Brevet FR2650341A1 — publié le 19910201

Générateur de gaz pour stato-fusées. La présente invention concerne un générateur de gaz pour stato-fusées à débit de combustible variable, dans lequel la combustion d'une charge propulsive solide pauvre en oxygène libère du combustible pour la chambre de combustion du statoréacteur, la charge propulsive étant allumée au début du fonctionnement du statoréacteur sur une surface de combustion et brlant progressivement à partir de ladite surface. Un statoréacteur comportant un tel générateur de gaz est par exemple décrit dans la demande de brevet DE 05 864, le générateur de gaz étant désigné dans ce document par chambre de précombustion et la chambre de combustion de statoréacteur par chambre de postcombustion. Dans des engins volants dont les propulseurs sont réalisés sous forme de stato-fusées, il est souvent indispensable de pouvoir modifier la poussée et partant, la vitesse, pendant une mission de vol. Une longue phase de vol de croisière à vitesse modérée et avec une consommation de combustible minimale est par exemple suivie d'une phase d'attaque ou de manoeuvre accompagnée d'une forte accélération et d'une vitesse de vol importante. -2- Dans le cas d'une géométrie de tuyère et d'admission fixe prédéterminée, une modification de poussée n'est possible que par une modification du débit de combustible. Le combustible utilisé dans la chambre de combustion de statoréacteur est libéré par la combustion d'une charge propulsive pauvre en oxygène dans le générateur de gaz et transporté sous forme de gaz chauds (souvent) chargés de particules dans la chambre de statoréacteur par au moins un tube d'acheminement de gaz. On utilise de manière plus appropriée une charge propulsive composée d'un propergol (combustible, oxydant, liant) dont la vitesse de combustion dépend de-la pression, si bien que la section transversale de sortie du générateur de gaz et partant, finalement le débit de combustible, peuvent être réglés à l'aide d'un clapet. Une modification de la section transversale de sortie influence la pression du générateur de gaz qui influence elle-même la vitesse de combustion du propregol à laquelle le débit de combustible est directement proportionnel pour une surface de combustion constante. Dans la demande de brevet DE 30 05 864, le clapet de réglage prévu est par exemple constitué par un tiroir - rotatif qui modifie simultanément les sections transversales d'entrée de l'ensemble des quatres tubes d'acheminement de gaz. Une libération maximale des sections transversales est synonyme d'une pression minimale de générateur de gaz, c'est-à-dire d'un débit de cpmbustible minimal. A l'inverse, une large fermeture des sections transversales entraîne un grand débit de combustible du fait de la forte pression de générateur de gaz.- Le débit de combustible m est obtenu par l'équation: - 3- m - ATZ p. r o ATZ - surface de combustion de la charge propulsive pour une charge à combustion frontale approximativement constante p - densité de propergol r - vitesse de combustion dépendante de la pression. La dépendance de la vitesse de combustion par rapport à la pression peut être exprimée comme suit: r4 pn p - pression n - exposant de pression. L'exposant de pression n est lui-même dépendant de la pression dans de nombreux propergols. En particulier dans les propergols composites riches en combustible et d'énergie élevée, l'exposant de pression a souvent une valeur relativement élevée (> 0,5) dans une plage de pression basse ( rapport à la pression augmente. Comme il a été dit, les missions d'engins volants comportent des phases qui s'accompagnent d'un très grand débit de combustible et des phases caractérisées par un débit de combustible volontairement très faible. De ce fait, il est nécessaire d'utiliser une plage de pression maximale -4pour le réglage du générateur de gaz, ce qui est lié aux problèmes et inconvénients suivants: Pression de générateur de gaz élevée: - Forte tendance à la formation de résidus dans le générateur de gaz, - forte tendance à la formation de dépôts sur des organes de réglage du fait de petites ouvertures d'échappemement défavorables à l'écoulement, problèmes pour la postcombustion du fait d'une évacuation défectueuse des composantes d'énergie élevée du propergol et des produits de pyrolise défavorables du liant de la charge propulsive, - poids important de la structure du générateur- de gaz du fait de grandes exigences de solidité, - propriétés de réglage défavorables du propergol du fait du faible exposant de pression (n). Pression de générateur de gaz faible: - propriétés de combustion souvent problématiques en fonction de la formulation du propergol, - tendance à la formation de dépôts sur des organes de réglage du fait de basses températures. En ce qui concerne la pression minimale du générateur de gaz, il convient de signaler qu'elle doit toujours être supérieure à-la pression minimale de la chambre de statoréacteur, à savoir d'une valeur correspondant au moins à la hauteur des pertes de pression entre les deux chambres. En résumé, il convient de dire que le réglage du débit de combustible par la pression du générateur de gaz, c'est-à-dire par la vitesse de combustion, n'est possible de manière appropriée que dans une gamme -5 relativement limitée et présente des inconvénients considérables aussi bien dans la plage limite supérieure (haute pression)' que dans la plage limite inférieure (basse pression). L'invention a pour objet de créer un générateur de gaz pour des statofusées qui, en éliminant les inconvénients mentionnés, permette d'obtenir une plage de réglage totale nettement plus importante en présentant une bonne capacité de réglage et une faible consommation de propergol pendant la phase de vol de croisiere. Cet objectif est atteint soit en ce que le générateur de gaz comprend une charge propuisive principale et au moins une petite charge propulsive supplémentaire qui est allumée plus tard que la charge propulsive principale et qui est protégée au moins jusqu'à son allumage des gaz chauds de la charge propulsive principale en combustion, par une couche isolante et/ou une paroi de séparation (cloison, bouchon, tube d'acheminement de gaz) soit en ce que la charge propulsive comporte au moins une surface de combustion supplémentaire qui peut être allumée plus tard et qui est protégée au moins jusqu'à son allumage des gaz chauds de la charge propulsive en combustion, par une couche isolante et/ou une paroi de séparation (cloison, bouchon). Selon l'invention, le débit maximum de combustible gui n'est nécessaire que pendant une période relativement courte (par exemple surface de combustion supplémentaire. Conformément à la première solution de l'invention, il est prévu pour compléter la charge propulsive principale, au moins une petite charge propulsive supplémentaire qui est protégée jusqu'à son allumage.. ou au-delà, des gaz chauds de la charge propulsive principale en combustion. Conformément. la seconde solution de l'invention, il n'existe qu'une seule charge propulsive qui comporte au moins une surface de combustion supplémentaire qui est allumée plus tard. Bien entendu, cette surface doit également être protégée des gaz chauds au moins jusqu'à son allumage. Les deux solutions présentent les mêmes avantages: - la formulation du propergol de la charge propulsive principale ou de la charge propulsive unique peut être choisie de telle manière qu'une vitesse de combustion (consommation) particulièrement faible soit possible dans la zone de vol de croisière inférieure et que la capacité de réglage (fort exposant de pression n) puisse être améliorée dans tout la plage de vitesse pour le vol de croisière, - la plage totale de réglage (avec surface de combustion supplémentaire) peut être augmentée de manière notable, - les inconvénients des pressions de générateur de gaz extrêmement élevées et faibles (mauvaise combustion, dépôts, poids de structure important, etc.) peuvent être éliminés, - des cloisons éventuellement nécessaires (pour division en chambres ou protection) peuvent absorber avantageusement des forces d'aile devant être introduites dans la structure. La perte de volume due aux cloisons etc., pour une taille de générateur constante est compensée par ce dernier avantage et les avantages précédents. -7- Selon des configurations avantageuses du générateur de gaz: - il présente une chambre dans laquelle les gaz chauds riches en combustible de la surface de combustion allumée au début du fonctionnement du statoréacteur et de la surface de combustion supplémentaire allumée plus tard sont réunis et en ce qu'il est prévu au moins un organe de réglage (clapets de réglage) pour modifier la section transversale d'écoulement de la sortie de gaz chaud (tubes d'acheminement de gaz), - il présente des canaux d'écoulement séparés (tubes d'acheminement de gaz) pour les gaz chauds de la surface de combustion allumée au début du fonctionnement du statoréacteur et pour les gaz chauds de la surface de combustion supplémentaire allumée plus tard et en ce qu'il existe au moins un organe de réglage (clapet de réglage) pour les gaz chauds de la surface de combustion allumée en premier ou en ce qu'il existe au moins un organe de réglage respectivement pour les gaz chauds de la surface de combustion allumée en premier et pour les gaz chauds de la surface de combustion supplémentaire, - la couche ou la paroi (cloisons) protégeant la surface de combustion supplémentaire jusqu'à son allumage, des gaz chauds de la surface de combustion déjà allumée sont réalisées de manière à pouvoir être détruites entièrement ou par endroits (ouvertures; bouchons) mécaniquement ou thermiquement. Il convient à présent de décrire l'invention plus en détail à l'aide d'exemples de mise en oeuvre représentés sur les dessins schématiques, sur lesquels: la figure 1 représente une coupe médiane -8- longitudinale d'un générateur de gaz comprenant deux charges propulsives, un autre guidage d'écoulement pour la charge propulsive supplémentaire étant représenté au-dessus et en dessous de la ligne médiane, la figure 2 représente une coupe médiane longitudinale d'un générateur de gaz comprenant une charge propulsive qui présente deux surfaces de combustion, la figure 3 représente un diagramme avec inscription bilogarithmique qui reproduit qualita- tivement la courbe du débit de combustible en fonction de la pression du générateur de gaz, avec et sans surface de combustion supplémentaire allumée. Le générateur de gaz 1 selon la figure 1 comprend une charge propulsive principale 10 et une charge propulsive plus petite supplémentaire 7 ou 8. La division du propergol produisant le combustible en deux charges propulsives indépendantes a l'avantage que les formulations et partant, les propriétés de combustion des charges propulsives peuvent être choisies de manière différente et être ainsi adaptées de manière optimale à l'application considérée. On admet que le travail de construction est plus important que dans une réalisation avec une seule charge propulsive comme par exemple d'après la figure 2. La figure 1 reproduit au-dessus de la ligne médiane une réalisation dans laquelle les gaz chauds de la charge propulsive supplémentaire 7 sont réunis dans la chambre 16 du générateur de gaz 1 avec les gaz chauds de la charge propulsive principale 10 et -9s'écoulent avec ces derniers dans la chambre de combustion de statoréacteur 3 par le tube d'acheminement de gaz 22 et le clapet de réglage 5. La charge propulsive 7 est entourée de toutes parts par des parois, à savoir sur son pourtour extérieur par la paroi extérieure du générateur de gaz 1, sur son pourtour intérieur par le tube d'acheminement de gaz 21, sur son côté frontal avant par la cloison 18 qui se trouve à une certaine distance afin de former une cavité pour l'allumage. La cloison 18 présente plusieurs ouvertures 27 qui sont réparties sur le pourtour et sont fermées de manière étanche par des bouchons 29 jusuq'à l'allumage de la charge propulsive 7. Les bouchons 29 peuvent être éjectés entièrement ou par morceaux par exemple par la pression d'allumage de la charge propulsive 7 ou par des dispositifs mécaniques ou pyrotechniques séparés. Ils peuvent également être réalisés de telle manière qu'après un temps prédéterminé, ils soient brûlés par les gaz chauds de la charge propulsive principale 10. Il est également possible de brûler toute la cloison 18 ou de la détruire autrement. Il peut également suffire de recouvrir la surface de combustion 11 avec une couche isolante résistante pendant une période prédéterminée et de supprimer complètement la cloison 18. L'allumage de la charge propulsive 7 peut s'effectuer par les gaz chauds de la charge propulsive principale 10 ou par un dispositif d'allumage séparé. Les surfaces de combustion 11 et sont à titre d'exemple disposées sur le côté frontal, c'est-i-dire que les deux charges propulsives 7 et 10 sont des charges à combustion frontale. Bien entendu, d'autres configurations sont -10également possibles, par exemple des charges à combustion intérieure, etc. La direction de combustion est ici indiquée comme sur la figure 2 par de petites flèches noires. Comme on le voit, la charge propulsive principale 10 est considérablement plus grande que la charge propulsive 7 ce qui tient au fait que cette dernière n'est utilisée que par exemple pendant 20% de la durée du fonctionnement. Dans la réalisation en dessous de la ligne médiane, des voies d'écoulement séparées sont prévues pour les gaz chauds de la charge propulsive 8 et de la charge propulsive principale 10. Les gaz chauds de la charge propulsive principale 10 s'écoulent par le tube d'acheminement de gaz 23 et le clapet de réglage 5 dans la chambre de combustion de statoréacteur 3, les gaz chauds de la charge propulsive 8 par de préférence plusieurs tubes d'acheminement de gaz 24, des organes de réglage pouvant également être disposés devant ou dans les tubes d'acheminement de gaz 24. La surface de combustion 12 n'est pas protégée, d'o la nécessité d'éviter que des flammes ne se propagent de la chambre de combustion de statoréacteur 3 jusque vers la charge propulsive 8. Dans des générateurs de gaz avec charge propulsive principale et supplémentaire, la charge propulsive principale est, comme il a déjà été dit, allumée en- premier et la charge propulsive supplémentaire plus tard. Pendant la phase de vol nécessitant une forte poussée, les deux charges propulsives brûlent de préférence, leur combustion pouvant Etre réglée (par le volume, la formulation, le moment -d'allumage) de telle sorte qu'elles soient épuisées à peu près en même temps ou l'une après l'autre dans un ordre prédéterminé. Au cas o la charge propulsive -11- supplémentaire produit seule un débit de combustible plus important que la charge propulsive principale, il est également possible d'obtenir une augmentation de poussée en n'allumant la charge propulsive supplémentaire que lorsque la charge propulsive principale est déjà épuisée. L'utilisation de deux charges propulsives supplémentaires ou plus est en principe également possible bien que dans la pratique, le travail nécessaire s'y oppose le plus souvent. Le générateur de gaz selon la figure 2 a une structure plus simple que celui de la figure 1, étant donné qu'il ne possède qu'une charge propulsive 9. Cette dernière présente une surface de combustion arrière 13 pour l'allumage initial et une surface de combustion frontale supplémentaire 14 pour l'allumage ultérieur destiné à l'augmentation de poussée. Un tube d'acheminement de gaz 25 traverse par exemple centralement l'ensemble de la charge propulsive 9 et il achemine les gaz chauds de la surface de combustion 14 dans la chambre 17 o ils rejoignent les gaz chauds de la surface de combustion 13 et s'écoulent avec ces derniers par le tube d'acheminement de gaz 26 et le clapet de réglage 6 dans la chambre de combustion de statoréacteur 4. La cloison 20 dont les ouvertures 28 comportent les bouchons 30 pouvant être éjectés ou détruits protège la surface de combustion 14 jusqu'à son allumage. Cet état est représenté au-dessus de la ligne médiane. L'état intervenant directement après l'allumage dans lequel l'ouverture 28 est libre est reproduit sous la ligne médiane, le flux de gaz chaud étant indiqué par une ligne en trait interrompu et une flèche blanche. Au lieu de la cloison 20, il est également possible -12- de disposer sur la surface de combustion une couche résistant temporairement aux gaz chauds. Il est encore plus simple de disposer un bouchon pouvant être éjecté ou détruit dans le tube d'acheminement de gaz 24, aucune cloison ou couche protectrice n'étant nécessaire dans la zone de la surface de combustion 14. Cette possibilité est facilement compréhensible et n'est donc pas représentée spécialement. La charge propulsive 9 a en général une structure homogène, si bien que pour des surfaces de combustion 13 et 14 égales, on obtient à peu près un doublement du débit de combustible lors de l'allumage de la surface de combustion 14. Si le travail est justifié, on peut faire varier la formulation de la charge propulsive en direction longitudinale, de sorte que par exemple la vitesse de combustion soit plus élevée dans la zone de la surface de combustion 14 que dans la majeure partie du volume de charge combustible. Bien entendu, il existe une pluralité d'autres possibilités d'agencement pour les deux surfaces de combustion ou plus. Par exemple, sur la figure 2, il est possible d'allumer en premier la surface de combustion avant puis la surface de combustion arrière, cette dernière devant être protégée jusqu'à son allumage. Il est également possible de donner à chacune des surfaces de combustion n'importe quelle configuration géométrique, par exemple de réaliser une surface de combustion selon une configuration de charge à combustion intérieure et l'autre selon une configuration de charge à combustion frontale. Toutes ces réalisations ont toutefois un principe en commun, à savoir que toutes les surfaces de combustion sont disposées sur la même charge combustible. -13- La figure 3 représente un diagramme bilogarithmique (ln - logarithme naturel) dans lequel la courbe du débit de combustible m est représentée qualitativement en fonction de la pression du générateur de gaz p. Le débit de combustible m est désigné en masse par unité de temps, par exemple gramme par seconde, la pression p de préférence en bar. Pour plus de clarté, le diagramme part tout d'abord du fait que deux surfaces de combustion de préférence égales et constantes sont disposées sur une charge propulsive homogène. La courbe I en trait interrompu indique la courbe du débit de combustible lorsqu'une seule surface de combustion est allumée et la courbe en pointillés II la courbe lorsque les deux surfaces de combustion sont allumées. Les valeurs Pin et Pmax sont les valeurslimite prédéterminées pour la pression du générateur de gaz. La courbe I est valable pour le vol de croisière, la pression est de préférence maintenue proche de Pmin afin d'obtenir un débit de combustible minimal mmin, c'est-à-dire une portée maximale. Le passage du vol de croisière au vol de manoeuvre avec une accélération et une vitesse élevées est reproduit par la courbe ininterrompue coudée deux fois. Lorsque par exemple une seule surface de combustion est allumée, la pression du générateur de gaz est augmentée jusqu'à une valeur pz qui peut être comprise entre Pmin et- Pmax, c'est-à-dire que m suit tout d'abord la courbe I. Quand la deuxième surface de combustion est allumée, m saute sur la ligne II et la suit avec une augmentation de pression jusqu'à Pmax. Si, conformément aux solutions de l'art antérieur, une seule surface de combustion existait, la courbe II représenterait la courbe typique de m pour une -14- formulation de charge propulsive avec une vitesse de combustion élevée qui serait nécessaire pour obtenir mmax. La valeur mIi sur Pmin montre clairement qu'une telle formulation entraînerait une consommation de combustible beaucoup plus importante (>mmin) surtout dans la zone inférieure de vol de croisière. Le diagramme de la figure 3 s'applique également à des générateurs de gaz comprenant une charge propulsive principale et supplémentaire, la courbe I reproduisant la courbe de m pour la charge propulsive principale et la courbe II la somme du débit de combustible pour les deux charges propulsives allumées. Le diagramme autorise encore un troisième tracé, également pour des générateurs de gaz avec charge propulsive principale et charge propulsive supplémentaire. Il s'agit de la courbe I pour la courbe de m pour la charge propulsive principale et la courbe II pour la courbe m pour la charge propulsive supplémentaire. La courbe de m ininterrompue et coudée peut apparaître lorsque la charge propulsive principale est épuisée au moment de l'allumage de la charge propulsive supplémentaire et qu'à ce moment, la pression pz règne dans le générateur de gaz. Dans ce dernier cas, il n'y a toujours qu'une seule surface de combustion d'une charge propulsive en fonctionnement. Pour chaque pression comprise entre Pmin et P max, m est d'après la courbe II toujours supérieur à m d'après la courbe I, voir par exemple les valeurs mmax et mI pour Pmax -15- REVENDICATIONS 1. Générateur de gaz pour stato-fusées à débit de combustible variable, dans lequel la combustion d'une charge propulsive solide pauvre en oxygène libère du combustible pour la chambre de combustion du statoréacteur, la charge propulsive étant allumée au début du fonctionnement du statoréacteur sur une surface de combustion et brûlant progressivement à partir de ladite surface, caractérisé en ce qu'il comprend une charge propulsive principale (10) et au moins une petite charge propulsive supplémentaire (7, 8) qui est allumée plus tard que la charge propulsive principale (10) et qui est protégée au moins jusqu'à son allumage des gaz chauds de la charge propulsive principale (10) en combustion, par une couche isolante et/ou une paroi de séparation (cloison 18, bouchon 19, tube d'acheminement de gaz 23) (fig. 1). 2. Générateur de gaz pour stato-fusées à débit de combustible variable, dans lequel la combustion d'une charge propulsive solide pauvre en oxygène libère du combustible pour la chambre de combustion du statoréacteur, la charge propulsive étant allumée au début du fonctionnement du statoréacteur sur une surface de combustion et brûlant progressivement à partir de ladite surface, caractérisé en ce que la charge propulsive (9) comporte au moins une surface de combustion supplémentaire (14) qui peut être allumée plus tard et qui est protégée au moins jusqu'à son allumage des gaz chauds de la charge propulsive (9) en combustion, par une couche isolante et/ou une paroi de séparation (cloison 20, bouchon ) (fig. 2). -16- 3. Générateur de gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente une chambre (16, 17) dans laquelle les gaz chauds riches en combustible de la surface de combustion (13, 15) allumée au début du fonctionnement du statoréacteur et de la surface de combustion (11, 14) supplémentaire allumée plus tard sont réunis et en ce qu'il est prévu au moins un organe de réglage (clapets de réglage 5, 6) pour modifier la section transversale d'écoulement de la sortie de gaz chaud (tubes d'acheminement de gaz 22, 26). 4. Générateur de gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente des canaux d'écoulement séparés (tubes d'acheminement de gaz 23, 24) pour les gaz chauds de la surface de combustion (15) allumée au début du fonctionnement du statoréacteur et pour les gaz chauds de la surface de combustion (12) supplémentaire allumée plus tard et en ce qu'il existe au moins un organe de réglage (clapet de réglage 5) pour les gaz chauds de la surface de combustion (15) allumée en premier ou en ce qu'il existe au moins un organe de réglage respectivement pour les gaz chauds de la surface de combustion allumée en premier et pour les gaz chauds de la surface de combustion supplémentaire. 5. Générateur de gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche ou la paroi (cloisons 18, 20) protégeant la surface de combustion supplémentaire (11, 14) jusqu'à son allumage, des gaz chauds de la surface de combustion (13, 15) déjà allumée sont réalisées de manière à pouvoir être -17- détruites entièrement ou par endroits (ouvertures 27, 28; bouchons 29, 30) mécaniquement ou thermiquement.