Brevet FR2671138A1 — publié le 19920703

Système de conditionnement et d'allumage de moteur-fusée Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un système de conditionnement et de fourniture de puissance à divers récepteurs, dont un dispositif d'allumage de moteur-fusée à ergols liquides, c'est à dire un système permettant d'assurer à la fois l'allumage ou le réallumage du moteur et la mise en condition, en particulier le réchauffage ou l'assainissement d'un certain nombre d'organes fonctionnels du moteur-fusée avant la phase d'allumage ou de réallumage. Art antérieur On sait qu'avant d'assurer l'allumage, ou le réallumage dtun moteur-fusée, certains organes du moteur-fusée doivent être placés dans certaines conditions prédéterminées. Par exemple, un réducteur à engrenages pour une turbopompe doit être lubrifié et le lubrifiant doit être rendu fluide, c'est à dire réchauffé. Le conditionnement est assuré par des systèmes spécifiques généralement constitués par des ensembles de résistances électriques chauffantes. Ces systèmes présentent l'inconvénient d'accroitre la masse de l'ensemble propulsif alors qu'ils ne jouent un rôle que de façon très ponctuelle. On connait par ailleurs l'utilisation d'une torche à coeur chaud alimentée en ergols contenus dans des réservoirs associés au moteur-fusée, une telle torche délivrant des gaz de combustion qui servent exclusivement à l'allumage de la chambre principale du moteur-fusée. Objet et description succincte de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et notamment à permettre de réaliser un système homogène capable d'assurer à la fois la fonction de conditionnement d'organes de moteur-fusée et la fonction d'allumage du moteur-fusée, de façon à éviter la mise en oeuvre de sources électriques de chaleur représentant une masse importante. L'invention vise encore à réaliser un système de conditionnement et d'allumage de moteur-fusée qui soit adapté aussi bien au conditionnement et à allumage lors d'une phase de premier démarrage à partir du sol qu'à un reconditionnement et un réallumage en vol. Ces buts sont atteints grace à un système de conditionnement et de fourniture de puissance à des récepteurs dans un moteur-fusée, comprenant une torche unique à coeur chaud, et des moyens d'alimentation sélective de la torche en ergols contenus dans des réservoirs associés au moteur-fusée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un échangeur de chaleur pour assurer un échange de chaleur entre les gaz de combustion issus de la torche et un fluide de conditionnement circulant sélectivement dans un circuit de conditionnement thermique d'organes fonctionnels du moteur-fusée à réchauffer ou à assainir, et des moyens pour appliquer sélectivement les gaz de combustion issus de la torche àau moins un récepteur de puissance tel qu'un dispositif principal d'allumage de la chambre principale du moteur-fusée. Le système peut comprendre un premier échangeur de chaleur entre les gaz de combustion issus de la torche et un premier fluide de conditionnement circulant sélectivement dans un premier circuit de conditionnement thermique d'organes fonctionnels du moteur-fusée à réchauffer et un second échangeur de chaleur entre les gaz de combustion issus de la torche et un second fluide de conditionnement circulant sélectivement dans un second circuit de conditionnement thermique d'organes fonctionnels du moteur-fusée à réchauffer. Dans ce cas, selon un mode particulier de réalisation, le premier fluide de conditionnement est constitué par un ergol carburant tel que de l'hydrogène gazeux (GH2) et le second fluide de conditionnement est constitué par un gaz inerte tel que de l'helium. Selon une caractéristique avantageuse, le système comprend en outre des moyens pour appliquer sélectivement les gaz de combustion issus de la torche à une chambre propulsive annexe destinée à assurer le placage des ergols contenus dans lesdits réservoirs. Le système peut encore comprendre des moyens pour alimenter sélectivement en gaz de combustion issus de la torche une turbine de turbopompe, pendant la phase de démarrage. Le système selon l'invention permet ainsi d'utiliser les gaz de combustion issus d'une torche unique à des fins variées comprenant à la fois l'allumage de la chambre de combustion annexe destinée à assurer le placage des ergols, l'alimentation directe en gaz chauds, de certains organes tels qu'une turbine de turbopompe et le conditionnement d'organes divers par l'intermédiaire d'un ou plusieurs échangeurs de chaleur associés à des circuits de conditionnement pouvant eux-mêmes être alimentés par des fluides de conditionnement divers. De façon avantageuse, le système comprend des moyens de modulation du débit des gaz chauds de combustion produits par la torche et de leur température, selon la phase d'utilisation, à partir de moyens de modulation des débits des ergols alimentant la torche. Le système selon l'invention peut comprendre notamment - un circuit de conditionnement d'un réducteur à engrenages d'une turbopompe. - un circuit de conditionnement thermique pour le conditionnement d'un boîtier contenant le lubrifiant du réducteur à engrenages. - un circuit de conditionnement thermique pour le conditionnement d'un carter d'une turbine de turbopompe. Selon une caractéristique particulière, le système selon llinvention comprend un circuit de conditionnement thermique muni d'un circuit de rétroaction pour interrompre la circulation de fluide de conditionnement lorsqu'unie température prédéfinie est atteinte au niveau des organes fonctionnels à conditionner. Des moyens de conditionnement au sol peuvent par ailleurs être prévus par l'intermédiaire de tuyauteries d'entrée spécifiques munies de clapets raccordées aux circuits de conditionnement alimentés de façon sélective en fluide de conditionnement. Selon un mode particulier de réalisation, qui permet de faciliter l'allumage dans la chambre principale du moteur-fusée, le dispositif principal d'allumage de la chambre principale du moteur-fusée comprend en outre une préchambre de réchauffage d'allumeur destinée à recevoir les gaz de combustion issus de la torche, et des moyens d'alimentation complémentaire sélective en l'un des ergols pour exploiter un déséquilibre prédéterminé dans la composition des gaz de combustion issus de la torche, et accroître la température et le débit des gaz injectés dans la chambre principale. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue d'ensemble d'un système de conditionnement et d'allumage d'un moteur-fusée selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des vues de détail à une autre échelle respectivement selon les flèches E et F de la figure 1, - la figure 4 est une vue partielle du système de la figure 1 correspondant à une variante de réalisation, et - la figure 5 est une vue de détail du dispositif d'allumage de la chambre principale mis en oeuvre dans la variante de la figure 4. Description détaillée de modes particuliers de réalisation La figure 1 montre l'ensemble d'un système centralisé multifonctions capable d'assurer à la fois le conditionnement, ou le reconditionnement d'organes fonctionnels d'un moteur-fusée, et l'allumage ou le réallumage de la chambre principale 52 de l'ensemble propulsif constitué par ce moteur-fusée. Le système selon l'invention est bâti autour d'une torche unique 10 munie d'une bougie 13 et de canalisations 11,12 d'alimentation en ergols carburant, tel que de l'hydrogène gazeux (GH2) et comburant, tel que de l'oxygène gazeux (GOx) à partir respectivement d'un réservoir 1 de carburant et d'un réservoir 2 de comburant. Des dispositifs lIa, 12a de régulation des débits d'ergols appliqués à la torche 10 sont interposés entre les réservoirs 1,2 et les canalisations 11, 12 respectivement. Chaque dispositif de régulation de débit lIa, 12a peut comprendre une vanne principale 62,64 disposée en série avec un trou calibré 82, 84 et une vanne 61, 63 de régulation de débit placée en parallèle avec les éléments 62,82 respectivement 64,84. La canalisation 11 d'alimentation en ergol combustible débouche dans une chambre torique 15 de la torche 10 qui est en communication d'une part avec la chambre d'allumage 16 de la torche 10 par des canaux radiaux 19 et d'autre part avec le conduit de sortie 17 de la torche 10 par des canaux inclinés 19a formés dans une plaque 29 et débouchant dans le conduit de sortie 17 immédiatement en sortie de la chambre d'allumage 16. La canalisation 12 débouche elle-même dans une chambre annulaire 14 entourant la bougie d'allumage 13 et débouchant dans la chambre d'allumage 16 au niveau de l'extrémité de cette bougie d'allumage 13. Le corps de la torche 10 est formé de plusieurs pièces assemblées par soudage ou à l'aide de vis 18. L'étanchéité est assurée par des joints 20, 21. Selon un aspect important de l'invention, le conduit 17 de sortie des gaz chauds produits dans la torche 10 est entouré, en aval de la torche 10, de deux échangeurs de chaleur coaxiaux 23,26 faisant partie de deux circuits de conditionnement d'organes fonctionnels liés au moteur-fusée. Un premier circuit de conditionnement comprend une canalisation 22 d'amenée d'un premier fluide de conditionnement, qui peut être constitué par l'ergol carburant tel que de l'hydrogène gazeux (GH2). Le premier fluide de conditionnement est amené depuis le réservoir 1 par une canalisation reliée par une vanne 67 à la canalisation 22, de sorte que le premier circuit de conditionnement peut être alimenté de façon sélective en premier fluide de conditionnement. L'hydrogène gazeux introduit par la canalisation 22 dans l'échangeur 23 constitué par un circuit en hélice autour du conduit central de sortie est réchauffé par un échange de chaleur avec les gaz chauds issus de la torche 10 lorsque celle-ci est allumée, et est évacué par une canalisation de sortie 24 vers des organes à conditionner. Sur la figure 1, on voit que la canalisation 24 se divise elle-même en deux branches 35,36. La branche 35, sur laquelle est interposée une vanne 71 conduit à une buse 40 d'éjection de fluide de conditionnement vers les engrenages 41 d'un réducteur de turbopompe dont le lubrifiant doit être rendu fluide avant mise en marche ou remise en marche de la turbopompe à l'occasion d'un allumage ou d'un réallumage du moteur-fusée. On voit par ailleurs sur la branche 35, une tuyauterie d'entrée spécifique 42 débouchant à titre d'exemple dans la canalisation 35 dans la partie située entre la vanne 71 et la buse 40 et pouvant servir à effectuer au sol un conditionnement par une source de gaz extérieure, indépendamment du circuit de conditionnement alimenté par la canalisation 22. La tuyauterie 42 est munie d'un clapet taré de non retour 43. La branche 36 du premier circuit de conditionnement est elle-même reliée à un circuit 37 de chauffage du boîtier contenant le lubrifiant du réducteur à engrenage qui débouche dans une canalisation de sortie 38 munie d'un trou calibré 39. La canalisation 38 peut elle-même conduire à un collecteur d'ergol carburant pour réinjecter l'hydrogène gazeux dans la chambre principale 52 du moteur-fusée. Le second échangeur de chaleur 26, comprend un circuit hélicoïdal de passage de fluide disposé coaxialement par rapport à l'échangeur 23 et au conduit de sortie 17. Le second échangeur 26 reçoit par une canalisation d'entrée 25 un second fluide de conditionnement qui peut être constitué par un gaz neutre, tel que de l'helium. Une vanne 68 est interposée entre le réservoir 3 d'helium et la canalisation d'entrée 25. L'échangeur 26 est relié par une canalisation de sortie 27, sur laquelle est interposée une vanne de régulation 69, à un circuit de réchauffage du carter 31 de turbopompe. Un circuit de rétroaction comprenant une liaison électrique 33 entre un dispositif de mesure de température et un circuit 34 de comparaison à une valeur de consigne, dont la sortie commande l'électrovanne 69 permet d'interrompre le flux du second fluide de conditionnement vers le carter 31 lorsqu'une température de consigne prédéfinie a été atteinte. La figure 1 montre encore différentes utilisations directes des gaz chauds de combustion issus de la torche 10 par le conduit de sortie 17, sur lequel est interposé un clapet taré anti-retour 28. Une première dérivation permet l'alimentation sélective, par une vanne 65, d'une chambre propulsive annexe 51 de placage d'ergols. Une deuxième dérivation permet l'alimentation sélective, par une vanne 70, de la turbine 32 de la turbopompe dont le carter 31 est réchauffé par le second circuit de conditionnement. Le conduit de sortie 17 assure également, par une canalisation principale 54 sur laquelle est interposée une vanne 66, l'alimentation sélective de l'allumeur 53 de la chambre de combustion principale 52. Les figures 4 et 5 montrent une variante de réalisation, dans laquelle l'allumeur 53 de la chambre de combustion principale 52 comprend une pré-chambre 55 de réchauffage dans laquelle débouche le conduit principal 54 sur lequel est placée la vanne 66. Une canalisation supplémentaire 73 munie d'une vanne 72 débouche dans une chambre torique 56 qui entoure la pré-chambre 55 et communique avec celle-ci par des orifices 57. La canalisation supplémentaire 73 sert à fournir à la pré-chambre 55 un débit complémentaire d'ergol comburant ou combustible, par exemple d'oxygène gazeux ou d'hydrogène gazeux, afin d'adapter ou modifier la composition du mélange appliqué à l'allumeur. Selon qu'il existe un excès d'ergol comburant ou d'ergol combustible, les conditions d'allumage de la chambre principale seront modifiées. La variante des figures 4 et 5 permet ainsi d'adapter facilement aux conditions d'allumage de la chambre principale les caractéristiques des gaz chauds appliqués à travers la vanne 66 à l'allumeur 53. En particulier, il convient que la pression de la chambre principale 52 après allumage reste inférieure à celle de sortie des gaz par le conduit 54 pour éviter un refoulement des gaz à travers l'orifice 54a de la plaque d'injection 58. On décrira maintenant à titre d'exemple une mise en oeuvre possible du système de conditionnement et d'allumage selon l'invention, selon diverses phases de fonctionnement possibles du moteur-fusée. Phase de conditionnement au sol (phase 1) Le conditionnement est effectué par des gaz fournis par l'intermédiaire des tuyauteries d'entrée spécifiques 42. Phase de réchauffage au sol ou en vol (phase 2) Cette phase peut avoir lieu avant le premier allumage ou avant un réallumage du moteur dans le cas de plusieurs mises à feu lors de la même mission. On procède à l'allumage de la bougie 13 de la torche 10. Les vannes 67 et/ou 68 sont ouvertes pour assurer une connexion des premier et/ou second circuits de conditionnement aux systèmes d'alimentation en gaz de conditionnement (ergol carburant tel que (3H2, utilisé notamment en cas de conditionnement au sol, ou gaz inerte tel que GHe, utilisé notamment en cas de conditionnement en vol). S'il s'agit d'un conditionnement en vol, la vanne 65 est ouverte pour permettre ensuite un placage des ergols au fond des réservoirs. Après ces opérations, dans tous les cas, on ouvre les vannes 62 et 64 d'alimentation de la torche 10 respectivement en ergol comburant (GOx) et un ergol carburant (CH2). La torche 10 s'allume alors et la tuyère 51 de placage des ergols est alimentée en gaz chauds. La vanne 69 peut être ouverte pour assurer le conditionnement de la turbine 32 avec régulation automatique de la température. Au sol, la vanne sol qui alimente la tuyauterie 42 est fermée. L'ouverture de la vanne 71 permet elle-même le conditionnement du réducteur à engrenages 41. Phase de démarrage (phase 3) Cette phase peut comporter la fermeture éventuelle des vannes 67 et 68 qui provoque l'arrêt des conditionnements par les premier et second circuits de conditionnement. L'ouverture de la vanne 63 permet de faire intervenir la vanne de régulation d'alimentation de la torche 10 en ergol carburant. L'ouverture de la vanne 61 permet de façon similaire de faire intervenir la vanne de régulation d'alimentation de la torche 10 en ergol comburant. Ces régulations peuvent concerner les débits aussi bien que la température. La vanne 65 est fermée pour mettre hors service la tuyère 51 de placage des ergols. La vanne 70 est ouverte pour permettre le démarrage de la turbopompe. Phase d'allumage de la chambre (phase 4) Dès que le générateur de gaz associé à la turbopompe a pris le relais pour l'entraînement de la turbine 32 de la turbopompe, la vanne 70 peut être fermée. La vanne 66 est ouverte pour permettre l'allumage de la chambre principale 52, avec dans le cas de la variante des figures 4 et 5 l'ouverture éventuelle de la vanne 72. Phase de vol stabilisé (phase 5) Dès que l'engin propulsif a atteint une phase de vol stabilisé, l'ensemble du système de conditionnement et d'allumage peut être désactivé. L'alimentation de la torche 10 est interrompue par la fermeture des vannes 61 et 62 puis des vannes 63 et 64. L'allumeur 53 de la chambre 52 est éteint par la fermeture de la vanne 66. Les vannes 67 et 68 des circuits de conditionnement sont fermées si elles ne l'ont pas été plus tôt. La vanne de régulation 69 est désactivée ainsi que le circuit 33, 34 de régulation de la température de la turbine. Phase d'arrêt (phase 6) Dans ce cas, aucune activation du système selon l'invention n'est prévue. Phase de reconditionnement pour un nouvel allumage (phase 7) Dans ce cas, qui peut se produire au sol ou en vol, on reprend l'enchaînement des phases 1 à 4 ci-dessus qui seront de nouveau suivies par la phase 5. REVENDICATIONS 1. Système de conditionnement et de fourniture de puissance à des récepteurs dans un moteur-fusée, comprenant une torche unique à coeur chaud (10), et des moyens (ll,lla;12,12a) d'alimentation sélective de la torche (10) en ergols contenus dans des réservoirs (1,2) associés au moteur-fusée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un échangeur de chaleur (23,26) pour assurer un échange de chaleur entre les gaz de combustion (GC) issus de la torche (10) et un fluide de conditionnement circulant sélectivement dans un circuit de conditionnement thermique d'organes fonctionnels du moteur-fusée à réchauffer ou à assainir, et des moyens (66) pour appliquer sélectivement les gaz de combustion (GC) issus de la torche (10) à au moins un récepteur de puissance (53). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier échangeur de chaleur (23) entre les gaz de combustion (GC) issus de la torche (10) et un premier fluide de conditionnement circulant sélectivement dans un premier circuit de conditionnement thermique d'organes fonctionnels du moteur-fusée à réchauffer et un second échangeur de chaleur (26) entre les gaz de combustion (GC) issus de la torche (10) et un second fluide de conditionnement circulant sélectivement dans un second circuit de conditionnement thermique d'organes fonctionnels du moteur-fusée à réchauffer. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier fluide de conditionnement est constitué par un ergol carburant tel que de l'hydrogène gazeux (GH2) et le second fluide de conditionnement est constitué par un gaz inerte tel que de l'helium. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit récepteur de puissance comprend un dispositif principal (53) d'allumage de la chambre principale (52) du moteur-fusée. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (65) pour appliquer sélectivement les gaz de combustion (GC) issus de la torche (10) à une chambre propulsive annexe (51) destinée à assurer le placage des ergols contenus dans lesdits réservoirs (1,2). 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (70) pour alimenter sélectivement en gaz de combustion (GC) issus de la torche (10) une turbine (32) de turbopompe. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caratérisé en ce qu'il comprend un circuit de conditionnement d'un réducteur à engrenages (41) d'une turbopompe. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de conditionnement thermique pour le conditionnement d'un boîtier (37) contenant le lubrifiant d'un réducteur à engrenages (41). 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de conditionnement thermique pour le conditionnement d'un carter (31) d'une turbine (32) de turbopompe. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caeractérisé en ce qu'il comprend un circuit de conditionnement thermique muni d'un circuit de rétroaction (33,34,69) pour interrompre la circulation de fluide de conditionnement lorsqu'une température prédéfinie est atteinte au niveau des organes fonctionnels à conditionner. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qulil comprend des moyens de modulation du débit des gaz chauds de combustion (GC) produits par la torche (10) et de leur température, selon la phase d'utilisation, à partir de moyens (11a,12a) de modulation des débits des ergols alimentant la torche (10). 12. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de conditionnement au sol par l'intermédiaire de tuyauteries d'entrée spécifiques (42) munies de clapets (43). 13. Système selon l'une des quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le dispositif principal (53) d'allumage de la chambre principale (52) du moteur-fusée comprend en outre une préchambre (55) de réchauffage d'allumeur destiné à recevoir les gaz de combustion (GC) issus de la torche (10), et des moyens (72,73,56,57) d'alimentation complémentaire sélective en l'un des ergols pour exploiter un déséquilibre prédéterminé dans la composition des gaz de combustion (GC) issus de la torche (10) afin d'accroître la température et le débit des gaz injectés dans la chambre principale (52).