Brevet FR2710691A1 — publié le 19950407

PROCEDE D'OBTENTION DE POUSSEE PAR UN JET DE FLUIDE ET TUYERE DE POUSSEE POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne le domaine de la technique de la propulsion à réaction et a notamment pour objet un procédé d'obtention de poussée et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention est notamment applicable aux propulseurs des appareils volants à réaction, à pilotage du vecteur poussée au moyen d'une tuyère à réaction entièrement réglable. On connaît l'utilisation, pour le réglage du module et du vecteur de poussée, d'une tuyère entièrement réglable à corps central articulé monté de manière à pouvoir pivoter et se déplacer (voir US-A-3888419). On connaît aussi l'utilisation dans les propulseurs, pour le réglage du vecteur de poussée, d'une tuyère à plateau et à corps central pivotant (voir US-A-3636710). Or, la forme du corps central et ses modes de fonctionnement dans les solutions techniques mentionnées ne permettent pas de dévier d'une manière efficace le vecteur de poussée selon des angles importants, ce qui limite leur emploi dans le but d'améliorer sensiblement la maniabilité de l'appareil volant équipé d'une telle tuyère. Dans l'article de Ilsen V.: "Proc. 6th Symp. on Balistic Missile and Aerospace Technology, Vol. III, Academic Press, pages 171 à 203, 1961", on décrit la possibilité d'obtenir une poussée par accélération de produits gazeux à pression différentielle supercritique dans une tuyère annulaire à sortie en forme de fente, depuis la section contractée formée entre un corps central raccourci (en forme de plateau) et une enveloppe qui l'entoure, en formant des jets de produits gazeux sensiblement radiaux et dirigés à la rencontre les uns des autres, et qui s'écoulent ensuite dans le milieu environnant selon un flux axial formé au cours de l'écoulement sur la base aval du corps central. Parmi les inconvénients principaux de cette solution technique, il faut citer des pertes aérodynamiques assez élevées qui peuvent croître lors du pilotage du vecteur de poussée par déviation du corps central, à cause de l'irrégularité du flux de sortie dans la section de la tuyère du fait de la composante axiale des jets se dirigeant à la rencontre les uns des autres, cette composante étant soumise à des oscillations après l'impact mutuel des jets et le changement de direction du flux qui en résulte. L'invention vise à proposer un procédé d'obtention d'une poussée à vecteur réglable dans une tuyère entièrement réglable, ainsi qu'une tuyère, qui permettraient de réduire les pertes aérodynamiques et d'élargir les capacités fonctionnelles en augmentant l'angle de déviation du vecteur de poussée tout en diminuant les efforts de commande assurant le déplacement et la déviation du corps central de la tuyère. Conformément à l'invention, le problème posé est résolu du fait que, pour produire une poussée, on forme un flux axial annulaire de produits gazeux de combustion arrivant d'une chambre de combustion à une pression différentielle supercritique, on accélère dans une tuyère annulaire à sortie en forme de fente (c'est à dire formant un passage annulaire étroit), le flux sous forme de jets radiaux dirigés à la rencontre les uns des autres depuis la section contractée (c'est à dire en convergent- divergent) de la tuyère le long de la surface plane de la base aval d'un corps central et par les lèvres de sortie d'une enveloppe qui entoure le corps central, ces jets, en se rencontrant, formant une zone de freinage délimitée par la surface plane de la base du corps central, après quoi le flux change de direction et s'écoule dans le milieu environnant dans la direction axiale, et qu'on effectue le réglage du module (de la valeur) de la poussée en faisant varier le débit du flux radial et axial, ce qui est obtenu par variation du rapport entre l'aire effective de la zone de freinage, définie comme étant la partie de la surface de la base du corps central délimitée par la projection de la section contractée de la tuyère, et l'aire de la section contractée, par déplacement radial et axial des lèvres de sortie profilées de l'enveloppe qui entoure le corps central, en formant avec ce dernier un passage annulaire radial à section contractée en convergent-divergent, et on fait varier la direction du vecteur poussée en déviant le vecteur vitesse du flux de sortie lors de son écoulement dans le milieu environnant par déviation de la surface plane de la base aval du corps central par rapport à sa position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère. Le problème posé est aussi résolu du fait que dans une tuyère de poussée mettant en oeuvre le procédé revendiqué, et comportant: un carter, un corps central disposé à l'intérieur de ce dernier, une enveloppe entourant le corps central en formant avec celuici un passage annulaire, des lèvres de sortie de l'enveloppe formant avec la base aval du corps central dans le passage annulaire une partie à section contractée en convergent-divergent d'orientation radiale et à sortie axiale, selon l'invention, le corps central est muni d'une base aval plane qui est susceptible d'être déviée par rapport à la position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère, l'enveloppe comportant des lèvres de sortie profilées et étant montée sur le carter5 de façon à permettre le déplacement axial de ces lèvres, ce déplacement assurant la variation de l'aire de la section contractée de la tuyère. Il est souhaitable, pour le réglage de la valeur (du module) de la poussée, de réaliser les lèvres profilées de sortie de l'enveloppe de la tuyère reliées à des moyens d'actionnement aptes à assurer leur déplacement radial, ce qui permet de faire varier les paramètres de la zone de freinage, et en premier lieu, la surface effective de la zone de freinage. Il est avantageux que le corps central soit constitué de plusieurs (au moins deux) éléments séparés en forme de secteur et à base plane, fixés à des moyens d'articulation et reliés entre eux par l'intermédiaire de moyens d'actionnement. Selon un autre mode de réalisation, l'enveloppe de la tuyère est reliée à des moyens de commande autonome de déplacement axial comprenant au moins un vérin hydraulique relié mécaniquement à l'enveloppe. Selon encore un autre mode de réalisation, le corps central de la tuyère comporte des moyens d'actionnements autonomes aptes à faire dévier sa base aval plane par rapport à la position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère. En outre, il est souhaitable que l'enveloppe de la tuyère soit réalisée pivotante par rapport au carter et soit reliée au carter par des moyens d'articulation à rotule équipés de moyens d'actionnement de l'un des éléments de la rotule par rapport à l'autre élément de la rotule. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 représente schématiquement la formation de jets dirigés à la rencontre les uns des autres dans le sens radial, le long de la surface plane de la base du corps central, dans une tuyère de révolution, pour5 illustrer le processus de réalisation du procédé d'obtention de poussée selon l'invention; - la figure 2 représente la vue selon la flèche A, de la figure 1; - la figure 3 est une épure de répartition de la pression sur la surface plane de la base du corps central au cours de la mise en oeuvre du procédé d'obtention de poussée, selon la figure 1; - la figure 4 représente une tuyère de révolution comportant un corps central à base aval plane et une enveloppe susceptible de se déplacer axialement; - la figure 5 représente schématiquement une tuyère plane dont les lèvres de sortie de l'enveloppe sont réalisées de manière à permettre leur déplacement radial parallèlement à la surface plane de la base du corps central; - la figure 6 représente schématiquement une tuyère comprenant un corps central à base plane et réalisé de manière à pouvoir faire dévier transversalement cette base; la figure 7 représente une variante de mode de réalisation de la tuyère, sur l'enveloppe de laquelle est montée une rotule et dont le corps central est constitué d'éléments séparés en forme de secteurs reliés entre eux par des moyens d'actionnement. Le procédé d'obtention de poussée est mis en oeuvre de la manière suivante. Les produits gazeux résultant de la combustion, réalisée par exemple dans une chambre de combustion, arrivent par un canal de gaz dans une tuyère annulaire à pression différentielle supercritique (susceptible d'engendrer des écoulements supersoniques), dans laquelle ces produits gazeux subissent une accélération jusqu'à une vitesse subsonique en s'écoulant autour du corps central selon une direction axiale. Ensuite, les produits de combustion gazeux, en se déplaçant sous forme de jets radiaux dirigés à la rencontre les uns des autres le long de la surface plane de la base aval du corps central, accélèrent jusqu'à une vitesse supersonique et se dirigent vers une zone "de freinage" o, sans se heurter directement, ils changent de direction, se réunissent en un seul flux axial, puis s'écoulent dans le milieu environnant sous la forme d'un flux ou d'un jet axial. Dans ces conditions, l'effet de freinage par jets est réalisé dans les jets radiaux allant à la rencontre les uns des autres, ce qui favorise la croissance de la pression sur la surface plane de la base du corps central depuis une valeur Pkp dans la section contractée de la tuyère jusqu'à une pression P'o= KPo, proche de la valeur totale Po de la pression des produits de combustion gazeux à l'entrée de la tuyère o le facteur k caractérisant le taux de restitution de la pression totale se situe entre 0,7 et 0,9. Le schéma de la formation des jets radiaux dirigés à la rencontre les uns des autres et de la zone de freinage lors de l'écoulement autour du corps central 1 à surface plane sur sa base 2, est représenté sur les figures 1 et 2. Le graphique de la répartition de la pression sur la surface plane de la base 2 du corps central 1 est représenté sur la figure 3. La valeur de la poussée est déterminée dans ce cas par la relation: R = fP(S)dS o: R est la valeur de la poussée; P(S) est la répartition de la pression sur la surface de freinage effective, définie comme étant la partie de la surface de la base du corps central délimitée par la projection axiale de la section contractée de la tuyère, c'est à dire de la section minimale du passage en convergent-divergent d'orientation radia le. La section contractée de la tuyère est, dans ce cas, une surface cylindrique d'aire Skp, dont la directrice est la ligne séparant la surface interne des lèvres de sortie de l'enveloppe entourant la tuyère du plan tangent 5 passant parallèlement à la surface de la base du corps central. En faisant varier le profil du canal d'écoulement de la tuyère en déplaçant le corps central 1, on peut régler, indépendamment l'une de l'autre, la valeur de l'aire effective de la zone de freinage S, tout comme l'aire de la section contractée Skp, et par conséquent, le rapport des surfaces S/Skp, qui peut varier entre les valeurs 3 et 15. Dans ces conditions, il se produit une variation du débit ainsi que de la vitesse du flux radial et/ou de la vitesse du flux axial de sortie, ces variations étant indépendantes l'une de l'autre et déterminant la répartition de la pression P(S) dans la zone de freinage, et respectivement, la valeur de la poussée R. Pour piloter le vecteur poussée, on effectue une déviation de la surface plane de la base aval du corps central par rapport à sa position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère. Il se produit alors un changement de direction effectif du flux de gaz sortant de la tuyère, et partant, du vecteur poussée qui est constitué par la somme des forces de pression normales à la surface plane de la base du corps central, sans que les caractéristiques aérodynamiques de la tuyère ne se dégradent ni qu' augmente la résistance hydraulique interne de la veine fluide. Ce processus est accompagné d'une modification insignifiante de la répartition du débit des produits gazeux constituant le flux axial sortant de la tuyère dans le milieu environnant à travers la partie supérieure et la partie inférieure de la tuyère. Par exemple, lorsque le vecteur de poussée se dirige vers le bas, il se produit une légère augmentation de la part du débit de gaz s'écoulant à travers la partie inférieure de la tuyère et une diminution correspondante de la part du débit s'écoulant à travers la partie supérieure de la tuyère, ce qui a pour résultat un changement supplémentaire de la direction du flux gazeux et une5 croissance de la portance résultante, sans variation sensible de la résistance extérieure et sans perte de poussée dans la tuyère. Le procédé d'obtention de la poussée selon la présente invention peut être réalisé en utilisant une tuyère entièrement réglable, telle que représentée sur les figures 4 à 7. Sur la figure 4, on a représenté une tuyère de révolution comportant un corps central 1 dont la base aval 2 est plane et perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère. La tuyère comporte un carter 3 qui forme, avec le corps central, 1 un canal annulaire 4. Une enveloppe 5 est montée sur le carter 3 de la tuyère, de manière à pouvoir être déplacée. Les lèvres de sortie 6 de l'enveloppe 5 forment, avec la surface plane de la base 2, un passage radial 7, à section contractée en convergent- divergent et se transformant en un passage axial de sortie 8. L'enveloppe 5 possède des moyens d'actionnement ou de commande autonomes comprenant un vérin hydraulique 9 et une liaison cinématique 10 permettant un déplacement axial. Les lignes en traits mixtes sur la figure 4 représentant la position des lèvres de sortie 6 correspondant à l'augmentation de la section contractée Skp de la tuyère, cette augmentation étant obtenue par déplacement axial de l'enveloppe 5 et ayant pour résultat la variation du rapport S/Skp et de la valeur de la poussée R. La tuyère est reliée par un canal de gaz à un groupe turbocompresseur 11 (représenté de façon très fragmentaire à la figure 4), apte à assurer une pression différentielle supercritique (permettant des vitesses supersoniques) au flux gazeux dans la tuyère. La figure 5 représente schématiquement une tuyère à fond plat munie d'un corps central 12 à base aval plane 13. La tuyère est dotée d'une enveloppe comportant deux volets profilés 14 montés sur le carter 15 de la tuyère de manière à pouvoir se déplacer radialement et parallèlement à la surface plane de base 13 et couplés5 entre eux par des moyens d'actionnement comprenant un vérin hydraulique 16 et une liaison cinématique 17. Lors du déplacement des volets 14, par exemple vers la position représentée en tirets, il se produit une diminution de l'aire effective S de la zone de freinage,10 ce qui diminue, respectivement, le rapport S/Skp et la valeur de la poussée R. Sur la figure 6, on peut voir une tuyère de révolution renfermant un corps central 18. Le corps central 18 est monté articulé sur un pivot 19, de manière à permettre de faire dévier la base plane 20 par rapport à sa position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère, par l'intermédiaire de vérins hydraulique 21, ce qui permet de faire varier la direction du vecteur poussée. Le carter 22 de la tuyère et une enveloppe 23 montée à l'intérieur et qui entoure le corps central 18, peuvent être couplés l'un à l'autre, par exemple par une articulation à rotule. La figure 7 représente une tuyère de révolution à corps central et dans laquelle le corps central est constitué de deux éléments distincts en forme de secteurs 24, couplés l'un à l'autre par des moyens d'actionnement constitués ici par exemple par un vérin hydraulique 25. L'enveloppe 26 de la tuyère est montée sur le carter 27 par une articulation à rotule et est dotée de moyens d'actionnement commandés comportant des vérins hydrauliques 28 qui assurent le déplacement longitudinal de l'enveveloppe 26 mais aussi son pivotement par rapport à l'axe longitudinal de la tuyère, ce qui provoque un changement de direction du flux gazeux sortant et donc un changement de la direction du vecteur poussée. Les éléments 24 constituent le corps central et sont montés sur un pivot 29 de manière à pouvoir pivoter conjointement avec l'enveloppe 26 et ils peuvent faire ainsi varier la position de la base 30 par rapport aux lèvres de sortie 6 de l'enveloppe 26 (comme cela est représenté en traits mixtes), ce qui permet de faire varier l'aire de la section contractée Skp et, respectivement, la valeur de la poussée R lorsque les éléments distincts 24 sont disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la tuyère, et d'augmenter l'effet de déviation du vecteur poussée lorsque les éléments distincts 24 sont disposés de façon asymétrique. Les avantages de l'invention proposée se manifestant de la façon la plus évidente lorsqu'on applique la présente invention à la construction des appareils volants perfectionnés à haute performance de vitesse et présentant une maniabilité améliorée grâce à l'utilisation pour le pilotage du vecteur poussée d'un corps central de tuyère présentant une base aval plane, que l'on peut faire dévier par rapport à la perpendiculaire à l'axe de la tuyère, ce qui assure une amélioration des caractéristiquese en décollage- atterissage vertical, ainsi qu'une amélioration des performances en vol des aéronefs dans des conditions de manoeuvres de combat et surtout sous de grands angles d'attaque. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. il REVENDICATIONS 1.- Procédé d'obtention de poussée par un jet de fluide consistant à former un flux axial annulaire de produits de combustion gazeux arrivant d'une chambre de combustion à une pression différentielle supercritique et à accélérer ce flux dans une tuyère annulaire à corps central et à sortie en forme de passage annulaire étroit pour forme des jets radiaux dirigés à la rencontre les uns des autres depuis la section contractée (en convergent-divergent), formée dans le passage annulaire étroit entre la surface de la base aval du corps central et les lèvres de sortie d'une enveloppe qui entoure le corps central, vers une zone de freinage, puis à faire s'écouler le flux en direction axiale dans le milieu environnant, caractérisé en ce que qu'on dirige les jets radiaux le long de la surface plane de la base aval du corps central en réglant la valeur de la poussée obtenue par variation du débit du flux axial et radial en faisant varier le rapport entre l'aire effective de la zone de freinage, définie comme étant la partie de la surface de la base du corps central délimitée par la projection de la section contractée de la tuyère, et l'aire de la section contractée de la tuyère, et on fait varier la direction du vecteur poussée par déviation de la surface plane de la base aval du corps central par rapport à sa position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère. 2.- Tuyère de poussée comportant: un carter, un corps central disposé à l'intérieur du carter, une enveloppe entourant le corps central en formant avec ce dernier un passage annulaire, des lèvres de sortie de l'enveloppe délimitant avec la base aval du corps central dans le passage annulaire une partie à section contractée en convergent-divergent d'orientation radiale et à sortie axiale, caractérisée en ce que la base aval (2, 13, 20, ) du corps central (1, 18) est plane et est montée de manière à pouvoir être déviée par rapport à sa position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère, l'enveloppe (5, 14, 23, 26) étant dotée de lèvres de sortie profilées (6) et étant montée sur le carter (3, 15, 22, 27) de manière à permettre le déplacement axial de ces lèvres (6), ce déplacement assurant la variation de l'aire de la section contractée (7) de la tuyère. 3.- Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce que les lèvres de sortie (6) de l'enveloppe (5) sont reliées à des moyens d'actionnement (16) aptes à assurer leur déplacement radial. 4.- Tuyère selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le corps central est constitué de plusieurs éléments en forme de secteurs (24) et à base plane (30), fixés à des moyens d'articulation (29), et reliés entre eux par l'intermédiaire de moyens d'actionnement (25). 5.- Tuyère selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que l'enveloppe (26) est reliée à des moyens de commande de déplacement axial comprenant au moins un vérin hydraulique (28) relié mécaniquement à l'enveloppe. 6.- Tuyère selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisée en ce que le corps central (18) est doté de moyens d'actionnement autonomes (21) aptes à faire dévier sa base aval plane (20) par rapport à la position perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère. 7.- Tuyère selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisée en ce que l'enveloppe (23, 26) est réalisée pivotante et est reliée au carter (22, 27) par des moyens d'articulation à rotule équipés de moyens d'actionnement (28) de l'un (23, 26) des éléments de la rotule par rapport à l'autre élément (22, 27) de la rotule solidaire du carter.