Brevet FR2731471A1 — publié le 19960913

MOTEUR-FUSEE A PROPERGOL SOLIDE AVEC CHARGES PROPULSIVES A COMBUSTION EXTERIEURE ET A COMBUSTION INTERIEURE L'invention se rapporte à un moteur-fusée à propergol solide comprenant une chambre de combustion, au moins une tuyère de poussée à l'extrémité aval de la chambre de combustion et une ou plusieurs charges propulsives disposées dans la chambre de combustion, dont au moins l'une se compose de deux parties dont l'une est à combustion intérieure et l'autre à combustion extérieure, laquelle partie de charge à combustion extérieure est reliée à une structure de support, présente une section transversale variant sur sa longueur, est disposée au moins en majeure partie dans l'espace intérieur de forme complémentaire de la partie de charge à combustion intérieure, et est mobile en translation axiale par rapport à cette dernière, une barrière thermique étant disposée à l'extrémité, côté tuyère, de la charge propulsive divisée en deux. Un tel moteur-fusée est décrit par exemple dans le brevet US n 3 349 565. Ce moteur-fusée présente une charge propulsive à propergol solide divisée en deux, en vue de la régulation de poussée ou du maintien constant de la poussée. La partie de charge à combustion extérieure est disposée, avec un interstice périphérique, sans contact essentiellement à l'intérieur de la partie de charge à combustion intérieure, de sorte qu'il existe déjà, avant l'allumage, un canal d'écoulement défini entre les deux parties. Les surfaces frontales, côté tuyère, des deux parties de charge propulsive sont situées d'abord dans un plan et sont recouvertes d'une barrière thermique en forme de disque occupant toute la section transversale de la chambre de combustion. La partie de charge à combustion extérieure qui est de forme tronconique et qui s'effile en direction de la tuyère est maintenue par une structure de support axialement mobile qui se raccorde, en avant du dôme de la chambre de combustion, à un ensemble piston-cylindre susceptible d'être actionné par différence de pression de gaz. Avec la progression de la combustion des deux parties de charge propulsive, la partie de charge à combustion extérieure, mobile, est avancée en direction de la tuyère, de manière que les conditions de combustion dans le canal d'écoulement entre les deux parties de charge propulsive sont de préférence maintenues à peu près constantes. Comme cela est connu, l'intensité de la combustion sur des surfaces voisines de la charge propulsive peut être accrue par la réduction de la distance réciproque de ses surfaces, ce qui entraîne une intensification des phénomènes d'érosion dans l'interstice. Il en résulte une augmentation locale de la vitesse de combustion, du débit de propergol, de la pression dans la chambre de combustion et finalement de la poussée. Inversement, une augmentation de la distance entre les surfaces de combustion provoque finalement une réduction de la poussée. Selon le brevet US précité, la différence entre la pression dans la chambre de combustion et une pression de référence est utilisée pour produire le mouvement d'avancement recherché. En vue de l'adaptation au débit de propergol qui diminue avec l'accroissement de la durée de combustion, on réduit ici en supplément la section de la tuyère en faisant pénétrer l'extrémité en forme de broche de la structure de support de la partie de charge à combustion extérieure de façon croissante dans la tuyère. La solution décrite peut sembler extrêmement ayantageuse dans la théorie, mais dans la pratique, il faut s'attendre à des problèmes de fiabilité importants qui risquent finalement de conduire à l'échec du concept. Il est très difficile de maintenir des composants, qui pénètrent ou sont disposés dans la chambre de combustion, mobiles pendant une durée prolongée compte tenu des conditions de fonctionnement régnant à cet endroit. Les températures, pressions et accélérations extrêmement élevées rendent souvent très rapidement incapables de fonctionner les guidages, étanchéités etc. A cela s'ajoute que la combustion de propergol solide dégage souvent des particules liquides extrêmement adhérentes. Ces particules ont tendance à se déposer sur les surfaces avec lesquelles elles entrent en contact et à bloquer ainsi des parties mobiles, à réduire ou obstruer des ouvertures ou canaux d'écoulement, etc. Cela risque donc de mettre en cause le fonctionnement correct du mécanisme de déplacement décrit de la charge propulsive. Un autre problème devrait résider dans la suspension relativement souple de la partie de charge propulsive à combustion extérieure. La structure de support en porte-à-faux pour la partie centrale, le cas échéant très lourde, de la charge propulsive réduit considéra- blement la capacité de charge mécanique du moteur-fusée, en particulier en direction transversale. En outre, il ne devrait par exemple pratiquement pas être possible de tirer à partir de canons des projectiles équipés de tels moteurs- fusées étant donné que la capacité de charge axiale est faible en raison de l'absence d'appui suffisant des deux parties de la charge propulsive. Si la charge propulsive divisée en deux constituait une charge propulsive secondaire, cette dernière ne devrait pas être exposée à de fortes accélérations transversales, pendant la phase de fonctionnement de la charge propulsive primaire, ce qui réduirait la capacité de manoeuvre du projectile en question. Il y aurait également un risque de destruction de la barrière thermique et donc d'un allumage intempestif de la charge propulsive secondaire. Partant de cette solution connue et de ses inconvénients spécifiques, le but de la présente invention est de réaliser un moteur-fusée à propergol solide comprenant au moins une charge propulsive divisée en deux en configuration charges partielles à combustion extérieure/à combustion intérieure avec une charge partielle à combustion extérieure mobile, ce moteur-fusée pouvant être conçu pour fonctionnement à impulsion simple et à impulsions multiples, résistant au moins à l'état inactif de la charge propulsive divisée en deux à des sollicitations mécaniques élevées, évitant avec certitude un allumage intempestif de la charge propulsive divisée en deux et se distinguant par un fonctionnement simple et une grande fiabilité. Ce but est atteint, selon l'invention, dans le cas d'un moteur-fusée du type défini en préambule par le fait que la partie de charge à combustion extérieure est ajustée sans interstice dans la partie de charge à combustion intérieure, que le contour fermé défini par les surfaces de contact des deux parties de charge propulsive enveloppe une section transversale qui va en augmentant depuis l'extrémité avant de la charge propulsive vers l'extrémité arrière de la charge propulsive, côté tuyère, et que la partie de charge à combustion extérieure est déplaçable d'une position antérieure inactive, dans laquelle elle est en complémentarité de forme avec la partie de charge à combustion intérieure, à une position postérieure active dans laquelle un interstice d'écoulement défini est formé entre les surfaces de contact des parties de charge propulsive. Les parties à combustion extérieure et à combustion intérieure de la charge propulsive divisée en deux sont ajustées l'une dans l'autre avec une précision telle qu'à l'état inactif, auquel elles sont en complémentarité de forme, elles constituent un bloc de propergol compact, exempt de jeu et d'interstice, lequel est capable de résister également aux sollicitations intervenant lors du tir par un canon ainsi que lors de manoeuvres de vol extrêmes. L'allure du contour des surfaces de contact est choisie de manière que la partie de charge à combustion extérieure puisse être déplacée vers l'arrière, c'est-à- dire vers la tuyère, en sortant de la partie de charge à combustion intérieure. Ainsi, à l'état inactif, la partie de charge à combustion extérieure peut s'étendre vers l'avant de manière que son côté antérieur porte contre le côté frontal de la chambre de combustion (comme la partie de charge à combustion intérieure qui est installée en position fixe), ce qui est favorable pour l'utilisation du volume disponible et pour l'appui. La partie de charge à combustion extérieure n'est déplacée qu'une seule fois axialement par rapport à la partie de charge intérieure. Ce mouvement relatif a lieu peu avant ou lors de l'allumage de la charge propulsive, jusqu'à une position extrême arrière définie. Une limitation ultérieure de la mobilité de la structure de support, par exemple par déformation ou par des dépôts, n'a pas de conséquences du fait que la partie de charge à combustion extérieure doit alors de toute manière rester rigidement dans sa position extrême. Suivant un mode de réalisation, deux charges propulsives sont disposées l'une derrière l'autre dans la chambre de combustion du moteur-fusée, la charge propulsive primaire postérieure, proche de la tuyère, devant être allumée la première, est réalisée d'une seule pièce en tant que charge à combustion intérieure et la charge propulsive secondaire antérieure, devant être allumée plus tard, est réalisée en deux parties avec une partie de charge à combustion intérieure, une partie de charge à combustion extérieure et une barrière thermique. Suivant un autre mode de réalisation, une seule charge propulsive en deux parties est disposée dans la chambre de combustion, cette charge comprenant une partie de charge à combustion extérieure, une partie de charge à combustion intérieure et une barrière thermique, le moteur- fusée fait partie d'un projectile devant être tiré à partir de canons et sa chambre de combustion est ouverte en direction de la charge propulsive du canon, c'est-à-dire ne présente pas de fermeture de tuyère ou analogue. La partie de charge à combustion extérieure de la charge propulsive en deux parties est réalisée sous forme d'une structure en forme de tronc de cône circulaire. La partie de charge à combustion intérieure de la charge propulsive en deux parties peut être directement fixée dans la chambre de combustion, par exemple en étant coulée et durcie dans cette chambre, ou être encartouchée et être fixée indirectement dans la chambre de combustion par l'intermédiaire de la paroi de cartouche. La partie de charge à combustion extérieure de la charge propulsive en deux parties peut, en vue de l'obtention d'une liaison amovible par complémentarité de forme, être coulée et durcie dans la partie de charge à combustion intérieure. Avantageusement, les faces frontales, côté tuyère, des deux parties de la charge propulsive en deux parties forment, dans la position inactive antérieure de la partie de charge à combustion extérieure, une surface d'appui sans gradin et sans interstice pour la barrière thermique, et la barrière thermique présente une zone de rupture correspondant à l'allure de la ligne de séparation entre la partie de charge à combustion intérieure et la partie de charge à combustion extérieure, sur la face frontale, côté tuyère, de la charge propulsive. La structure de support de la partie de charge à combustion extérieure de la charge propulsive en deux parties peut être composée d'au moins deux tubes pouvant être dégagés l'un de l'autre suivant un mouvement télescopique d'amplitude limitée, l'un de ces tubes étant reliés rigidement à la paroi frontale de la chambre de combustion et l'autre rigidement à la partie de charge à combustion extérieure. La structure de support peut recevoir l'allumeur de la charge propulsive en deux parties et, le cas échéant, également l'allumeur d'une autre charge propulsive disposée en aval de la charge propulsive divisée en deux. Avantageusement, la partie de charge à combustion extérieure et/ou sa structure de support est soutenue radialement à l'extrémité, côté tuyère, dans la chambre de combustion. L'invention sera décrite plus en détail ci-après avec référence aux dessins qui sont fortement simplifiés et ne sont pas à l'échelle; sur ces dessins: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un moteur-fusée à propergol solide comprenant une charge propulsive primaire en une seule partie et une charge propulsive seconde divisée en deux; la figure 2 est une coupe longitudinale comparable après combustion de la charge propulsive primaire, lors de l'activation de la charge propulsive secondaire. Tel qu'illustré, un moteur-fusée 1 à propergol solide comprend essentiellement une chambre de combustion 2 contenant deux charges propulsives, et une tuyère de poussée 4 reliée à cette chambre. A son extrémité antérieure, opposée à la tuyère de poussée 4, la chambre de combustion 2 est obturée au moyen d'une paroi frontale 3. La charge propulsive primaire 5 qui est proche de la tuyère et qui doit être allumée en premier est réalisée d'une seule pièce en tant que charge à combustion intérieure ou charge à combustion frontale/intérieure. Comme indiqué sur la figure 1, le canal d'écoulement central de cette charge peut présenter un contour étoilé, ce qui permet d'accroître sa surface intérieure. Ses surfaces frontales peuvent être munies de revêtements inhibiteurs ou retardateurs de combustion (non représentés). La charge propulsive primaire est utilisée essentiellement pour la phase de lancement et d'accélération (première phase de poussée) de l'engin équipé et développe normalement une poussée sensiblement plus élevée, par exemple trois fois plus élevée, que la charge propulsive secondaire 6. Pour le vol de croisière (deuxième phase de poussée) de l'engin non représenté, il est prévu une charge propulsive secondaire 6 qui fournit une poussée plus faible pendant une durée de combustion généralement nettement plus longue. Pendant la première phase de poussée, une barrière thermique 16 appliquée contre la face frontale postérieure de la charge propulsive secondaire 6 protège cette dernière contre un allumage prématuré intempestif. La charge propulsive secondaire 6 se compose de deux parties emboîtées par complémentarité de forme, à savoir une partie à combustion intérieure 7 et une partie à combustion extérieure 8 dont les surfaces de contact 9, 10 définissent un contour allant en divergeant en tronc de cône circulaire de l'avant vers l'arrière. Sur la figure 1, les surfaces de contact 9, 10 sont représentées, du fait de l'absence d'interstice, respectivement sous la forme d'une ligne de coupe rectiligne identique au-dessus et en dessous de l'axe central du moteur-fusée. Les surfaces de contact peuvent, en coupe longitudinale, également présenter une allure incurvée ou une allure par endroits rectiligne et par endroits incurvée. L'invention implique uniquement une augmentation de section continue de l'extrémité avant vers l'extrémité arrière de la charge propulsive. En variante de la forme circulaire simple, les surfaces de contact peuvent, en coupe transversale, avoir également par exemple des formes régulièrement dentelées ou ondulées. Ce qui importe dans tous les cas est qu'il y ait une absence la plus complète possible d'interstice entre les deux parties afin que la charge propulsive se comporte comme un bloc homogène et supporte des sollicitations mécaniques. Du point de vue fabrication, il est avantageux à ce sujet que la partie de charge à combustion intérieure 7 soit coulée dans la structure de chambre de combustion et que la partie de charge à combustion extérieure 8 soit également coulée dans la partie de charge à combustion intérieure déjà durcie. Toutefois, l'adhérence entre les deux parties de charge propulsive doit être réduite de manière à permettre par la suite, sans problème, une séparation (lors de l'activation). Le cas échéant, il est possible d'utiliser des couches appropriées d'agents de séparation. En vue de son appui, en position active, ainsi qu'en vue de son guidage lors de son mouvement de déplacement axial, la partie de charge à combustion extérieure 8 nécessite une structure de support 12 médiane, reliée à la paroi frontale 3 de la chambre de combustion. Dans le cas présent, cette structure se compose d'un tube 13 de diamètre réduit, relié rigidement à la paroi frontale 3 de la chambre de combustion, ainsi que d'un tube 14 de plus grand diamètre, mobile axialement sur une course limitée sur le tube 13 et relié à la partie de charge à combustion extérieure 8. Pour la position active illustrée par la figure 2, la structure de support 12 doit présenter si possible un verrouillage par complémentarité de forme (non représenté) afin d'exclure des mouvements axiaux intempestifs. L'allumeur pour la charge propulsive 6 est de préférence intégré à la structure de support 12 de sorte que sa pression de gaz peut également assurer le mouvement de dégagement de la partie de charge à combustion extérieure 8. A l'extrémité antérieure du tube 13 (qui n'est représenté que partiellement) se trouvent des ouvertures 15 par lesquelles les gaz chauds de l'allumeur peuvent parvenir entre les parties de la charge propulsive et assurer leur allumage. Il convient de remarquer que la structure de support 12 peut recevoir également l'allumeur pour la charge propulsive primaire 5 à son extrémité postérieure. De la même manière, des appuis radiaux (non représentés) peuvent, à l'extrémité postérieure de la structure de support, mener vers la paroi de la chambre de combustion, ce qui permet d'accroître encore considérablement la capacité de charge radiale de la charge propulsive à l'état activé. Cela est avantageux particulièrement pour des engins volants très maniables pouvant exécuter des changements de direction abrupts. En vue d'obtenir une séparation sans problème des parties 7, 8 de la charge propulsive lors de l'activation, la barrière thermique 16 est de préférence pourvue d'une zone destinée à la rupture (non représentée en détail). La fixation conforme à l'invention de la partie de charge 8 à combustion extérieure en position active fait que l'interstice d'écoulement 11 initialement étroit devient de plus en plus large au fur et à mesure que la durée de combustion progresse, de sorte que la vitesse de combustion qui est conditionnée par l'effet d'érosion diminue progressivement. Cet effet doit être pris en considération lors de l'étude de missions pour l'engin volant équipé de ce moteur-fusée. En résumé, l'invention procure, dans le cas de moteurs-fusées à propergol solide comprenant au moins une charge propulsive divisée en deux, une capacité de charge mécanique élevée, une grande sécurité et fiabilité ainsi qu'un comportement de combustion favorable et calculable, cela par mise en oeuvre de moyens de construction et de fabrication réduits. REVENDICATIONS 1. Moteur-fusée à propergol solide comprenant une chambre de combustion, au moins une tuyère de poussée à l'extrémité aval de la chambre de combustion, une ou plusieurs charges propulsives disposées dans la chambre de combustion, dont l'une au moins se compose de deux parties parmi lesquelles une partie réalisée sous forme de charge à combustion intérieure et l'autre sous forme de charge à combustion extérieure, laquelle partie de charge à combustion extérieure est reliée à une structure de support, présente une section qui varie sur sa longueur, est disposée au moins en majeure partie dans l'espace intérieur de forme complémentaire de la partie de charge à combustion intérieure et est déplaçable en translation axiale par rapport à cette dernière, une barrière thermique étant disposée à l'extrémité, côté tuyère, de la charge propulsive divisée en deux, caractérisé par le fait que la partie de charge (8) à combustion extérieure est ajustée sans interstice dans la partie de charge (7) à combustion intérieure, que le contour fermé défini par les surfaces de contact (9, 10) des deux parties de charge propulsive (7, 8) entoure une section transversale allant en augmentant depuis l'extrémité antérieure de la charge propulsive vers l'extrémité postérieure, côté tuyère, de la charge propulsive, et que la partie de charge (8) à combustion extérieure est mobile d'une position antérieure inactive, dans laquelle il y a complémentarité de forme avec la partie de charge (7) à combustion intérieure, à une position postérieure, active, dans laquelle un interstice d'écoulement (11) défini est établi entre les surfaces de contact (9, 10) des parties (7, 8) de la charge propulsive. 2. Moteur-fusée suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que deux charges propulsives (5, 6) sont disposées l'une derrière l'autre dans sa chambre de combustion (2), que la charge propulsive primaire (5) postérieure, proche de la tuyère, devant être allumée en premier, est réalisée d'une seule pièce en tant que charge à combustion intérieure, et que la charge propulsive secondaire (6) antérieure, devant être allumée plus tard, est réalisée en deux parties avec une partie de charge à combustion intérieure (7), une partie de charge à combustion extérieure (8) et une barrière thermique (16). 3. Moteur-fusée suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une seule charge propulsive en deux parties, comprenant une partie de charge à combustion extérieure, une partie de charge à combustion intérieure et une barrière thermique, est disposée dans sa chambre de combustion, que le moteur-fusée fait partie d'un engin volant à tirer à partir de canons, et que sa chambre de combustion est ouverte, c'est-à-dire ne comporte pas d'obturateur de tuyère ou analogue vers la charge propulsive du canon. 4. Moteur-fusée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la partie de charge à combustion extérieure (8) de la charge propulsive (6) divisée en deux est réalisée sous la forme d'une structure en tronc de cône circulaire. 5. Moteur-fusée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la partie de charge à combustion intérieure (7) de la charge propulsive (6) divisée en deux est directement fixée dans la chambre de combustion (2), c'est-à-dire est coulée et durcie dans cette dernière, ou est encartouchée et est fixée par la paroi de cartouche indirectement dans la chambre de combustion. 6. Moteur-fusée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la partie de charge à combustion extérieure (8) de la charge propulsive (6) divisée en deux est coulée et durcie dans la partie de charge à combustion intérieure (7) avec établissement d'une liaison amovible par complémentarité de forme. 7. Moteur-fusée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les surfaces frontales, côté tuyère, des deux parties de charge propulsives (7, 8) de la charge propulsive (6) divisée en deux forment, dans la position antérieure inactive de la partie de charge à combustion extérieure (8), une surface d'appui sans gradin et sans interstice pour la barrière thermique, et que la barrière thermique (16) présente une zone de rupture correspondant à l'allure des lignes de séparation entre la partie de charge à combustion intérieure (7) et la partie de charge à combustion extérieure (8), sur la surface frontale, côté tuyère, de la charge propulsive. 8. Moteur-fusée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la structure de support (12) de la partie de charge à combustion extérieure (8) de la charge propulsive (6) divisée en deux comprend au moins deux tubes (13, 14) emboîtés, pouvant être dégagés télescopiquement sur une course limitée, l'un (13) de ces tubes étant relié rigidement à la paroi frontale (3) de la chambre de combustion et l'autre (14) rigidement à la partie de charge à combustion extérieure (8). 9. Moteur-fusée suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que la structure de support (12) reçoit l'allumeur de la charge propulsive (6) subdivisée en deux et, le cas échéant, également l'allumeur d'une autre charge propulsive (5) disposée en aval de la charge propulsive (6) divisée en deux. 10. Moteur-fusée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la partie de charge à combustion extérieure et/ou sa structure de support présente un appui radial à l'extrémité, côté tuyère, dans la chambre de combustion.