Brevet FR2740106A1 — publié le 19970425

i La présente invention se rapporte au pilotage d'engins spatiaux par vannage de gaz, et plus particulièrement à un dispositif du type comprenant une tuyère, une canalisation d'alimentation en gaz, une vanne avec un siège et un pointeau interposée entre la canalisation d'alimentation et la tuyère, et des moyens de commande d'ouverture ou de fermeture de la vanne afin de faire communiquer ou non la canalisation d'alimentation avec la tuyère. Il est bien connu de contrôler la trajectoire d'un engin spatial par commande sélective de l'éjection de gaz à travers des tuyères de pilotage réparties sur le corps de l'engin spatial. Les gaz sont généralement des gaz chauds produits par un générateur de gaz à propergol solide. De façon habituelle, le débit de gaz vers chaque tuyère est commandé par une vanne principale ayant un pointeau mobile par rapport à un siège fixe. Le pointeau est mû par un actionneur, par exemple électrique, électropneumatique ou hydraulique. La précision de pilotage de l'engin spatial requiert des temps de réaction très brefs, donc des actionneurs relativement puissants au regard de la pression des gaz. En outre, les gaz ont une température très élevée, notamment lorsque le générateur a une forte impulsion spécifique, ce qui impose une isolation efficace de l'actionneur par rapport au gaz. Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser un pointeau muni d'une tige de commande suffisamment résistante pour transmettre l'effort produit par l'actionneur et suffisamment longue pour isoler thermiquement celui-ci du pointeau. Il en résulte une architecture complexe et un encombrement relativement important du système de commande de la vanne, même lorsque l'on utilise des matériaux composites thermostructuraux tels que des matériaux composites carbone-carbone pour le pointeau et sa tige de commande, comme préconisé dans l'article de J.F. Sevellec intitulé "Development and Testing of Carbon/Carbon Valves and Tubings for Hot Gas Flow Control", AIAA/SAE/ASME/ASEE 23rd Joint Propulsion Conference June 29-July 2, 1987/San Diego, Califomia. Or, il est souhaitable que des systèmes de vannage de gaz pour le pilotage d'engins spatiaux soient aussi simples et compacts que possible, dans un souci de fiabilité et de limitation de l'encombrement et de la masse des organes embarqués, tout en assurant des temps de manoeuvre extrêmement courts. Ce but est atteint, conformément à l'invention du fait que le siège de la vanne est solidaire de la tuyère et celle-ci est mobile, de sorte que l'ouverture et la fermeture de la vanne sont commandées par déplacement de la tuyère. Ainsi, l'invention est remarquable en ce que la section de passage des gaz est commandée en manoeuvrant la tuyère et non pas le pointeau, celui-ci étant fixe. Sont ainsi éliminés les problèmes de transmission des efforts de l'actionneur vers le pointeau et l'isolation de l'actionneur par rapport aux gaz chauds. Avantageusement, le déplacement de la tuyère est directement commandé par les gaz chauds. A cet effet, la tuyère peut être solidaire d'un piston qui coulisse dans un cylindre et sépare le volume intérieur de celui-ci en une première chambre reliée en permanence à la canalisation d'alimentation et une deuxième chambre qui communique avec la première et dans laquelle débouche une canalisation d'évacuation reliée à une vanne pilote. La vanne pilote est commandée par un actionneur qui peut être d'un dimensionnement beaucoup moins grand que celui utilisé dans l'art antérieur pour commander la vanne principale. En outre, les gaz parvenant à la vanne pilote par la canalisation d'évacuation ont une température plus basse que celle qu'ils présentent à la sortie de la canalisation d'alimentation. Ainsi, le système de commande du vannage des gaz chauds peut être d'un encombrement plus réduit et demande une puissance plus faible, ce qui contribue à la compacité de l'ensemble, sans nuire à son efficacité puisque ce sont les gaz chauds qui agissent directement sur la vanne. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci- après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif de vannage de gaz conforme à l'invention, la vanne étant en position fermée dans la demi-coupe de la partie gauche de la figure et en position ouverte dans l'autre demi-coupe. Sur cette figure, la référence 10 désigne une embase solidaire du corps d'un engin spatial à piloter et sur laquelle est monté un dispositif de vannage de gaz chauds provenant d'un générateur de gaz (non représenté) par une conduite d'alimentation 12 traversant l'embase 10. La conduite 12 débouche à l'intérieur d'une chambre 14 d'o les gaz peuvent être sélectivement éjectés à travers une tuyère 20. La chambre 14 est partiellement définie par une partie tubulaire 16 faisant saillie de l'embase 10. L'ouverture ou la fermeture de la communication entre la chambre 14 et la tuyère 20 sont commandées par l'écartement mutuel entre un pointeau 18 et un siège 22 ou par leur venue en contact mutuel. Le pointeau 18 est situé à l'extrémité d'une tige 18_ disposée axialement dans la chambre 14 et vissée au fond de celle-ci, de sorte que le pointeau est fixe par rapport à l'embase 10. Le siège 22 est formé à l'extrémité d'une partie tubulaire qui prolonge la tuyère 20 vers l'amont, par rapport au sens d'écoulement des gaz dans le divergent de la tuyère. En direction de l'aval, à partir de son extrémité amont, cette partie tubulaire comprend une première partie annulaire 24, une deuxième partie annulaire 26 de diamètre extérieur supérieur à celui de la partie 24 et une troisième partie annulaire 28 de diamètre inférieur à celui de la partie 26. Le siège 22 est formé autour du passage central de la partie annulaire 24 à l'extrémité de celle-ci, la partie 24 pouvant coulisser sans jeu dans la chambre 14 avec interposition d'un joint d'étanchéité annulaire 24a. L'éjection ou la non-éjection des gaz chauds à travers la tuyère 20 sont commandées par déplacement de la tuyère afin d'écarter le siège 22 du pointeau 18 ou de l'appliquer sur celui-ci. Le pilotage de la tuyère est réalisé directement par les gaz chauds à la manière d'une vanne électropneumatique à piston libre. Ainsi, un manchon annulaire 30 est vissé sur la partie tubulaire 16 de l'embase 10 afin de définir un cylindre 32 dans lequel la partie annulaire 26 de la tuyère 20 peut coulisser en formant un piston qui partage le volume interne du cylindre 32 en une première chambre 34 et une deuxième chambre 36. Dans sa partie d'extrémité 38 opposée à l'embase 10, le manchon 30 présente une section intérieure inférieure à la section du cylindre 32, de sorte que la partie annulaire 28 peut y coulisser sans jeu avec interposition d'un joint d'étanchéité annulaire 28â. Les parois internes du cylindre 32 et de la partie d'extrémité 38 du manchon sont raccordées l'une à l'autre par un épaulement 37. Ainsi, les trois parties 24, 26, 28 de la tuyère coulissant dans les parties cylindriques 14, 32, 38 de diamètres respectifs correspondants, les sections internes S1, S2, S3 de la chambre 14, du cylindre 32 et de la partie 38 étant telles que S2 >SletS2 > S3. Des passages 25 formés dans le corps de la tuyère 20 font communiquer en permanence la chambre 14 avec la chambre 34, de sorte que celle-ci est constamment pressurisée à la pression P des gaz chauds. On notera que le joint 28_ isole la chambre 34 de l'extérieur. Le piston 26 est muni d'un joint d'étanchéité annulaire 26_ appliqué contre la paroi du cylindre 32. Toutefois, une communication de section de passage réduite, ou section de fuite, est établie entre la chambre 34 et la chambre 36. Dans l'exemple illustré, cette communication est réalisée par une section de fuite 27a entre le cylindre 32 et la partie aval du piston 26 adjacente à la chambre 34, par des trous borgnes radiaux 27] formés dans cette partie aval du piston, à partir de sa surface périphérique, et par des perçages longitudinaux 27c faisant communiquer les trous 2712 avec la chambre 36. La chambre 36 est isolée de la chambre 14 par le joint 24a, mais communique avec une vanne pilote 40 par l'intermédiaire d'une canalisation d'évacuation 42 traversant l'embase 10. La vanne 40 est par exemple une vanne à commande électromagnétique. La position illustrée par la demi-coupe droite de la figure correspond à la fermeture de la vanne pilote 40. La chambre 36 est pressurisée à la pression P des gaz chauds en raison de la communication établie avec la chambre 34. La surface du piston 26 exposée à la pression P dans la chambre 36 étant supérieure à celle exposée à la même pression dans la chambre 34, le piston 26 est en position aval, en butée contre l'épaulement 37. Le siège de soupape 22 est écarté du pointeau 18, de sorte que les gaz chauds provenant de la canalisation d'alimen- tation 12 sont éjectés à travers la tuyère 20. Lorsque la vanne pilote 40 est ouverte, la chute brutale de pression dans la chambre 36 provoque la retombée du piston 26 et la venue du siège 22 au contact du pointeau 18, fermant la communication entre la canalisation 12 et la tuyère 20 (partie gauche de la figure). L'ouverture et la fermeture de la vanne sont réalisées directement par action des gaz chauds, autorisant une commutation efficace et rapide. Quant à l'organe de commande, il agit sur une vanne pilote, et non pas directement sur la vanne principale, ce qui requiert une puissance moindre et permet de résoudre le problème de son isolation thermique par rapport aux gaz chauds de façon plus facile, avec une construction plus compacte. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour le pilotage d'engin spatial par vannage de gaz, comprenant une tuyère (20), une canalisation d'alimentation en gaz (12), une vanne avec un siège (22) et un pointeau (18) interposée entre la canalisation d'alimentation et la tuyère, et des moyens (40) de commande d'ouverture ou de fermeture de la vanne afin de faire communiquer ou non la canalisation d'alimentation avec la tuyère, caractérisé en ce que le siège (22) de la vanne est solidaire de la tuyère (20) et celle-ci est mobile, de sorte que l'ouverture et la fermeture de la vanne sont commandées par déplacement de la tuyère. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour commander le déplacement de la tuyère (20) directement par les gaz chauds. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tuyère (20) est solidaire d'un piston (26) qui coulisse dans un cylindre (32) et sépare le volume intérieur de celui-ci en une première chambre (34) reliée en permanence à la canalisation d'alimentation (12) et une deuxième chambre (36) qui communique avec la première et dans laquelle débouche une canalisation d'évacuation (42) reliée à une vanne pilote (40). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vanne pilote (40) est à commande électromagnétique. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la deuxième chambre (36) communique avec la première chambre (34) à travers une section de fuite.