Brevet FR2767356A1 — publié le 19990219

TETE DE XELANGE DUNE CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR FUSEE A PROPERGOL LIQUIDE La présente invention concerne les groupes des moteurs de fusée et a notamment pour objet une tête de mélange d > une chambre de combustion d'un moteur de fusée à propergol liquide. Il est efficace d'utiliser la présente invention à la création des moteurs de fusée à propergol liquide à grande poussée, qui fonctionnent conformément au circuit fermé aux composants cryogènes, par exemple, à l'oxygène et a l'hydrogène. A l'heure actuelle, l'un des problèmes Tes plus principaux que l'on vise à résoudre à la création des moteurs de fusée à propergols liquides consiste à obtenir une haute valeur de l'impulsion spécifique de la poussée par la combustion la plus complète des ergols, en assurant alors un refroidissement fiable des parois de la chambre. L'un des modes qui permet d'assurer la combustion la plus complète consiste à répartir les ergols parmi les injecteurs de la tête de mélange en assurant l'égalité la plus maximale possible. La valeur de inégalité dépend des caractéristiques gazodynamiques des dispositifs que tu'on utilise pour égaliser la répartition de la consommation d'un composant à travers en cavité de la tête de mélange et aussi des caractéristiques hydrauliques des injecteurs. Il est possible de réaliser cette égalisation en profilant une section de passage d'un canal dans le dispositif d'alimentation en ergols ainsi qu'en utilisant des grilles égalisatrices, réalisées selon de différentes conceptions. montées dans ledit canal. On connaît une tête de mélange d'une chambre de combustion d'un moteur de fusée à propergol liquide (G.G.Gakhun et autres " Construction et élaboration des projets des moteurs de fusées à propergol liquide", Manuel pour les étudients de l'école technique supérieure, qui prépare les spécialistes en matières Moteurs d'avion et installations de production d'énergie", 1989. Mashinostroenie, Moscou, pages 134 à 135), comportant un ensemble d'alimentation en ergols avec des injecteurs, qui comporte un ensemble d'alimentation en gaz de générateur et un ensemble d'alimentation en oxydant, un fond de fusée avec un ensemble de refroidissement, comprenant une paroi interméciaire, montée entre le fond de fusée et l'ensemble d'alimentation en composants du combustible et les douilles montées autour des buses d'échappement des injecteurs et reliées à la paroi intermédiaire et au fond de fusée. Dans cette tête de mélange, le gaz de générateur arrive dans l'enceinte de la tête de mélange depuis une conduite de gaz et est réparti suivant les injecteurs avec une certaine irrégularité à la suite des differentes vitesses du déplacement du gaz à la périphérie et au centre du courant. Pour égaliser la répartition de la consommation du gaz de générateur suivant les injecteurs, on a réalisé le fond de l'ensemble d'alimentation en gaz de générateur conformémént à un profil qui permet d'assurer une diminution progressive de l'aire de la section de passage à partir de la périphérie vers le centre de la tête conformément à la diminution de la consommation De plus. les injecteurs de la tête de mélange. disposés suivant les circonférences concentriques font fonction des grilles rectifieuses. Le combustible (par exemple, l'hydrogène) arrive depuis l'ensemble de refroidissement du fond de fusée à travers les orifices dans les douilles. emboîtant les buses d'échappement des injecteurs, est mélangé avec le gaz de générateur et parvient dans l'enceinte de la chambre de combustion pour son utilisation ultérieure. Cette égalisation de la consommation et le mélangeage du gaz de générateur avec un combustible aboutit à l'augmentation des cotes d'encombrement et de la masse de la tête de mélange à la suite du profilage de l'enceinte et n'assure pas aussi une irrégularité requise de la répartition du gaz de générateur. En outre, l'alimentation utilisée en combustible n'assure pas un refroidissement fiable des parois de la chambre dans la zone des injecteurs périphériques, ce qui peut aboutir au brûlage de la paroi côté feu de la chambre. Une qualité insuffisante de l'égalisation de la consommation du gaz à travers les injecteurs et une répartition irrégulière du combustible additionné entraînent une baisse du coefficient caractérisant la combustion complète du combustible et, par conséquent, les pertes de l'impulsion spécifique de la poussée compliquant les conditions du fonctionnement des injecteur périphériques. On s'est donc proposé de créer une tête de mélange d'une chambre de combustion d'un moteur de fusée à propergol liquide dont la conception assurerait la consommation uniforme du gaz de générateur suivant les injecteurs. Le but visé est atteint par le fait que dans une tête de mélange proposée d'une chambre de combustion d'un moteur de fusée à propergol liquide comprenant un ensemble d'alimentation en ergols avec des injecteurs qui comporte un ensemble d'alimentation en gaz de générateur et un ensemble d'alimentation en oxydant, un fond de fusée avec un ensemble de refroidissement, qui comprend une cloison montée entre le fond de fusée et l'ensemble d'alimentation en ergols, et des douilles, montées autour des buses d'échappement des injecteurs et reliées à la cloison et au fond de fusée, on a réalisé, conformément à l'invention, entre l'ensemble d'alimentation en ergols et l'ensemble de refroidissement du fond de fusée. une cavité de mélange, reliée à l'ensemble de refroidissement. à l'ensemble d'alimentation en gaz de générateur et à la chambre de combustion. La conception proposée de la tête de mélange permet de répartir uniformément la consommation du gaz de générateur et du combustible suivant les injecteurs sans utiliser les disposltifs appropriés ce qui permet de simplifier sensiblement la conception de la tête et de réduire, par cela même. sa masse. Selon une varlante préférentielle de réalisation de l'invention. on a réalisé sur la partie périphérique du fond de fusée, en face des injecteurs, les canaux qui relient la chambre de combustion avec l'ensemble de refroidissement. La variante proposée de la conception de l'invention assure une protection fiable des parois de la chambre de combustion contre les brûlages dans le cas où les jets d'oxydant viennent éventiellement en contact avec les parois. Il est assez raisonnable que les canaux soient disposés sur une partie dont la largeur n'est pas supérieure au diamètre de la section de passage de la buse d'échappement des injecteurs. En débouchant d'un brûleur à l'entrée de la chambre de combustion, le jet d'oxydant ne réussit pas à se dissassocier par les contre-courants et a un diamètre égal au diamètre de la section de passage du brûleur d'oxydant. La réalisation des canaux à la partie d'une grande largeur aboutit à l'amenée du combustible dans la zone entre les injecteurs et à l'augmentation de sa consommation, à la diminution du rendement de la combustion, à la diminution du rendement économique de la chambre de combustion et aux pertes de l'impulsion spécifique de la poussée. Il est également avatageux que l'aire des canaux disposés au voisinage de chaque injecteur soit égale à la valeur comprise entre 0,15 et 0,2 de l'aire de la section de passage de la buse d'échappement du brûleur. L'aire des canaux d'une buse d'un injecteur doit être choisie compte tenu de la condition selon laquelle, grâce à une petite aire des canaux, le jet de combustible amené à travers un canal est disassocié par un jet d'oxydant débouchant d'un injecteur dans la zone de combustion. En conséquence. l'oxydant pourra arriver aux parois de la chambre de combustion et provoquer un brûlage de la paroi. Une augmentation de laird des canaux au-dessus de ladite limite aboutit à une utilisation inefficace ce qui entraîne une dimlnution du rendement de la combustion et les pertes de l'impulsion spécifique de la poussée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références aux dessins annexés dans lesquels: - lå figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une tête de mélange; - la figure 2 est une vue en coupe II-II sur la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe III-III sur la figure 1: - la figure 4 est une vue A sur la figure 1; - la figure 5 est une vue en coupe V-V sur la figure 4. La tête de mélange comporte un ensemble 1 d'alimentation en ergols (figure 1), muni de injecteurs 2 et constitué par des ensembles 3, 4 d'alimentation en gaz de générateur et en oxydant, et un fond de fusée 5, pourvu d'un ensemble de refroidissement 6. L'ensemble 4 d'alimentation en oxydant comporte un boîtier 7 et un fond 8 dans lesquels sont montés les injecteur 2 avec des canaux 9 (figure 2) servant à amener un oxydant et avec des canaux 10. destinés à amener un gaz de générateur, L'ensemble 6 de refroidissement du fond de fusée 5 comporte un boîtier 11 avec une cloison 12 dans laquelle sont pratlqués les canaux 13 (figure 3). Des douilles 14 sont montées entre la cloison du boîtier 11 et le fond de fusée 5 et emboîtent les buses d'échappement des injecteur 2 de façon à former des canaux annulaires 15 (figure 1). A la partie périphérique du fond de fusée 5. entre les douilles 14 des injecteurs 2 et la paroi côté feu de la chambre de combustion (non représentée à la figure), on a réalisé les canaux 16 (figures 4, 5) qui sont reliés à l'enceinte de l'ensemble 6 de refroidissement et qui ont l'aire égale à la valeur comprise entre 0,15 e et 0,2 de l'aire de la section de passage de la buse d'échappement de injecteur 2 et qui sont disposés sur la partie, dont la largeur n'est pas supérieure au diamètre de la section de passage de la buse d'échappement de injecteur 2. Une cavité de mélange 17 (figure 1) est disposée entre l'ensemble 1 et l'ensemble 6. La cavité 17 est mise en communication avec l'enceinte de l'ensemble 3 à laide des canaux 10 à l'intérieur des injecteurs 2. à lenceSnte de l'ensemble 6 de refroidissement du fond de fusée 5 à l'aide des canaux 13 et à l'enceinte de la chambre de combustion par les canaux annulalres 15 entre les douilles 14 et les buses d'échappement des injecteurs 2. La tête de mélange proposée fonctionne de la manière suivante. L'oxydant arrive depuis l'enceinte de l'ensemble 4 d'alimentation en oxydant à travers les canaux 9 prévus à l'intérieur des injecteurs 2 et parvient dans la chambre de combustion pour l'utilisation ultérieure. Une portion de combustible arrive depuis l'enceinte de l'ensemble 6 à travers les canaux 13 dans la cavité de mélange 17, délimitée par le fond 8 du boîtier 7 et par la cloison 12 du boîtier 11, où elle est repartie suivant les injecteurs 2 de la tête de mélangé, est mélangée avec le gaz de générateur qui y est arrivé et envoyée à travers les douilles 14 dans la chambre de combustion. Une autre portion de combustible arrive à travers les canaux 16 dans la chambre de combustion entre les douilles 14 et la paroi côté feu de la chambre de combustion ce qui assure un bas rapport entre les ergols dans cette zone et améliore les conditions du refroidissement de la paroi. Le gaz de générateur arrive depuis l'enceinte de l'ensemble 3 de gaz de générateur à travers les canaux 10 à l'intérieur des injecteurs 2 et parvient dans la cavité de mélange 17 où il est mélangé avec le combustible arrivé dans la cavité 17 depuis l'enceinte de l'ensemble 6 de refroidissement du fond de fusée 5 à travers les canaux 13, se repartit suivant les douilles 14 et parvient dans la chambre de combustion. REVENDICATIONS 1. Tête de mélange de la chambre de combustion d'un moteur de fusée à propergol liquide, comportant un ensemble (1) d'alimentation en ergols du combustible, pourvu de brûleurs (2), qui comporte un ensemble (3) d'alimentation en gaz de générateur et un ensemble (4) d'alimentation en oxydant, un fond de fusée (5) avec un ensemble (6) de refroidissement, qui comprend une cloison, montée entre le fond de fusée (5) et l'ensemble (1? d'alimentation en ergols et des douilles (14), montées autour des buses d'échappement des injecteurs (2) et reliées à la cloison (12) et au fond de fusée (5), caractérisée en ce qu'une cavité de mélange (17) est réalisée entre l'ensemble (1) d'alimentation en ergols et l'ensemble (6) de refroidissement du fond de fusée-(5) et est reliée à l'ensemble (6) de refroidissement, à l'ensemble (3) d'alimentation en gaz de générateur et à la chambre de combustion. 2. Tette de mélange, selon la revendication 1. caractérisée en ce que des canaux (16) sont réalisés à la partie périphérique du fond de fusée (5) vis-à-vis des injecteurs (2), pour relier la chambre de combustion à l'ensemble (6) de refroidissement. 3. Tête de mélange selon la revendication 2, caractérisée en ce que les canaux (16) sont disposés sur une partie, dont la largeur n'est pas supérieure au diamètre de la section de passage de la buse d'échappement de injecteur (2), pour l'amenée de l'oxydant. 4. Tête de mélange selon l'une quelconque des revendications 2. 3, caractérisée en ce que l'aire des canaux (16), disposés au voisinage de chaque injecteur (2) est égale à la valeur comprise entre O,5 et 0,2 de l'aire de la section de passage de la buse d'échappement de injecteur (2) pour l'amenée de l'oxydant.