Brevet FR2631387A1 — publié le 19891117

Propulseur sans tuyère de faible allongement L'invention concerne un propulseur d'accélération d'un engin auto- propulsé tel qu'un missile ou une roquette, chargé avec un bloc de propergol comportant plusieurs canaux. L'utilisation de propulseur sans tuyère à canal unique est connue notamment pour l'accélération des statoréacteurs à accélérateur intégré tels que ceux décrits dans le brevet US 3,535,881. Il s'a- git de propulseurs ayant un allongement inférieur à 6. On entend par allongement d'un cylindre le rapport L/D de sa longueur à son diamètre. Les vitesses de combustion des blocs de propergols composites sont trop faibles pour qu'une section sonique s'établisse dans un canal d'allongement inférieur à 6. L'allongement du canal étant lié à l'allongement du bloc, il est alors difficile d'utiliser des blocs de propergol ayant un allongement inférieur à 6. Or, pour cer- taines applications, des contraintes d'encombrement empêchent d'u- tiliser des blocs d'allongement supérieur à 6. Par exemple la chambre de combustion d'un statoréacteur à kérosène de 350 mm de diamètre ne nécessite qu'une longueur de 800 m. Son allongement est donc de l'ordre de 2,3 seulement. Mais par ail- leurs elle offre un volume suffisant pour y loger le propergol né- cessaire pour accélérer l'engin ainsi motorisé jusqu'à la vitesse, dite de transition, à laquelle le statoréacteur doit prendre le relais de l'accélérateur. Il est donc hors de question de l'al- longer. Dans l'état actuel de la technique on n'y intégrera pas un accélé- rateur sans tuyère mais un accélérateur classique muni d'une tu- yère éjectable logée dans la tuyère du statoréacteur car de sec- tion beaucoup plus faible que celle-ci pour des raisons de pres- sions de fonctionnement, et larguée lors de l'extinction de l'ac- célérateur ce qui peut présenter un danger notamment lorsque l'en- gin est tiré d'avion. Le propulseur d'accélération selon l'invention est muni d'un bloc de propergol comportant un canal axial et solidarisé au corps du propulseur au moyen d un inhibiteur de combustion, caractérisé en ce que d'une part le bloc de propergol présente un allongement compris entre 2,5 et 6, ce bloc comportant au moins 6 canaux péri- phériques identiques et en ce que d'autre part la face amont du bloc de propergol comporte une armature solidarisée au corps du propulseur, cette armature ménageant un espace libre entre la face amont du bloc de propergol et le fond du corps du propulseur, le canal axial et les canaux périphériques débouchant dans cet espace libre par des orifices ménagés dans l'armature et se terminant 1 'extrémit. opposée (extrémité aval) par une partie divergente. Le propulseur d'accélération selon l'invention fonctionne sans tu- yère bien que muni d'un bloc de propergol d'allongement compris entre 2,5 et 6. Chacun des canaux pris individuellement présente un allongement suffisant pour que la vitesse des gaz atteigne la vitesse du son dans une section proche de l'extrémité aval du canal et possède, en aval de cette section, une partie divergente permettant de dé- tendre les gaz avec un rendement acceptable. Ces canaux débouchent dans la face arrière du bloc de façon telle que la résultante des Z631387 vecteurs poussée soit portée par l'axe de l'engin qu'il s'agit d'accélérer. Par le fait que tous les canaux débouchent dans l'espace libre mé- nagé en amont du bloc, cet espace joue le rôle d'une chambre d'é- quilibrage des pressions, et l'évolution de la pression en fonc- tion du temps dans chaque canal est telle qu'il y a sensiblement égalité des pressions à chaque instant. Afin de minimiser les ré- siduels de combustion, les canaux périphériques sont disposés sur un ou deux cercles concentriques et sont respectivement au nombre de 6 ou 12. Selon un aspect préférentiel de l'invention le bloc comporte sept canaux, 1 canal axial et 6 canaux périphériques. Selon un autre aspect préférentiel, les 6 canaux périphériques sont parallèles au danal axial. De plus les canaux périphériques d'un tel chargement sont à une distance de la surface externe du bloc de propergol correspondant à la moitié de l'épaisseur qui sépare les canaux entre eux. Le canal central peut avoir une section circulaire ou hexagonale. Les canaux-périphériques situés sur le ou les cercles concen- triques, peuvent avoir une section adaptée d'une part à la nature du propergol utilisé afin de limiter les interactions entre les différents canaux au moment de la combustion et d'autre part à l'importance potentielle des résiduels de combustion. Ces canaux pourront donc avoir commrne section droite soit: un cercle, un hexagone régulier, un pentagone ou un trapèze sachant que la grande base du trapèze peut être curviligne ou bien droite. Avan- tageusement, les canaux périphériques présentent une section sen- siblement en forme de trapèze isocèle. L'intérêt de la forme tra- pézoXdale est de réduire au minimum les résiduels de combustion et de maintenir le plus longtemps possible une combustion et un débit gazeux efficaces. La différence de pression P existant entre les deux faces d'ex- trémité du bloc de propergol est augmentée du fait de l'allonge- ment important des canaux. Or, le bloc de propergol ainsi perforé est plus fragile qu'un bloc à canal unique et a fortiori qu'un bloc à combustion frontale. Il est bien connu de l'homme de métier de solidariser latéralement le bloc de propergol au corps du propulseur au moyen d'un inhibi- teur de combustion. Dans le cas de bloc de propergol multiperforé, il a été constaté que cette fixation est insuffisante. Le bloc de propergol du propulseur selon l'invention comporte sur sa face amont une armature solidarisée au corps du propulseur, cette armature ménageant un espace libre entre la face amont du bloc de propergol et le fond du corps du propulseur, le canal axial et les canaux périphériques débouchant dans cet espace libre par des orifices ménagés dans l'armature.- Selon un aspect préférentiel de l'invention, ladite armature est constituée par une plaque perforée dont les orifices, au même nom- bre que les canaux du bloc de propergol, sont en regard avec les canaux périphériques et le canal axial, et est fixée à la face amont du bloc de propergol, à l'aide de 1'inhibiteur de combus- tion. L'espace libre ainsi ménagé entre l'armature fixée sur la face amont du bloc de propergol et le fond du propulseur constitue une chambre d'équilibrage de la pression interne qui réduit les diffé- rences de pression susceptibles de se produire en cours de combus- tion. Cette précaution se justifie car si l'épaisseur de propergol qui sépare deux canaux, de plus en plus mince au fur et à mesure que la combustion progresse, était soumise à une différence de pression, cette différence provoquerait en fin de combustion la rupture prématurée du propergol non encore brlé avec risque d'é- jection de fragments de propergol et provoquerait une irrégularité 26 3 1387 de la fin de combustion et de ce fait une perte importante de ren- dement. Cette chambre d'équilibrage de pression,située en extrnémi- té amont du propergol d'accélération, peut être située à l'aval du générateur de gaz d'un statoréacteur. L'armature amont du propergol a des orifices qui permettent aux -gaz de combustion, c'est-à-dire à la pression, de se répartir en- tre les canaux par l'intermédiaire de la chambre d'équilibrage. Ces orifices peuvent avoir l'exacte forme initiale des canaux du propergol ou une forme totalement différente. Par exemple, les ca- naux peuvent être de section trapézoïdale et les orifices de l'ar- mature peuvent être cylindriques ou tronconiques. L'intérêt des orifices cylindriques ou tronconiques est de pouvoir réutiliser cette armature pour la seconde phase de propulsion, dans le cadre d'une configuration statoréacteur, de façon à répar- tir les jets de gaz combustibles; l'armature est alors utilisée comme un diffuseur-injecteur. L'armature est fixée sur le corps du propulseur et comporte un inhibage, en particulier par retour de l'inhibiteur fixant le pro- pergol, sur la virole du propulseur. L'inhibiteur servant à proté- ger cette armature peut être disposé sur l'une ou l'autre face de celleci mais sera préférentiellement disposé sur la face arrière de l'armature, c'est-à-dire entre le bloc de propergol et l'arma- ture elle-même de façon à éviter son trop grand échauffement. Selon un aspect préférentiel, le propulseur selon l'invention constitue l'étage d'accélération d'un statoréacteur. Dans ce cas, l'extrémité aval du bloc de propergol est située dans la zone de la tuyère du statoréacteur et préférentiellement au niveau du di- vergent de cette tuyère, une telle configuration permettant de loger davantage de propergol dans le corps du propulseur. Chaque canal est terminé par une partie divergente de façon à amé- 2631 38? liorer la détente des gaz et dans le cas du bloc d'accélération d'un statoréacteur, cette partie évasée est positionnée au niveau de la tuyère du statoréacteur. La combustion du propergol se fait en couches parallèles et en fin de combustion il reste des imbrûlés appelés résiduels de combus- tion, sur la périphérie de l'inhibiteur interne solidaire de la structure du propulseur; les résiduels centraux sont éjectés. Selon une première variante, la présence de ces résiduels, peut être éliminée partiellement en utilisant un matériau inhibiteur de combustion qui pénètre à l'intérieur de la surface cylindrique ex- térieure du bloc de propergol dans au moins deux zones situées au niveau de ces résiduels, formant'ainsi des nervures longitudinales qui présentent l'avantage de réduire les risques d'apparition d'instabilités de combustion durant le fonctionnement du statoré- acteur. Selon une autre variante ces résiduels sont totalement et rapide- ment éliminés en utilisant un bloc bicomposition, le propergol à vitesse de combustion plus rapide étant disposé dans les zones si- tuées au niveau des résiduels externes de combustion. Selon un aspect préférentiel de l'invention, le propergol utilisé est un propergol composite à liant polybutadiène hydroxytéléché- lique et comporte jusqu'à 5 % en masse de catalyseurs ferrocé- niques. L'invention est ci-après exemplifiée en référence aux figures 1, 2 et 3. La figure 1 représente un propulseur selon l'invention utilisé comme accélérateur intégré d'un statoréacteur. La figure 2 représente une coupe transversale AA' du propulseur d'accélération selon la figure 1. La figure 3 représente les courbes théoriques de pression existant dans les canaux périphériques et dans le canal central du bloc de propergol du propulseur d'accélération en fonction du temps de combustion. La figure 4 représente la courbe de pression en fonction du temps de combustion. La figure 5 représente la courbe de poussée en fonction du temps de combustion. En se référant à la figure 1, un statoréacteur à accélérateur in- tégré est constitué d'un propulseur d'accélération (1) selon l'in- vention et d'un générateur de gaz (2). La chambre de combustion du générateur de gaz est appelée chambre primaire (3).La chambre de combustion du propulseur d'accélération initialement occupée par un bloc de propergol est appelée chambre secondaire (4). Le corps (5) du propulseur d'accélération (1) est muni en son ex- trémité amont d'orifices d'entrée d'air (6) fermés par des oper- cules (7) pendant la phase d!accélération et en son extrémité aval d'une tuyère (8) de large section destinée à détendre le gaz de combustion du statoréacteur fermée initialement par un oper- cule (9). La chambre secondaire du statoréacteur est équipée d'un bloc de propergol d'accélération à liant PBHT multiperforé (10) par un canal central (11) et 6 canaux périphériques (12) longitudinaux. Ce bloc (10) présente un diamètre de 191 mm pour une longueur de 500 mm, soit un allongement de 2,61. 263138 7 Ce bloc de propergol multiperforé (10) est solidarisé latéralement au corps du propulseur (5) au moyen d'un inhibiteur de combus- tion (13). La face amont de ce bloc comporte une plaque (14) per- forée d'orifices tronconiques (15), au même nombre et en regard avec les canaux périphériques (12) et central (11) du bloc de pro- pergol (10) auquel elle est fixée grâce à un inhibiteur de combus- tion. La face aval du bloc de propergol (10) se situe au niveau du di- vergent de la tuyère (8) et les canaux périphériques (12) et cen- tral (11) se terminent par une partie divergente (16). Le générateur de gaz est équipé d'un bloc de propergol sous- oxygéné générateur de gaz réducteurs (18) muni d'un canal cen- tral (19) et solidarisé à la chambre primaire (3). Le bloc de propergol sous-oxygéné n'occupe pas tout l'espace de la chambre primaire de combustion: un espace libre (20) est ménagé entre la plaque perforée (14) et l'extrémité aval du bloc (18) pour former'une chambre d'équilibrage des pressions. Un allumeur (21) est disposé à l'extrémité amont du canal central du bloc de propergol sous-oxygéné (18). Il est à noter que l'allumeur (21) aurait pu également être placé au niveau de l'espace libre (20). Selon la figure 2, le bloc de propergol multiperforé (10) est so- lidarisé latéralement au corps (5) du propulseur d'accéléra- tion (1) au moyen d'un-matériau inhibiteur de combustion (13). Ce bloc est perforé d'un canal central (11) hexagonal ayant une hau- teur de 42 mm et de 6 canaux périphériques (12) disposés sur un cercle concentrique au canal central (11). Les 6 canaux périphériques (12) présentent une section sensible- ment en forme de trapèze isocèle possédant également une hauteur de 42 mm et sont disposés de façon à ce que leurs flancs soient parallèles deux à deux. Le matériau inhibiteur de combustion (13) pénètre à l'intérieur de la surface cylindrique extérieure du bloc de propergol (10) dans trois zones situées au niveau des résiduels de combustion (22) présentant ainsi trois nervures longitudinales (23) parallèles aux canaux. Lors, du lancement de l'engin équipé d'un tel statoréacteur à ac- célérateur intégré, les gaz de combustion de l'allumeur (21) tra- versent le canal central (19) du bloc générateur de gaz (18) et pénètrent à travers les orifices de la plaque (14) dans les canaux du bloc multiperforé (10) de l'accélérateur qu'ils enflamment. La pression dans tout le volume non occupé par du propergol (canaux du bloc accélérateur, chambre d'équilibrage, canal du bloc généra- teur de gaz) s'élève rapidement et provoque l'éjection de l'oper- cule (9) ce qui libère l'éjection des gaz de combustion de l'accé- lérateur et provoque l'accélération de l'engin. Puisque les gaz de combustion de l'allumeur (21) traversent le ca- nal central du bloc générateur de gaz (18), ils en initient égale- ment la pyrolyse. Les gaz de pyrolyse produits pendant la durée de combustion de l'accélérateur sont éjectés avec les gaz de combus- tion de ce dernier et sont perdus pour le fonctionnement ultérieur en statoréacteur, mais ils contribuent légèrement à l'accélération de l'engin. Le bloc de propergol multiperforé (10) brûle en 1,8 s environ, et l'éjection des gaz de combustion accélère l'engin jusqu'à une vi- tesse suffisante pour que le statoréacteur vienne prendre le relai de l'accélérateur. La combustion s'effectue en couches parallèles. Comme on peut le voir sur la figure 3 la courbe de la pression en fonction du tempe est dégressive et la pression existant dans les canaux périphé- riques (12) est senbiblement égale à celle existant au niveau du canal central (11), ce qui diminue les risques de rupture prématu- rée du bloc. De plus, la présence des nervures (23) au niveau des résiduels de combustion permet un arrêt net de la combustion. Une fois la combustion du bloc de propergol multiperforé (10) ter- minée la pression dans la chambre de combustion diminue ce qui provoque l'éjection des opercules (7) à travers la chambre secon- daire de combustion (4) l'entrée massive d'air par les ori- fices (6). Les gaz de pyrolyse du générateur s'enflamment spontanément avec l'air dans les conditions de pression et de température dans les- quelles celui-ci se trouvent. Le mélange d'air et de gaz de pyro- lyse en combustion voit sa température s'accroître considérable- ment et est éjecté à travers la tuyère à large section (8); le fonctionnement en statoréacteur est ainsi amorc6. Les figures 4 et 5, représentant les courbes de tir au banc d'un chargement accélérateur multiperforé, montrent que l'allumage du chargement s'effectue au bout de 20 ms et que la combustion dure 1,8 s. A ce temps on observe un pic de pression sur les courbes dû à l'éjection des résiduels centraux. Les allures des courbes de pression et de poussée sont comparables à celles des chargements sans tuyère connus à canal unique à sa- voir une courbe de pression dégressive et une courbe de poussée légèrement croissante. Revendications 1. Propulseur d'accélération comprenant un bloc de propergol (10) solidarisé latéralement au corps du propulseur au moyen d'un inhi- biteur de combustion et comportant un canal axial (11) caractérisé en ce que d'une part, le bloc de propergol présente un allongement compris entre 2,5 et 6, ce bloc comportant au moins 6 canaux péri- phériques identiques (12) et en ce que d'autre part la face amont du bloc de propergol comporte une armature solidarisée au corps du propulseur, cette armature ménageant un espace libre (20) entre la face amont du bloc de propergol et le fond du corps du propulseur, le canal axial et les canaux périphériques débouchant dans cet es- pace libre par des orifices ménagés dans l'armature et se termi- nant à l'extrémité opposée par une partie divergente (16). 2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de propergol (10) comporte uniquement 6 canaux périphé- riques (12). 3. Propulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les six canaux périphériques (12) sont parallèles au canal axial (11). 4. Propulseur selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les canaux périphériques (12) présentent une section sensible- ment-en forme de trapèze isocèle. 5. Propulseur selon l'une des revendications précédentes caracté- risé en ce qu'il constitue l'étage d'accélération d'un statQréac- teur à accélérateur intégré. 6. Propulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité aval du bloc de propergol (10) est située au niveau du divergent de la tuyère (8) du statoréacteur. 7. Propulseur selon l'une des revendications précédentes caracté- risé en ce que le propergol multiperforé constituant le bloc (10) comporte un catalyseur ferrocénique. 8. Propulseur selon l'une des revendications précédentes caracté- risé en ce que ladite armature est constituée par une plaque per- forée (14) dont les orifices (15) sont en regard avec lesdits ca- naux périphériques (12) et le canal axial (11). 9. Propulseur selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladi- te plaque perforée (14) est fixée à la face amont du bloc de pro- pergol à l'aide de 1'inhibiteur de combustion. 10. Propulseur selon les revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un allumeur disposé au moins en partie au niveau de l'espace libre (20). 11. Propulseur selon les revendications 5, 8 ou 9 caractérisé en ce que les orifices (15) de la plaque (14) de fixation constituent les orifices d'injection des gaz réducteurs du chargement amont du propulseur. 12. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau inhibiteur de combustion (13) pénètre à l'intérieur de la surface cylindrique extérieure du bloc de propergol dans au moins deux zones situées au niveau des résiduels externes de combus- tion (22). 13. Propulseur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le bloc de propergol (10) est bicomposition, le proper- gol à vitesse de combustion plus rapide étant disposé dans les zones situées au niveau des résiduels externes de combustion (22). 14. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de propergol (10) est un propergol composite à liant PBHT.