Brevet FR2701735A1 — publié le 19940826

Injecteur de type coaxial pour chambre de combustion de moteur fusée L'invention concerne un injecteur de type coaxial pour des chambres de combustion de moteurs fusée fonctionnant avec une pres- sion à l'intérieur de la chambre de combustion comprise entre 3 et 30 bars et deux propergols hypergoliques, avec comme comburant de pré- férence du tétraoxyde d'azote, des mélanges de tétraoxyde d'azote et de tétraoxyde de diazote (MON (mélange oxygène-nitrures)) ou de l'acide nitrique et comme carburant essentiellement de l'hydrazine et/ou ses dérivés, lequel injecteur comporte un corps central pour le comburant au moins sensiblement symétrique de révolution, dont le conduit d'écoulement présente un insert de génération de mouvement de rotation, une réduction de section et une sortie avec une arête vive, ainsi qu'un manchon qui entoure de manière concentrique le corps cen- tral en formant un conduit d'écoulement annulaire pour le carburant, le conduit d'écoulement annulaire étant pourvu d'orifices d'entrée laté- raux et d'une sortie de forme intérieure cylindro-circulaire avec une arête vive. L'application du principe de l'injection coaxiale de deux com- posants liquides de propergols hypergoliques et non-hypergoliques est connue par le document US-PS 2 874 539 La représentation simple, plutôt schématique, n'est cependant pas de nature à fournir au spécia- liste des indications précises concernant l'agencement sur le plan de la construction de la tête d'injection ou des injecteurs Les propergols hypergoliques notamment doivent être parfaitement séparés avant leur entrée dans la zone de réaction prévue, ceci afin d'éviter des réactions indésirables avec le cas échéant des conséquence catastrophiques Les problèmes de sécurité de ce genre ne sont pas non plus pris en compte dans l'agencement selon le document US-PS mentionné. Le document DE-PS 3424225 montre des injecteurs pour des combustibles non hypergoliques (par exemple H 202, CH 4/02) qui, dans la forme de réalisation selon les figures 1 et 2, ont donné d'excellents résultats Conformément au principe de la disposition coaxiale, chaque injecteur se compose d'un corps central pour le comburant et d'un manchon en deux parties, assemblé par vis, concentrique à celui-ci, pour le carburant, lequel manchon dépasse axialement par rapport à la sortie du corps central La sortie du corps central s'élargit en forme de cône et est pourvue d'une arête d'embouchure vive et de surfaces de génération de mouvement de rotation dans la zone du cône Le man- chon est pourvu d'orifices d'entrée radiaux et d'un conduit central sen- siblement cylindrique qui entoure à la manière d'un anneau la sortie du corps central Les avantages connus de cet agencement coaxial sont: a) Réalisation de moteurs appartenant à des classes de pous- sée différentes à partir d'un injecteur standard en faisant varier le nombre des injecteurs. b) Faible sollicitation thermique de la plaque frontale de la tête d'injection et, par voie de conséquence grande longévité. c) Faible perte de charge à l'injection autorisant une faible pression à l'intérieur des réservoirs ou une faible pression d'alimenta- tion (pression de gaz et pression de refoulement de la pompe). En fonctionnement non hypergolique, la préparation du mé- lange et la combustion ont lieu successivement Le mélange du carbu- rant généralement gazeux avec le comburant liquide est favorisé par une vitesse d'entrée nettement plus élevée du carburant (rapport de vi- tesse par exemple de 15:1). Dans le cas de propergols hypergoliques, les deux compo- sants, après leur injection sous une forme liquide se rencontrent et réa- gissent spontanément lorsqu'ils entrent en contact l'un de l'autre C'est pourquoi il est important d'avoir des surfaces de réaction réciproque aussi grandes que possible, c'est-à-dire de bien préparer séparément les deux composants et de les amener ensuite en contact l'un de l'autre sans écarts de vitesse importants. Par le document DE-PS 38 18 623, on connaît un injecteur de type coaxial pour des chambres de combustion de fusées qui fonction- nent avec une pression à l'intérieur de la chambre de combustion com- prise entre 5 et 25 bars et avec deux propergols hypergoliques Dans ces injecteurs, le corps central pour le comburant comporte un élément de génération de mouvement de rotation et une sortie qui s'élargit en forme de cône avec une arête vive Au niveau de sa zone de sortie, le corps central est entouré d'un manchon concentrique pour le mélange du carburant qui dépasse axialement par rapport au premier et forme une chambre de pré-réaction Certaines valeurs limites sont indiquées pour la géométrie de la chambre de pré-réaction et les vitesses dans cette zone Des essais pratiques ont malheureusement montré que ce type de construction favorise l'apparition de vibrations dans la cham- bre de combustion On explique cela par des micro-explosions dans la région de la chambre de pré-réaction, lesquelles micro-explosions in- terrompent brièvement l'arrivée de propergol Outre les pertes de puis- sance occasionnées, les fluctuations de pression produites peuvent dans le pire des cas entraîner la destruction de la structure du moteur. La présente invention a par conséquent pour objet de créer un injecteur de type coaxial pour le fonctionnement avec deux propergols hypergoliques qui permette d'obtenir une combustion stable sans fluc- tuations de pression notables. Le problème est résolu selon l'invention par le fait que le conduit d'écoulement du corps central, dans la zone de sortie au moins (embouchure) a une forme intérieure cylindro-circulaire, par le fait que les arêtes des embouchures du corps central et du manchon sont situées dans le plan de la face frontale de la chambre de combustion, par le fait qu'un diviseur de flux est disposé dans le conduit d'écoule- ment formé entre le corps central et le manchon et divise le flux de carburant en cinq à vingt flux individuels de même débit et de même section régulièrement répartis et par le fait que les sections d'écoule- ment sont calculées de telle sorte que les vitesses d'écoulement du comburant et du carburant à leur entrée dans la chambre de combus- tion soient comprises entre 5 m/s et 20 mis. Le corps central et le manchon débouchent sensiblement dans le plan de la face frontale de la chambre de combustion de sorte qu'il n'y a plus de chambre de pré-réaction Le flux de combustible est divi- sé en cinq à vingt flux individuels identiques au moyen d'un diviseur de flux La géométrie du conduit d'écoulement du comburant (insert de génération de mouvement de rotation, etc) produit une ouverture en forme de cône du flux de comburant dans la région de l'embouchure, ce qui permet d'obtenir un mélange rapide et fiable des flux de proper- gols Il en résulte une combustion totale et stable qui permet pour la première fois d'appliquer le principe de la construction coaxiale avec des propergols hypergoliques. La condition est une pression à l'intérieur de la chambre de combustion comprise entre 3 et 30 bars Les carburants préférés sont l'hydrazine (N 2 H 4) et ses dérivés (par exemple monométhyle-hydrazine "MMII" et diméthyle-hydrazine asymétrique); les comburants préférés sont le tétraoxyde d'azote (N 204), MON (Mixed Oxygen Nitrid (mélan- ge oxygène nitrures), N 204 +NO) ou l'acide nitrique (HNO 3). Conformément à une caractéristique de l'invention, le divi- seur de flux s'étend radialement à partir du corps central jusqu'à ou jusqu'au voisinage de la paroi intérieure du manchon et comporte cinq à vingt fentes axiales ouvertes en direction du manchon dont la largeur est constante sur l'ensemble de leur profondeur radiale et de leur lon- gueur axiale, le rapport de la profondeur radiale à la largeur étant au minimum égal à 1 et au maximum égal à 5. Conformément à une autre caractéristique de l'invention il est prévu entre la paroi intérieure du manchon et la paroi périphériques du diviseur de flux un jeu radial de 100 gim maximum qui est constant sur l'ensemble du pourtour et de la longueur axiale du diviseur de flux. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, l'ex- trémité aval du diviseur de flux est disposée à une certaine distance axiale de l'arête de l'embouchure du manchon. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le conduit d'écoulement dans le corps central, de l'insert de génération de mouvement de rotaion jusqu'à l'arête de l'embouchure, est agencé de manière telle que le comburant sorte du corps central sous la forme d'une pluralité de gouttelettes isolées réparties suivant un cône plein ou évidé, l'angle d'ouverture du cône étant de 20 O minimum et de 90 O maximum. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée en se ré- férant aux dessins Ceux-ci montrent, sous une forme simplifiée sans tenir compte de l'échelle: figure 1, une vue partielle en coupe longitudinale d'une tête d'injection d'une chambre de combustion de moteur fusée, dans la ré- gion de l'injecteur, figure 2, une coupe transversale de l'injecteur dans la région du diviseur de flux. L'injecteur 1 fait partie de la tête d'injection d'un moteur de fusée, la tête d'injection pouvant comporter plusieurs centaines d'in- jecteurs 1 de ce type selon la taille du moteur Chaque injecteur est constitué de deux éléments principaux, à savoir le corps central 5 et le manchon 2. Le corps central 5 comporte en son milieu le conduit d'écou- lement du comburant, lequel conduit est subdivisé en plusieurs parties ayant des fonctions différentes Sur sa face extérieure il porte les for- mes qui délimitent la section d'écoulement du carburant Le comburant 13 provenant d'une chambre de distribution située au-dessus des élé- ments passe par l'élément d'étranglement 3 et arrive dans le conduit d'écoulement de comburant L'élément d'étranglement sert au réglage de la perte de charge souhaitée, laquelle perte de charge est nécessaire pour séparer sur le plan vibratoire la chambre de combustion du systè- me d'alimentation L'élément d'étranglement sert simultanément de moyen d'appui pour l'insert de génération de mouvement de rotation 4 disposé en aval L'élément d'étranglement 3 est lié au corps central 5 par l'intermédiaire du cordon de soudure 10 L'insert de génération de mouvement de rotation 4 disposé au-dessous de l'élément d'étrangle- ment 3 permet de superposer au mouvement d'écoulement axial du comburant liquide un mouvement de rotation qui est nécessaire à la préparation de celui-ci Le comburant arrive dans la sortie cylindrique en passant par le rétrécissement situé en aval de l'insert, l'embouchure 16 pourvue d'une arête vive de la sortie constituant l'entrée dans la chambre de combustion Par suite de la rotation qui se poursuit au ni- veau de l'embouchure 16, le jet de comburant liquide s'élargit à son entrée dans la chambre de combustion et se décompose en gouttelettes isolées L'angle du cône d'injection de comburant ainsi obtenu et la ré- partition en forme de cône évidé ou de cône plein du comburant dépen- dent de la forme de l'insert de génération de mouvement de rotation 4 et de la géométrie du conduit d'écoulement pour le comburant. Le conduit d'écoulement pour le carburant est formé par le manchon 2 qui entoure le corps central 5 et est concentrique à celui-ci et par les fentes 6 aménagées sur la paroi extérieure du corps central 5 Le carburant 14 provenant de la chambre de distribution 15 s'écoule par l'intermédiaire des trous calibrés 7 radiaux dans l'espace annulaire 18 Le carburant passe ensuite par les fentes 6 axiales du diviseur de flux 12 aménagé sur le corps central 5 et est divisé en plusieurs jets individuels de section rectangulaire. En aval des fentes rectangulaires, les jets de carburant soit traversent de nouveau un espace annulaire, soit pénètrent directement dans la chambre de combustion par l'intermédiaire de l'embouchure 17 pourvue d'une arête vive du manchon 2. Dans la chambre de combustion, les différents jets de carbu- rant rencontrent le cône de comburant et pénètrent en partie dans ce- lui-ci Des séries d'essais réalisées tout d'abord avec des injecteurs isolés et ensuite avec des têtes d'injection à plusieurs injecteurs ont montré que ce mode de préparation et de mélange permettait d'obtenir une combustion particulièrement stable avec un rendement élevé avec les propergols hypergoliques cités précédemment. Pour des raisons de sécurité, les propergols hypergoliques doivent être séparés l'un de l'autre de manière hermétique avant leur entrée dans la zone de réaction prévue Pour cette raison, le corps cen- tral 5 et le manchon 2 sont reliés entre eux de manière étanche aux li- quides et aux gaz par le cordon de soudure 9 Le manchon 2 est lié de manière étanche aux liquides et aux gaz par l'intermédiaire du cordon de soudure 8 à la plaque de base 19 qui sépare le comburant du carbu- rant et par le cordon de soudure 11 à la plaque frontale 20 côté cham- bre de combustion Le cordon de soudure 10 relie l'élément d'étrangle- ment 3 au corps central 5. REVENDICATIONS 1 Injecteur de type coaxial pour chambres de combustion de moteurs fusée fonctionnant avec une pression à l'intérieur de la cham- bre de combustion comprise entre 3 et 30 bars et deux propergols hy- pergoliques, avec comme comburant de préférence du tétraoxyde d'azote, des mélanges de tétraoxyde d'azote et de tétraoxyde de diazote (MON, Mixed Oxigen Nitride (mélange oxygène-nitrures)) ou de l'aci- de nitrique et comme carburant essentiellement de l'hydrazine et/ou ses dérivés, injecteur comportant un corps central pour le comburant au moins sensiblement symétrique de révolution, dont le conduit d'écoulement présente un insert de génération de mouvement de rota- tion, une réduction de section et une sortie avec une arête vive et un manchon qui entoure de manière concentrique le corps central en for- mant un conduit d'écoulement annulaire pour le carburant, le conduit d'écoulement annulaire étant pourvu d'orifices d'entrée latéraux et d'une sortie de forme intérieure cylindro-circulaire avec une arête vi- ve, caractérisé par le fait que le conduit d'écoulement du corps central ( 5), dans la zone de sortie au moins (embouchure 16) a une forme inté- rieure cylindro-circulaire, par le fait que les arêtes des embouchures ( 16, 17) du corps central ( 5) et du manchon ( 2) sont situées dans le plan de la face frontale ( 20) de la chambre de combustion, par le fait qu'un diviseur de flux ( 12) est disposé dans le conduit d'écoulement formé entre le corps central ( 5) et le manchon ( 2), lequel diviseur de flux divise le flux de carburant ( 14) en cinq à vingt flux individuels de même débit et de même section régulièrement répartis et par le fait que les sections d'écoulement sont calculées de telle sorte que les vi- tesses d'écoulement du comburant ( 13) et du carburant ( 14) à leur en- trée dans la chambre de combustion soient comprises entre 5 m/s et mis. 2 Injecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le diviseur de flux ( 12) s'étend radialement à partir du corps cen- tral ( 5) jusqu'à ou jusqu'au voisinage de la paroi intérieure du man- chon ( 2) et comporte cinq à vingt fentes ( 6) axiales ouvertes en direc- tion du manchon ( 2) dont la largeur est constante sur l'ensemble de leur profondeur radiale et de leur longueur axiale, le rapport de la pro- fondeur radiale à la largeur étant au minimum égal à 1 et au maximum égal à 5. 3 Injecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il est prévu entre la paroi intérieure du manchon ( 2) et la paroi périphérique du diviseur de flux ( 12) un jeu radial de 100 llm maxi- mum qui est constant sur l'ensemble du pourtour et de la longueur axiale du diviseur de flux ( 12). 4 Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'extrémité aval du diviseur de flux ( 12) est disposée à une certaine distance axiale de l'arête ( 17) de- l'embouchure du manchon ( 2). Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le conduit d'écoulement dans le corps cen- tral ( 5), de l'insert de génération de mouvement de rotation ( 4) jusqu'à l'arête ( 16) de l'embouchure, est agencé de manière telle que le com- burant ( 13) sorte du corps central ( 5) sous la forme d'une pluralité de gouttelettes isolées réparties suivant un cône plein ou évidé, l'angle d'ouverture du cône étant de 20 minimum et de 90 maximum.