le fait que la course de l'entraînement telescopique doit etre aussi grande que la course de reglage de la tuyère d'expansion. Dans des moteurs de grande taille, cette course de reglage peut depasser 2 m. De ce fait, l'entraînement téléscopique est encombrant, lourd et d'une reponse lente. Dans la realisation comme cylindre hydraulique, cela augmente en plus les besoins en ilqulue hydraulique. Compte tenu des lnconvenients des solutions connues, l'invention a pour but de proposer un mecanisme d'actionnement pour la tuyere de poussee prolongeable d'un moteur-fusee, qui permet de grandes courses et de grandes vitesses de reglage, est robuste et neanmoins d'un faible poids et peut etre adapté facilement a des geometries nouvelles ou existantes de moteurs, ce qui permet d'en equiper ulterieurement des moteurs existants. Ce but est atteint dans le cas d'un mecanisme d'actionnement en ce que la tuyere d'expansion en une ou plusieurs parties est suspendue a au moins trois agencements de bielles repartis sur la peripherie du moteur et synchronises du point de vue entralnement, que chaque agencement de bielles se compose d'une bielle rellee a la chambre de combustion et a la tuyere de fond ainsi que d'une bielle pour chaque partie de la tuyère d'expansion, que les bielles sont reliées de façon pivotante entre elles et aux éléments à relier, qu'à l'intérieur de chaque agencement de bielles les axes de pivotement sont parallé-les les uns aux autres, et que tous les axes de pivotement sont orientés de façon sensiblement perpendiculaire par rapport a l'axe du moteur et de façon à peu pres tangentielle par rapport å la périphérie du moteur. La liaison entre la tuyère d'expansion et le moteur central est donc établie par au moins trois agencements de bielles, répartis sur la periphérie du moteur, qui permettent uniquement un mouvement axial de la tuyère d'expansion sans possibilité de rotation autour de l'axe du moteur. A cet effet, les entraînements des agencements de bielles sont synchronises. Dans le cas dune realisation d'une seule piece de la tuyere d'expansion, chaque agencement de bielles se compose d'une paire de bielles reliees à leurs extrémites. Des réalisations préférées de l'invention visent à atteindre une grande vitesse de réglage, des unités d'entraînement petites et légers, une construction de bielle extremement légère et la compensation d'imprécisions de fabrication et de montage. A chaque agencement de bielles peut etre associée une unité d'entraînement translatoire separee, de manière qu un mouvement translatoire determine de l'unite d'entraînement provoque un deplacement axial sensiblement plus grand de la tuyere d'expansion, et les unités d'entrainement peuvent etre raccordees a la même alimentation en energie et a la même commande. De preference, les unites d'entraînement sont realisees comme verins hydrauliques, comme verins pneumatiques ou comme systemes d'entrainement a vis. Les bielles peuvent etre fabriquees comme eléments légers rigides en flexion et en torsion, en technique composite avec renfort par fibres. Chaque agencement de bielles peut comporter au moins un elément de compensation élastique pour compenser des defauts de fabrication ou de montage. L'invention est expliquee de façon plus détaillée ci-après å l'aide des exemples de réalisation illustres de manière schématique par le dessin, sur lequel la figure l représente un mécanisme d'actionnement pour une tuyère d'expansion d'une seule piece, la figure 2 représente un mécanisme d'actionnement pour une tuyère d'expansion en plusieurs parties, les figures 3 et 4 représentent chacune une variante du mecanisme d'actionnement selon la figure 1, la figure 5 représente la zone de liaison entre la tuyère de fond et la tuyere d'expansion, et les figures 6 et 7 representent chacune un mode de realisation d'un agencement de bielles pour une tuyere d'expansion d'une seule piece. Sur le bord gauche de la figure 1 est indique le fond de la fusee 6, auquel est suspendu le moteur-fusee. La suspension est representee comme articulation à rotule, car meme des moteurs-fusees d'une grande taille sont souvent disposes de façon pivotante dans toutes les directions pour des corrections de traJectoire, la plage de pivotement ne correspondant néanmoins qu'a quelques degres d'angle. En position neutre, I'axe T du moteur et l'axe de la fusee sont identiques. Le moteur central se compose de la chambre de combustion 7 et de la tuyere de fond 8 reliee de façon fixe å cette chambre.Pour une poussee plus importante en presence d'une faible pression ambiante, il est prevu une tuyere d'expansion 9 mobile en translation axiale, qui forme en position rentre (illustration au-dessus de l'axe T du moteur) un eJecteur avec la tuyere de fond et agit en position deployee (illustration au-dessous de l'axe T du moteur) comme prolongement gazodynamique de la tuyere de fond 8 et augmente ainsi le rapport d'expansion.Le guidage cinetique de la tuyere d'expansion 9 se compose d'au moins trois agencements de bielles ae preterence régulièrement repartis autour du moteur, dont chacun se compose d'une bielle 2, reliee a la chambre de combustion 7, et d'une bielle 3 reliee à la tuyere d'expansion 9. Sur chaque paire de bielles 2, 3 est. disposee une unite d'entrainement 5 qui est réalisée de préference comme cylindre hydraulique ou pneumatique. Bien entendu il est possible d'utiliser d'autres entrainements translatoires, tels que des systèmes d'entralnement a vis à billes avec une alimentation en énergie électrique. Dans la figure 1, le cylindre de l'unité d'entralnement 5 est relié à la bielle 3 coté tuyère et ia tige de piston est reliée å la bielle 2 coté chambre de combustion. Les points d'articulation sont choisis de telle façon que la translation axiale v de la tuyère d'expansion 9 soit sensiblement supérieure a la course de travail dés unités d'entraînement 5. Cela permet d'utiliser, avec une pression hydraulique ou pneumatique élevee correspondante, des unites d'entraînement 5 petites, légères et a reponse rapide, a faible consommation de fluide. La totalité des bielles 2, 3 ainsi que des unités d'entraînement 5, y compris les éléments de liaison a des composants voisins, forme le mécanisme d'actionnement 1. Le moteur central de la fusée 16 dans la figure 2 se compose de la chambre de combustion 17 et de la tuyère de fond 18 et est donc quasiment identique à celui de la figure 1. La différence essentielle par rapport a la figure 1 reside dans le fait que la tuyère d'expansion 19 est divisee en deux. A l'état rentre, elle entoure la tuyere de fond 18 sous forme de deux anneaux concentriques et a l état déploye, chacun des anneaux prolonge la tuyere de fond d'une certaine longueur. Il serait possible de deployer les parties de la tuyère d'expansion 19 l'une apres l autre a differentes altitudes de vol, mais cela exigerait un mécanisme d'actionnement relativement complique. Le mecanisme d'actionnement 11 selon la figure 2 ne convient que pour le déploiement simultané des parties de la tuyere d'expansion. A cet effet, les bielles 12 sont reliées à la chambre de combustion 17. Sur chaque bielle 12 sont articulées deux bielles 13 et 14 qui établissent la liaison avec chaque partie de la tuyere d'expansion 19. Les rapports de leviers sont choisis tels que l'anneau plus grand de la tuyère d'expansion subit une translation axiale plus grande. La division en deux permet de loger la tuyere d'expansion 19 de manière encore moins encombrante à l'état rentre, ce qui présente de l'intérêt notamnent pour des fusées militaires installées dans des silos ou des sous-marins. Pour plus de clarté, les unités d'entraînement ont été omises dans la figure 2. La figure 3 montre un mecanisme d'actionnement 21 pour une tuyère d'expansion 29 qui est réalisée d'une seule pièce et suspendue a des paires de bielles 22, 23. Le moteur central, compose de la chambre de combustion 27 et de la tuyère de fond 28, de la fusée 26 porte dans ce cas également les cylindres des unités d'entraînement 25, dont les tiges de piston sont reliees aux bielles 22. Le mecanisme d'actionnement 31 de la fusee 36 selon la figure 4 se distingue de celui de la figure 3 par le fait que les unites d entrainement 35 sont disposées entre la fusée 36 et les bielles 32 fixees sur la chambre de combustion 37. Les bielles 33 reliees à la tuyere d'expansion 39 transmettent, comme dans la figure 3, uniquement des forces de traction et de poussee et sont donc plus faciles å realiser que des bielles sollicitées en flexion. La tuyère de fond est Ici désignée par 38. Naturellement il existe d'autres possibilités d'agencement pour les unites d'entraînement que ceux montres dans les figures 1, 3 et 4, et les points d'articulation ,des bielles venant en contact avec le moteur central peuvent se trouver partout entre la suspension du moteur et l'extrémité de la tuyère de fond. I1 est egalement possible de coupler (synchroniser) les bielles, articulées sur le moteur central, par des engrenages et des arbres et de ne prevoir qu'une seule unité d entrainement. Neanmoins, toutes les variantes partent du principe qu'avec des courses relativement petites des unites d"entrainement, une translation axiale relativement grande de la tuyère d'expansion est obtenue. La figuré 5 montre la liaison mecanique de la tuyere d'expansion 49 avec la tuyère de fond 48 à l'état complètement deploye. Il est visible que les contours d'ecoulement de l'air des deux tuyeres se raccordent sensiblement de façon continue pour éviter un décollement de l'écoulement de l'air. Par souci de simplicité, la représentation ne tient pas compte du fait que les tuyères possedent en, général des parois creuses pour le refroidissement. La tuyère d'expansion 49 est guidée en position efficace sur la tuyère de fond, aussi bien dans le sens radial que dans le sens axial. A cet effet, il existe sur les deux tuyères aussi bien des plans de centrage cylindriques radiaux que des butées axiales.Entre les butees se trouve un élément d'étanchéité 51, resistant aux gaz chauds et relié de façon solidaire a la tuyère d'expansion 49, qui possédé un corps rigide servant dé butee et une levre flexible servant a l'étanchéité. Dans la zone de liaison des tuyères 48 et 49, les bielles 43 exercent une force d'appui qui doit etre supérieure à la poussée axiale agissant sur la tuyere d'expansion 49. Le mécanisme d'actionnement fonctionnant suivant le principe du levier å genouillère, la sollicitation des unités d'entraînement reste relativement petite.Pour compenser des imprécisions de montage et de fabrication et pour amortir le choc de butee, les bielles 43 sont pourvues d'éléments de compensation 50 élastiques, pour lesquels conviennent par exemple des rondelles-ressorts. Compte tenu des mouvements relatifs qui se manifestent, les bielles 43 sont realisees à la maniere gunites plston/'cyl indure. Les figures 6 et 7 montrent enfin des paires de bielles qui garantissent un guidage axial precis de la tuyere d'expansion, a condition d avoir un entraînement synchrone. Comme mentionne, il faut prevoir au moins trois de ces paires de bielles sur la périphérie de la tuyère. Pour plus de clarte, l'articulation des unites d'entraînement n;est pas représentée. La figure 6 montre la combinaison d'une bielle tetragone 53 avec une bielle triangulaire 52, tous les axes de pivotement X, Y, Z etant paralleles les uns par rapport aux autres. La large base d'articulation avec l axe Z peut etre tournee aussi bien vers la tuyere d'expansion que vers le moteur central. La figure 7 montre deux bielles triangulaires 62 et 63 qui sont reliées a leurs pointes. Les larges bases d'articulation sont tournees vers les éléments a relier. Lors de l'utilisation d'autres combinaisons de bielles possibles il faut toujours veiller a éviter dans la mesure du possible une rotation relative des tuyères de fond et d'expansion autour de l'axe du moteur. En tenant compte des sollicitations qui apparaissent, il faut réaliser les bielles aussi legeres que possible, ce qui est obtenu le mieux avec des structures composites avec renfort par fibres, a ame alvéolaire ou en mousse. Seules les articulations sont en metal pour des raisons de solidite et d'usure. Revendications l. Mécanisme d'actionnement pour la tuyere de poussee prolongeable d'un moteur-fusee, qui se compose d'une tuyere de fond reliee de maniere fixe à la chambre de combustion et d'une tuyère d'expansion en une ou plusieurs parties et mobile dans le sens axial, la tuyere d'expansion etant montee en aval de la tuyere de fond comme prolongement fluidique en cas de falble pression ambiante (vol en haute altitude, vide), caractérisé en ce que la tuyère d'expansion (9, 19, 29, 39, 49) en une ou plusieurs parties est suspendue a au moins trois agencements de bielles repartis sur la peripherie du moteur et synchronisés du point de vue entraînement, que chaque agencement de bielles se compose d'une bielle (2, 12, 22, 32, 52, 62) reliée a la chambre de combustioon (7, 17, 27, 37) et à la tuyere de fond (8, 18, 28, 38, 48) ainsi que d'une bielle (3, 13, 14, 23, 33, 43, 53, 63) pour chaque partie de la tuyère d'expansion (9, 19, 29, 39, 49), que les bielles sont reliees de façon pivotante entre elles et aux elements à relier, qu"à l intérieur de chaque agencement de bielles les axes de pivotement (X, Y, Z) sont paralleles les uns aux autres, et que tous les axes de pivotement (X, Y, Z) sont orientés de façon sensiblement perpendiculaire par rapport a "axe du moteur et de façon a peu pres tangentielle par rapport à la peripherie du moteur. 2. Mécanisme d'actionnement selon la revendication l, caractérise en ce qu'a chaque agencement de bielles est associe une unité d'entraînement (5, 25, 35) translatoire séparée, de manière qu'un mouvement translatoire déterminé de l'unité d'entralnement (5, 25, 35) provoque un déplacement axial (v) sensiblement plus grand de la tuyère d'expansion (9, 19, 29, 39, 49) et que les unités d'entraînement (5, 25, 35) sont raccordées à la même alimentation en energie et à la meme commandé. 3. Mécanisme d'actionnement selon la revendication 2, caractérise en ce que les unités d'entrainement (5, 25, 35) sont realisees comme verins hydrauliques, comme verins pneumatiques ou comme systemes d'entraînement a vis. 4. Mécanisme d'actionnement selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que les bielles (2, 3, 12, 13, 14, 22, 23, 32, 33, 43, 52, 53, 62, 63) sont fabriquees comme éléments légers rigides en flexion et en torsion, en technique composite avec renfort par fibres. 5. Mécanisme d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 1 å 4, caractérise en ce que chaque agencement de bielles comporte au moins un élément de compensation (50) élastique pour compenser des defauts de fabrication ou de montage.