Brevet FR2776024A1 — publié le 19990917

MOTEUR-FUSEE A PROPERGOL SOLIDE PROTEGE CONTRE L'ECHAUFFEMENT PAR LES GAZ DE PROPULSION. La présente invention se rapporte aux moteurs-fusées à propergol solide qui comportent des moyens permettant de protéger la structure du moteur contre l'échauffement apporté par les gaz de propulsion dégagés par la combustion du propergol. Classiquement un moteur fusée à propergol solide est formé d'un tube creux fermé à une extrémité et comportant à l'autre extrémité une ouverture prolongée par une tuyère. Le propergol solide se présente généralement sous la forme d'un cylindre en matériau adéquat ajusté aux dimensions intérieures du tube et comportant un trou axial. Le propergol est allumé sur la surface intérieure de ce trou axial et la combustion du matériau se propage vers l'extérieur du bloc de propergol en se dirigeant vers les parois du tube formant l'enveloppe. Les gaz chauds et comprimés produits par cette combustion exercent une pression sur l'ensemble du bloc et de l'enveloppe et s'échappent par la tuyère arrière, en propulsant l'ensemble du moteur vers l'avant. La température des gaz est particulièrement importante et vient échauffer l'ensemble des pièces du moteur qui sont en contact avec ces gaz. En fait, compte-tenu du coefficient de transfert thermique entre les gaz et la paroi de l'enveloppe, ainsi que du temps de fonctionnement relativement court d'un tel moteur-fusée, cet échauffement n'est nocif que dans mesure o il y a un écoulement turbulent au niveau de la paroi. En effet un tel écoulement provoque comme on le sait une augmentation très importante du coefficient de transfert. Un écoulement de cette nature se produit bien au niveau de la tuyère, mais celle-ci est protégée au niveau de sa construction par des moyens bien connu dans l'art. Compte tenu de la structure décrite plus haut, on pourrait penser que le cylindre de propergol qui est appliqué sur la paroi latérale intérieure de l'enveloppe empêche tout écoulement de ce type sur cette paroi, ce qui protégerait donc celle-ci. En fait le contact entre le bloc de propergol et la paroi n'est jamais très bon et par ailleurs il évolue en fonction des contraintes mécaniques auxquelles est soumis le bloc de propergol pendant la combustion, ainsi qu'en fonction des différences de pression et de température locales qui entraînent facilement des décollements entre le bloc et la paroi, et donc une circulation des gaz à ce niveau. On peut alors obtenir un échauffement important de I'enveloppe, conduisant à sa déformation puis à sa rupture et donc à la destruction du moteur fusée, ou tout au moins à une modification importante des paramètres de propulsion avant la fin de combustion du bloc de propergol. Il est connu pour pallier ces inconvénients de placer un joint o10 torique sur la paroi latérale intérieure de l'enveloppe du moteur, au niveau de la jonction de celle-ci avec la tuyère. Ce joint torique vient fermer l'espace existant éventuellement à ce niveau entre le bloc de propergol et la paroi de l'enveloppe, pour assurer l'étanchéité à cet endroit quelles que soient les variations dimensionnelles du bloc et de l'enveloppe. L'expérience montre que cette solution n'est pas entièrement satisfaisante et qu'en particulier le joint à tendance à bouger et même à se détruire sous l'effet de la pression des gaz, ce qui entraîne alors une circulation de ceux-ci au niveau de la détérioration ainsi produite et la possible apparition des inconvénients cités plus haut. On notera que c'est un phénomène de cet ordre qui a entraîné la destruction de la navette américaine. Pour augmenter la sécurité procurée par un joint situé à ce niveau, I'invention propose un moteur-fusée à propergol solide protégé contre l'échauffement par les gaz de propulsion, du type comprenant une enveloppe fermée sauf en un point, une tuyère fixée sur l'enveloppe en ce point d'ouverture, un chargement de propergol solide placé dans l'enveloppe au contact de la paroi interne de celle-ci et muni d'un canal central de combustion débouchant d'un côté au niveau de la tuyère et de l'autre à l'intérieur de l'enveloppe, et des moyens d'étanchéité pour empêcher les gaz de combustion du propergol de circuler entre le chargement et l'enveloppe, caractérisé en ce que ces moyens d'étanchéité sont constitués d'un joint en forme de rondelle plate placée entre une partie plate du chargement en forme de couronne entourant l'orifice du canal de combustion situé au niveau de la tuyère et la jonction de l'enveloppe et de la tuyère qui présente une partie plate adaptée à la partie plate du chargement. Selon une autre caractéristique, la partie plate du joint est entouré sur sa circonférence extérieure d'une première partie formant un joint torique et d'une deuxième partie formant une lèvre circulaire. Selon une autre caractéristique, la partie plate, la partie torique et la partie en forme de lèvre du joint sont intégrales. Selon une autre caractéristique, il comprend en outre une protection thermique située entre la jonction de l'enveloppe et de la tuyère à l'intérieur de l'enveloppe et le chargement, qui sépare le joint de cette jonction et qui comprend la partie plane sur laquelle vient s'appuyer le joint. Selon une autre caractéristique, I'enveloppe a la forme d'un cylindre allongé fermé d'un côté par la tuyère et de l'autre par un fond et que le chargement de propergol solide à la forme d'un cylindre épais dont la paroi latérale extérieure est conforme à la paroi latérale intérieure de l'enveloppe et dont le canal central de combustion est coaxial à l'enveloppe au bloc de chargement et la tuyère. Selon une autre caractéristique, la partie torique du joint est placée du côté de la protection thermique et la partie en forme de lèvre (114) est placée du côté de la jonction entre le pain de chargement et la paroi latérale intérieure de l'enveloppe. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une coupe longitudinale d'un moteur fusée selon l'invention limitée à une moitié de ce moteur. - la figure 2, une vue en coupe d'un joint pour la mise en oeuvre de l'invention. Le moteur fusée représenté en coupe longitudinale sur la figure 1 est formé d'une enveloppe sensiblement cylindrique 101 fermée à son extrémité supérieure par un fond plat 102 et comportant à son extrémité inférieure une tuyère massive 103 comportant un canal axial convergent- divergeant 104 de type classique. Le bloc de chargement de ce moteur est formé d'un cylindre de propergol solide 105 dont la paroi latérale extérieure est adaptée à la paroi latérale intérieure de l'enveloppe 101 et qui comporte un canal axial 106 qui est représenté ici avec une forme sensiblement cylindrique. On sait en effet que la section d'un tel canal peut présenter selon les besoins des formes diverses, souvent en formes d'étoile, permettant d'obtenir une combustion plus régulière. Ce cylindre de propergol est légèrement plus court que la longueur intérieure de l'enveloppe, ce qui permet d'insérer entre sa face latérale inférieure et l'extrémité supérieure de la tuyère 103 un organe de protection thermique 107 connu ayant sensiblement la forme d'une couronne circulaire plate de section relativement épaisse. La longueur du cylindre de propergol permet également de ménager un espace 109 entre sa face supérieure et le fond 102 de I'enveloppe, ce qui permet entre autres d'absorber d'éventuelles différences de dilatation entre le chargement en propergol et l'enveloppe. On constate bien sur la figure qu'il existerait, si on se limitait à la description ci-dessus, un chemin de circulation pour les gaz de combustion, passant de l'espace 109 à l'orifice 104 de la tuyère par le jeu 1 10 existant entre la surface extérieure du pain de propergol 105 et la surface intérieure de l'enveloppe 101. La pression P2 en bas du pain de chargement étant, de manière bien connue, inférieure à la pression P 1 située dans le canal central 106, une certaine partie des gaz de combustion seraient ainsi amenée à passer par ce chemin, en léchant d'abord le fond supérieur 102 de l'enveloppe, puis la surface intérieure latérale de celle-ci. Ceci entraînerait tous les inconvénients décrits dans l'introduction de ce texte. Pour empêcher cela, l'invention propose d'insérer entre la surface inférieur du pain de chargement 105 et la surface supérieure de la protection thermique 107 un joint 111 permettant en toutes circonstances d'empêcher cette circulation des gaz brûlés par ce chemin. Ce joint, qui est représenté en coupe agrandie sur la figure 2, est essentiellement formé d'une couronne circulaire plate relativement mince 112 s'étendant sur la plus grande partie du plan de joint existant entre le pain de chargement 105 et la tuyère 103. Elle s'arrête simplement à quelques millimètres du bord interne de la surface inférieure du pain de chargement, pour éviter que l'extrusion du joint sous les forces de la pression ne le fasse déborder de ces extrémités, ce qui risquerait par exemple de venir troubler l'écoulement des gaz dans la tuyère. Ce joint est réalisé dans un matériau souple et résistant pour permettre à la fois de former une barrière efficace aux gaz sous pression et également de résister aux efforts de pression pour ne pas risquer de se détruire par extrusion. Le matériau utilisé sera par exemple un élastomère du type polyuréthanne, convenablement chargé pour obtenir la souplesse et la résistance voulue. On trouve dans l'état de l'art de nombreux tableaux de composition de tels élastomères, en particulier à base de polyuréthanne. L'invention propose en outre, pour améliorer les caractéristiques d'étanchéité du joint, de compléter celui-ci par une partie en forme de jonc torique 113 située sur la circonférence du joint et venant s'encastrer dans une gorge pratiquée dans la protection thermique 107. Cette partie torique sera en outre avantageusement munie d'une lèvre 1 14 située sur cette partie semi-torique 113 de l'autre côté de la protection thermique 107 et venant s'appuyer sur la surface intérieure de l'enveloppe 101 au niveau de la jonction inférieure entre le pain de chargement 105 et cette enveloppe. Avant l'allumage du moteur fusée, le joint est maintenu serré entre la protection thermique et le pain de chargement par des moyens non représentés, tels que par exemple ressort, qui permettent de maintenir ce pain de chargement appuyé contre le joint. Selon les modes de construction, on pourra aussi utiliser d'autres systèmes, tels que le maintien du pain de chargement par frottement dur dans l'enveloppe, et la compression initiale du joint par le forcement de la tuyère lors de sa fixation de celle-ci sur l'enveloppe, par sertissage ou par vissage par exemple. Lors de l'allumage, puis pendant la combustion du chargement, l'écart des pressions dont on a fait mention plus haut, ainsi que la différence des sections d'appui pour les gaz entre la surface supérieure du pain 105, qui est totalement dégagé, et la surface inférieure de ce pain, qui est limitée à la section laissée libre par le joint, permet d'assurer un appuis suffisant du pain sur le joint pour empêcher toute fuite de gaz de combustion à ce niveau Ainsi pendant tout le temps o le moteur fusée est stocké, la pression sur le joint est modérée, ce qui évite tout fluage de celui-ci. Par contre, pendant le fonctionnement du moteur la pression et très importante, mais l'extrusion du joint par fluage n'a pas le temps de se produire, compte tenu de la durée de fonctionnement très limitée du moteur. Plus la pression est élevée, plus l'étanchéité est grande. La barrière étanche procurée par le joint s'adapte ainsi aux besoins. La partie semi torique 1 13 et la lèvre 1 14 permettent en particulier de compléter l'étanchéité en empêchant tout risque de fuite de gaz entre la protection thermique et la partie supérieure de la tuyère. Dans ces conditions, le transfert de chaleur entre les gaz de combustion et la paroi interne de l'enveloppe ne s'effectue que par conduction pendant le temps mesuré de fonctionnement du moteur fusée, ce qui ne permet pas à l'enveloppe de s'échauffer au point de risquer de se déformer, de se percer ou de se détruire. On obtient ainsi une protection particulièrement efficace contre ces risques. REVENDICATIONS 1 - Moteur-fusée à propergol solide protégé contre l'échauffement par les gaz de propulsion, du type comprenant une enveloppe (101) fermée sauf en un point, une tuyère (103) fixée sur l'enveloppe en ce point d'ouverture, un chargement de propergol solide (105) placé dans l'enveloppe au contact de la paroi interne de celle-ci et muni d'un canal central de combustion (106) débouchant d'un côté au niveau de la tuyère et de l'autre à l'intérieur de l'enveloppe, et des moyens d'étanchéité pour empêcher les gaz de combustion du propergol de circuler entre le chargement et l'enveloppe, caractérisé en ce que ces moyens d'étanchéité sont constitués d'un joint (111) en forme de rondelle plate placée entre une partie plate du chargement en forme de couronne entourant l'orifice du canal de combustion situé au niveau de la tuyère et la jonction de l'enveloppe et de la tuyère qui présente une partie plate adaptée à la partie plate du chargement. 2 - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie plate (1 12) du joint (11 1) est entouré sur sa circonférence extérieure d'une première partie (113) formant un joint torique et d'une deuxième partie (1 14) formant une lèvre circulaire. 3 - Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie plate (112), la partie torique (113) et la partie en forme de lèvre (114) du joint sont intégrales. 4 - Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une protection thermique (107) située entre la jonction de l'enveloppe et de la tuyère à l'intérieur de l'enveloppe et le chargement (105), qui sépare le joint de cette jonction et qui comprend la partie plane sur laquelle vient s'appuyer le joint. - Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe (101) a la forme d'un cylindre allongé fermé d'un côté par la tuyère (103) et de l'autre par un fond (102) et que le chargement de propergol solide à la forme d'un cylindre épais (105) dont la paroi latérale extérieure est conforme à la paroi latérale intérieure de l'enveloppe et dont le canal central de combustion (106) est coaxial à l'enveloppe au bloc de chargement et la tuyère. 6 - Moteur selon les revendications 3,4 et 5, caractérisé en ce que la partie torique du joint (113) est placée du côté de la protection thermique (107) et la partie en forme de lèvre (114) est placée du côté de la jonction entre le pain de chargement (105) et la paroi latérale intérieure o10 de l'enveloppe (101).