Brevet FR2750455A1 — publié le 19980102

Tête d'injection pour des moteurs-fusées L'invention se rapporte à une tête d'injection pour des moteurs-fusées dans les chambres de combustion desquelles un ou plusieurs ergols liquides, en particulier un combustible et un comburant, subissent une réaction chimique avec production de poussée, cette tête d'injection comprenant une multitude d'éléments d'injection munis chacun d'au moins un canal de passage, débouchant dans la chambre de combustion et subdivisant un flux d'ergol en une multitude de flux ou filets élémentaires, ainsi qu'une chambre de distribution montée en aval des éléments d'injection. Par suite des conditions de structure et de fonctionnement, par exemple par suite d'une admission latérale de l'ergol par une conduite, des conditions d'écoulement et de pression qui sont souvent localement très différentes règnent dans la chambre de distribution située en amont des éléments d'injection. En outre, des composantes de vitesse élevées peuvent apparaître transversalement à la direction d'injection, ce qui conduit à des conditions très défavorables dans la zone d'entrée des éléments d'injection. Il en résulte entre autres un débit d'ergol réduit, un schéma d'injection non satisfaisant ainsi que des écarts d'un élément à l'autre, malgré une même géométrie. Au niveau du moteur-fusée, cela provoque en général une perte de puissance et peut également conduire à des oscillations ou pulsations nuisibles dans la chambre de combustion, à des sollicitations thermiques/déformations irrégulières, etc. Le document DE-B-12 90 375 décrit par exemple une telle chambre de combustion de moteur-fusée, comportant une tête d'injection présentant, comme le montre surtout la figure 2, une chambre de distribution simple, alimentée en ergol depuis un côté (chambre collectrice d'ergol 4). Le document US-A-3 194 012 a trait au problème de l'obtention d'une répartition de vitesse uniforme dans les deux chambres de distribution de la tête d'injection, en vue d'un refroidissement optimal. Les chambres de distribution sont subdivisées en canaux en spirale, avec une allure adaptée de la section d'écoulement. On retrouve ici également l'inconvénient de l'apparition de composantes de vitesse élevées transversalement aux éléments d'injection. Par le document DE-A-977 508, on connait une tête d'injection de moteurfusée conçue en vue d'une résistance mécanique élevée et d'une répartition uniforme de l'ergol. A cet effet sont prévus entre autres plusieurs tubes disposés radialement, à partir desquels des trous séparés mènent vers chacun des éléments d'injection élémentaires. Si l'on considère que des moteurs-fusées de grande taille comportent plusieurs centaines d'éléments d'injection, il est évident que le coût de fabrication énorme de cette solution est hors de proportion avec le résultat escompté. En outre, les très nombreux canaux de faible section et de grande longueur conduisent à des pertes de charge élevées et localement différentes, ce qui apparaît particulièrement sur les figures 2 et 3. Compte tenu des inconvénients de ces solutions connues, la présente invention a pour but de créer une tête d'injection pour des moteurs-fusées qui, tout en n'impliquant qu'une mise en oeuvre modeste de moyens de construction et de fabrication et donc de dépenses, se distingue par des conditions de pression et d'écoulement définies, uniformes et favorables dans la zone d'entrée des éléments d'injection ainsi que par des pertes de charge faibles dans la chambre de distribution et permet de ce fait un débit d'ergol optimal, une puissance maximale du moteur- fusée ainsi qu'une combustion uniforme et stable moyennant des sollicitations mécaniques et thermiques minimales du moteur-fusée. Ce but est atteint, selon l'invention, par une tête d'injection pour des moteurs-fusées dans les chambres de combustion desquelles un ou plusieurs ergols liquides, en particulier un combustible et un comburant, subissent une réaction chimique avec production de poussée, cette tête comprenant une multitude d'éléments d'injection munis chacun d'au moins un canal de passage, débouchant dans la chambre de combustion et subdivisant un flux d'ergol en une multitude de flux ou filets éléementaires, ainsi qu'une chambre de distribution montée en amont des éléments d'injection, par le fait que la chambre de distribution est subdivisée à l'aide d'une plaque de séparation disposée transversalement ou à peu près transversalement à la direction longitudinale du moteur-fusée, en deux compartiments montés en série du point de vue écoulement de l'ergol, et par le fait que la plaque de séparation présente une multitude d'ouvertures ayant respectivement une section d'écoulement définie et une direction d'écoulement définie, chaque ouverture étant associée à un ou plusieurs éléments d'injection et étant placée et orientée en conséquence. L'invention prévoit donc de subdiviser la chambre de distribution, par une plaque de séparation perforée, disposée transversalement, en deux compartiments montés en série du point de vue écoulement de l'ergol. Chacune des multiples ouvertures dans la plaque de séparation présente une section d'écoulement définie et est associée à un ou plusieurs éléments d'injection, c'est-à-dire est placée et orientée en conséquence. La plaque de séparation se distingue par un poids faible, par des pertes réduites du point de vue mécanique des fluides ainsi que par une forte action positive (orientation, uniformisation) sur les conditions d'écoulement et de pression en amont des éléments d'injection. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la plaque de séparation est constituée par un composant circulaire, en forme d'assiette, dont la dimension axiale est sensiblement plus faible que son diamètre, les ouvertures de la plaque sont réalisées sous la forme de trous circulaires ou de trous oblongs incurvés répartis sur plusieurs cercles concentriques à l'axe (imaginaire) de la plaque de séparation, et les axes d'écoulement (imaginaires) de tous les trous circulaires ou trous oblongs situés sur un cercle coupent l'axe (imaginaire) de la plaque de séparation en un point ou s'étendent parallèlement à cet axe. En se référant aux dessins annexés, on va décrire ci- après plus en détail l'invention; sur les dessins: la figure 1 est une coupe axiale d'une tête d'injection conçue spécialement pour des essais d'écoulement, la figure 2 est une vue partielle depuis le haut, à plus grande échelle, de la plaque de séparation de cette tête d'injection. La tête d'injection 1 telle qu'illustrée est conçue spécialement pour des essais d'écoulement et d'optimisation de la plaque de séparation 15 et c'est la raison pour laquelle, à divers points de vue, cette tête est de conception plus simple que des têtes d'injection installées dans des moteurs-fusées. Ainsi, la tête d'injection 1 n'est conçue par exemple que pour le passage d'un fluide, c'est-à- dire d'un ergol, donc pour ainsi dire pour un fonctionnement monergolique. La plupart des moteurs-fusées de forte poussée fonctionnent avec deux ergols et sont donc de fonctionnement diergolique ou hypergolique, le deuxième ergol par exemple l'hydrogène liquide étant pompé entre les éléments d'injection pour le premier ergol, par exemple l'oxygène liquide et étant également injecté dans la chambre de combustion, par exemple suivant le principe coaxial. La présente invention est utilisable sans restriction également pour la tête d'injection de tels moteurs-fusées, les dispositions de construction nécessaires à cet effet étant à la portée de l'homme du métier. Le mode de réalisation illustré offre en outre l'avantage d'un tracé (dessin) plus simple, donc plus facilement compréhensible. La tête d'injection 1 se compose essentiellement d'un carter 2 et d'une paroi frontale 3 fixée à ce carter. L'axe central longitudinal vertical X correspondrait également à l'axe du moteur-fusée, et la chambre de combustion serait située directement en dessous de la paroi frontale 3. Le fluide à injecter (ergol) parvient depuis le côté par le canal d'admission 4 d'abord dans le compartiment supérieur 6 de la chambre de distribution 5 qui présente une forme de révolution. Les conditions de vitesse et de pression localement en partie très différentes qui règnent ici pendant le fonctionnement ne seraient pas optimales en vue d'une alimentation directe des éléments d'injection. Selon l'invention, la chambre de distribution 5 est subdivisée transversalement à l'axe X par une plaque de séparation 15 en forme d'assiette comportant une multitude d'ouvertures 16, 17, 18 qui exercent un certain effet d'étranglement sur l'écoulement, mais cela sans provoquer des pertes de charge importantes. La répartition, le dimensionnement et l'orientation des ouvertures sont choisis de manière qu'une répartition essentiellement symétrique (de révolution) existe, du point de vue pression et vitesse, en aval de la plaque de séparation 15 dans le compartiment 7, l'écoulement étant essentiellement axial tout au moins à la plupart des endroits. I1 convient de remarquer à ce sujet que parmi la multitude des ouvertures dans la plaque de séparation 15, qui sont en partie dimensionnées et orientées différemment, seules trois sont ici référencées (16 à 18) à titre d'exemple. L'écoulement essentiellement axial améliore de façon décisive l'entrée du fluide dans les éléments d'injection. Cela assure, en combinaison avec la répartition de pression essentiellement homogène, des débits définis et uniformes. La paroi frontale 5 présente une multitude de canaux de passage dont quatre seulement sont à titre d'exemple référencés 10 à 13. Une particularité du mode de réalisation illustré consiste dans le fait qu'une partie des canaux de passage, par exemple les canaux 10 et 11, sont pratiqués dans des éléments d'injection séparés, par exemple 8 et 9, les éléments d'injection étant rapportés dans la paroi frontale 3. Les autres canaux de passage, par exemple 12 et 13, sont ménagés directement dans la paroi frontale 3 massive. Dans le cas de tête d'injection pour des moteurs-fusées, tous les éléments d'injection sont généralement réalisés sous forme de composants fabriqués séparément et fixés de façon correspondante dans la tête d'injection, mais cela n'affecte en rien le principe de l'invention. Dans la tête d'injection 1 représentée, chaque canal de passage peut être considéré comme constituant un élément d'injection. On reconnaît que les canaux de passage par exemple 12 et 13 ménagés dans la paroi frontale 3 sont munis, côté entrée, d'inserts de calibrage 14 séparés. On reconnaît également que tous les canaux de passage s'élargissent en forme de diffuseur à leur extrémité tournée vers la chambre de combustion (imaginaire). I1 apparaît également clairement sur la figure 1 que selon la position radiale des ouvertures dans la plaque de séparation 15, les axes d'écoulement de ces ouvertures sont dirigés avec des inclinaisons différentes sur les canaux de passage/éléments d'injection associés dans la paroi frontale 3. La figure 2 est une vue de dessus d'une partie de la plaque de séparation 15. On reconnaît que les ouvertures pour le passage du fluide (ergol) sont réalisées ici sous la forme de trous oblongs incurvés, disposés sur des cercles concentriques. Ainsi, par exemple les ouvertures 16, 17, 18 sont disposées sur les cercles 19, 20, 21. Les ouvertures ayant la forme représentée peuvent être réalisées par exemple par fraisage. On peut cependant utiliser également des ouvertures ayant d'autres géométries, par exemple de simples trous cylindriques dont les axes seraient orientés en conséquence. Il apparaît sur la figure 2 que toutes les ouvertures disposées sur un cercle déterminé présentent le même "angle d'incidence" radial ou d'inclinaison par rapport à l'axe médian longitudinal de la plaque de séparation, lequel angle peut également être égal à zéro (position parallèle). l REVENDICATIONS 1. Tête d'injection pour des moteurs-fusées, dans les chambres de combustion desquelles un ou plusieurs ergols liquides, en particulier un combustible et un comburant, subissent une réaction chimique avec production de poussée, cette tête comprenant une multitude d'éléments d'injection munis chacun d'au moins un canal de passage, subdivisant un flux d'ergol en une multitude de flux ou filets élémentaires et débouchant dans la chambre de combustion, ainsi qu'une chambre de distribution montée en amont des éléments d'injection, caractérisée par le fait que la chambre de distribution (5) est subdivisée à l'aide d'une plaque de séparation (15) disposée transversalement ou à peu près transversalement à l'axe longitudinal du moteur (X) en deux compartiments (6, 7) montés en série du point de vue écoulement du fluide, et que la plaque de séparation (15) présente une multitude d'ouvertures (16 à 18) ayant respectivement une section d'écoulement définie et une direction d'écoulement définie, chaque ouverture ( 16 à 18) étant associée à un ou plusieurs éléments d'injection (8, 9, à 13) et étant placée et orientée en conséquence. 2. Tête d'injection suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la plaque de séparation (15) est constituée par un composant circulaire en forme d'assiette, ayant une dimension axiale nettement inférieure à son diamètre, que les ouvertures (16 à 18) sont réalisées snus la forme de trous circulaires ou de trous oblongs incurvés répartis sur plusieurs cercles (19 à 21) concentriques par rapport à l'axe (imaginaire) de la plaque de séparation (axe central longitudinal X), et que les axes d'écoulement (imaginaires) de tous les trous circulaires ou trous oblongs (ouvertures 16 à 18) situés sur un cercle (19 à 21) coupent l'axe (imaginaire) de la plaque de séparation (axe central longitudinal X) en un point ou s'étendent parallèlement à cet axe.