Brevet FR2774432A1 — publié le 19990806

l La présente invention concerne une chambre de combustion pour des moteurs et des tuyères de forte puissance d'engins volants, notamment de fusées, cette chambre se com- posant d'un canal de pression extérieur et d'une paroi inté- rieure en contact avec les gaz chauds, cette paroi ayant un grand nombre de canaux de refroidissement. Selon le document DE 35 35 779 on connaît une tuyère de poussée ou tuyère d'éjection des gaz pour un moteur de forte puissance, par exemple pour des fusées porteuses ou des engins spatiaux réutilisables, cette tuyère ayant un con- tour à symétrie de rotation. La section circulaire se rétré- cit à partir de la chambre de combustion en direction de la section étroite, pour s'élargir de nouveau ensuite. Un tel contour à symétrie de rotation est simple à fabriquer et per- met de recevoir efficacement les efforts développés par les gaz. Du fait des températures élevées de l'ordre de 3000 C, il faut refroidir efficacement la tuyère de poussée. Dans le cas de la tuyère connue, qui se compose d'une enve- loppe intérieure en un alliage de cuivre, on réalise ce re- froidissement par des canaux de refroidissement dans la direction axiale ou dans la direction périphérique de l'enveloppe intérieure; ces canaux sont traversés par un fluide de refroidissement, par exemple de l'hydrogène liquide brûlé dans la tuyère et qui est ainsi refroidi. Extérieure- ment, cette enveloppe intérieure est entourée sans laisser d'intervalle par une enveloppe de support recevant les ef- forts engendrés par la pression des gaz. Cette enveloppe de support doit avoir une très grande résistance à la traction alors que sa résistance à la chaleur est d'importance moindre du fait du refroidissement par l'intérieur. On connaît également des tendances pour dévelop- per des avions hypersoniques également équipés d'une telle tuyère de poussée. Ces tuyères de poussée doivent avoir un rendement élevé pour engendrer la poussée, ce qui signifie qu'il faut juxtaposer plusieurs moteurs. Pour répondre à cette condition, on a déjà proposé des tuyères de poussée dont le contour de la section passe d'une section circulaire au niveau de la chambre de combustion à une section rectangu- laire au niveau de la sortie de la tuyère ou même de la sec- tion rétrécie de la tuyère. Cela signifie que la paroi de la tuyère possède une forme courbe, compliquée. D'une part, l'enveloppe inté- rieure, relativement peu rigide, doit avoir un contour inté- rieur de forme précise pour permettre un passage optimum de l'écoulement et, d'autre part, il faut que l'enveloppe de support soit rigide en forme pour des raisons de solidité, ce qui ne permet pas son adaptation à la forme de l'enveloppe intérieure. La réalisation des deux enveloppes avec une pre- cision de forme ainsi poussée pour la géométrie compliquée est néanmoins très difficile à réaliser. Un autre inconvénient est qu'après la réunion des deux enveloppes il subsiste d'éventuelles cavités qui peuvent conduire, en fonctionnement, à des déformations et des fissu- res et ainsi à des incidents. Selon le document DE 40 15 204, pour éviter ces inconvénients, on connaît une tuyère de poussée pour un mo- teur d'avion comportant une enveloppe intérieure munie d'un certain nombre de canaux de refroidissement, cette enveloppe ayant une conductivité thermique élevée et elle est entourée de l'extérieur par une enveloppe de support, solide; entre l'enveloppe intérieure et l'enveloppe de support on a une couche intermédiaire coulée. Cela permet de compenser les to- lérances de fabrication de l'enveloppe intérieure et de l'enveloppe de support pour diminuer les exigences de préci- sion de forme des deux enveloppes. Le document DE 41 15 403 décrit une paroi de tuyère pour des rampes d'expansion et des tuyères à gaz chauds ayant une structure de support extérieure non exposée aux gaz chauds et une structure intérieure à plusieurs cou- ches, écartées les unes des autres et des canaux de refroi- dissement exposés aux gaz chauds. Pour obtenir une poussée élevée et permettre de commuter simplement entre les diffé- rents modes de fonctionnement, on a de préférence des tuyères de poussée de construction rectangulaire. Les parois de tel- les tuyères de poussée sont toutefois exposées à des pres- sions et des températures élevées. Contrairement à des parois de tuyères de section circulaire, les efforts de pression ap- pliqués à des parois planes de tuyères rectangulaires ou de chambres de combustion engendrent des couples de flexion éle- vés. Cela peut engendrer des déformations bombées ou des con- traintes dans les tuyères de poussées qui peuvent mettre en danger le fonctionnement correct des tuyères de poussée. De plus, l'effet " bimétal " complique la situation à cause des différences de température dans la cloison à plusieurs cou- ches. Pour éviter des pertes de poussée et des courants de fuite, il faut des parois refroidies ayant une forme stable. Cette paroi de tuyère, connue, possède un contour intérieur formé d'une couche conductrice de chaleur, exposée aux gaz chauds et d'une couche de glissement, réfractaire; les canaux de refroidissement sont intégrés à la couche con- ductrice de chaleur et celle-ci est reliée élastiquement à la structure de support par plusieurs éléments de fixation tra- versant la couche de glissement. La couche de glissement peut ainsi être formée d'un granulat céramique alors que la couche conductrice de chaleur est en cuivre. Les éléments de fixation peuvent être réalisés sous la forme de petits tubes et, du fait de la résistance minimale nécessaire, on ne dispose pas d'une course de dila- tation suffisante lorsque la tuyère de poussée est exposée à des contraintes thermiques extrêmes, usuelles, dans de tels moteurs de forte puissance. Du fait des contraintes thermi- ques élevées, ainsi induites, et des dilatations plastiques considérable, la durée de vie est fortement limitée. Cette limitation est occasionnée par une dé- faillance, par exemple une formation de fissure dans la paroi de la chambre de combustion après un nombre limité de cycles de charge et de déformations plastiques correspondantes ainsi que des déplacements provoqués par les dilatations thermiques bloquées, c'est-à-dire les contraintes secondaires liées aux tensions thermiques, élevées, induites (environ 80 % des con- traintes totales). Cela limite non seulement fortement la possibili- té de réutilisation mais augmente le coût global du système de support; des pertes d'impulsions et des contraintes de transfert des composantes du moteur (y compris les turbopom- pes) résultent des fissures produites pendant le fonctionne- ment du moteur. Même si l'on utilise d'autres matériaux intermé- diaires entre la paroi exposée aux gaz chauds et la structure extérieure, comme par exemple de l'aluminium fritté ou de l'aluminium expansé, susceptibles d'absorber des déformations importantes, on rencontre des déformations irréversibles dans la plage plastique, ce qui correspond à des conceptions dit " d'usage unique ". Les matériaux connus pour des éléments de support entre la paroi exposée aux gaz chauds et la structure exté- rieure environnante qui doivent permettre, par dilatation transversale un fléchissement, de céder d'une manière déter- minée pendant le fonctionnement du moteur à forte puissance, montrent aucune dilatation élastique suffisante. Le document DE 31 36 252 décrit une paroi cérami- que de chambre de combustion pour des têtes de brûleurs et des chambres de combustion s'intégrant dans des moteurs et des unités de combustion; la paroi de la chambre de combus- tion est un composant intégré d'un échangeur de chaleur céra- mique avec des canaux d'écoulement à un ou plusieurs chemins. Par les techniques d'étirage, de feuilles et d'enroulement, on peut fabriquer de telles parois de chambres de combustion avec des échangeurs de chaleur à courant identique, à contre- courant et à courant transversal, comme ceux réalisés usuel- lement en métal. Comme matière pour la paroi de la chambre de combustion on utilise du carbure de silicium ou du nitrure de silicium. La présente invention a pour but de développer une chambre de combustion d'un moteur ou d'une tuyère de poussée de forte puissance pour des engins volants, dont la durée de vie est augmentée considérablement pour permettre un grand nombre de cycles thermiques de la chambre de combus- tion, grâce à une meilleure fiabilité et un meilleur fonc- tionnement. La construction selon l'invention de la chambre de combustion offre un grand nombre d'avantages. Elle est ca- ractérisée en ce que l'enveloppe extérieure est en fibres longues C/SiC et le corps de base intérieur est en fibres courtes C/SiC contrairement à l'utilisation du métal qui en- traîne une masse importante, une déformation élastique élevée et se traduit ainsi par une faible durée de vie, l'application selon l'invention de C/SiC avec sa faible masse et sa faible déformation plastique du fait de sa faible dila- tation thermique aboutit à une durée de vie élevée. L'enveloppe extérieure, de préférence en fibres anisotropes, longues, 2D/C/SiC, peut être soit obtenue par enroulement, soit être fabriquée sous la forme d'une pièce pré-imprégnée. Le corps de base intérieur, en fibres courtes isotropes C/SiC, peut s'usiner mécaniquement sans difficul- tés; on peut fraiser les canaux de refroidissement dans ce corps de base. En outre, l'utilisation de fibres courtes C/SiC offre également les avantages suivants: - construction légère monolithique, - très grande rigidité, réglable, - faible densité, - usinage/mise en forme facile et proche de la forme défini- tive pour l'état de base (par exemple par travail au tour), - très forte résistance aux chocs thermiques, - conductivité thermique élevée, faibles coefficients de dilatation thermiques, - résistance chimique élevée, - pas de fluage sous l'effet de contraintes mécaniques, - coût relativement faible des matières premières et - faible coût de fabrication. D'autres avantages de l'invention sont caractéri- ses en ce que: - le côté de l'enveloppe extérieure, tourné vers le corps de base intérieur, est muni d'une couche Cr203 6, - le côté de l'enveloppe extérieure, tourné vers le corps de base intérieur, est muni d'une couche A1203 6, - les côtés extérieurs des segments du corps de base inté- rieur, reliés à l'enveloppe extérieure, sont munis d'une couche SiC. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'une chambre de combustion représentée partiellement, de façon schématique en coupe. Ainsi: - la figure 1 montre une partie de la chambre de combustion à l'état d'utilisation, - les figures 2A-2C représentent différentes éta- pes de fabrication de la chambre de combustion selon l'invention, - les figures 3A, 3B sont des vues à échelle agrandie d'une partie d'une chambre de combustion. Selon les figures, la référence 1 désigne l'enveloppe extérieure de la chambre de combustion qui reçoit toutes les charges mécaniques; cette enveloppe est réalisée selon l'invention de fibres longues, anisotropes, C/SiC, de préférence des fibres longues 2D/C/SiC. Comme l'indique la référence 3, ces fibres peuvent être enroulées; il est éga- lement possible, dans les mêmes conditions, de fabriquer l'enveloppe extérieure 1 sous la forme d'un ensemble pré- imprégné. La référence 2 désigne le corps de base intérieur qui se compose selon l'invention de fibres courtes isotropes C/SiC; ce corps de base est facile à usiner mécaniquement de sorte que l'on peut fraiser sans difficultés les canaux de refroidissement 4 servant à la fonction de refroidissement. La figure 2A montre l'enveloppe extérieure et le corps de base, séparés l'un de l'autre; selon un exemple de réalisation avantageux, le côté de l'enveloppe extérieure, tourné vers le corps de base intérieur 2, reçoit une couche 6 en Cr203 ou A1203. De même, avant de réunir les deux pièces, on ap- plique sur le côté extérieur 5 des segments du corps de base intérieur 2, destiné à être relié à l'enveloppe extérieure 1, et après réalisation des canaux de refroidissement 4, une couche SiC, de préférence par dépôt chimique de vapeur (procédé CVD). Selon la figure 2B, après avoir relié l'enveloppe extérieure 1 et le corps de base intérieur 2, on a la chambre de combustion terminée; au niveau des points de liaison des deux composants on a une soudure céramique de liaison de forme (A1203 + SiC) = silicate) comme cela est indiqué par la référence V. Dans la variante de la figure 2C on obtient une liaison par la forme V' entre l'enveloppe extérieure 1 et le côté extérieur 5 des segments du corps de base intérieur 2 en contact, par infiltration simultanée des fibres courtes et des fibres longues avec du silicium. La figure 3A montre une partie d'une structure usuelle de chambre de combustion réalisée en Cu, Ag, Zr à construction intégrale, avec refroidissement régénératif par LH2; dans ce cas, les contraintes thermiques caractéristi- ques sont représentées pour déterminer ainsi la déformation plastique globale pour de telles valeurs. Les températures indiquées se traduisent par une déformation plastique par les gradients de température au niveau de la paroi intérieure de: 0,37 % une déformation plastique par la différence de température entre la paroi intérieure et la paroi extérieure 1,33 % et ainsi une déformation plastique globale de 1,70 %. La figure 3B montre une structure de paroi de chambre de combustion C/SiC en construction intégrale et re- froidissement régénératif par LH2; pour les contraintes de températures caractéristiques, représentées, on obtient les valeurs suivantes: déformation plastique par les gradients de température dans la paroi intérieure 0,30 % - déformation plastique par la différence de température entre la paroi intérieure et la paroi extérieure 0,55 % - ainsi une déformation plastique globale 0,85 %. Ainsi, dans les deux cas, dans les mêmes condi- tions de transfert thermique entre le côté exposé aux gaz chauds et le côté refroidi, pour les deux structures, sensi- blement dans les contraintes thermiques correspondantes pour un moteur à hydrogène/oxygène, avec des pressions de chambre de combustion supérieures à 200 bars comme valeur maximale dans le canal de la tuyère. On reconnaît que l'avantage de la conception se- lon l'invention d'une structure de chambre de combustion C/SiC réside dans une déformation plastique considérablement réduite par rapport aux structures métalliques, permettant une augmentation considérable de la durée de vie. Bien que la conductivité thermique de la struc- ture céramique intérieure ne représente au maximum qu'un tiers de celle obtenue par les alliages de cuivre, du fait des coefficients de dilatation thermique plus faibles, on di- vise sensiblement par deux la déformation plastique, comme cela résulte des données indiquées aux figures 3A et 3B. Pour l'exemple numérique indiqué, on a supposé une contrainte thermique extrêmement élevée appliquée à la paroi, de l'ordre de 120 MW/m, c'est-à-dire une valeur maxi- male qui peut exister dans les moteurs à hydrogène/oxygène et des pressions de chambres de combustion supérieures à 220 bars, susceptibles de se produire localement dans le col de la tuyère. Pour des pressions plus faibles dans la chambre de combustion, comme par exemple dans le moteur Vulcain, on a sensiblement des contraintes thermiques divisées par deux, si bien que la structure en céramique selon l'invention ne se traduit pratiquement que par des déformations proches de cel- les du domaine élastique. On augmente ainsi la durée de vie de la chambre de combustion selon l'invention par rapport à celle des cham- bres de combustion connues réalisées dans des alliages de cuivre, l'augmentation étant au moins égale à dix fois, comme cela est nécessaire pour des fusées porteuses, réutilisables. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Chambre de combustion pour un moteur et une tuyère de forte puissance d'engins volants, notamment de fusées, com- prenant une enveloppe extérieure et un corps de base intérieur exposé aux gaz chauds, ce corps de base étant muni d'un grand nombre de canaux de refroidissement, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure (1) est en fibres longues C/SiC et le corps de base intérieur (2) est en fibres courtes C/SiC. 2 ) Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le côté de l'enveloppe extérieure (1), tourné vers le corps de base intérieur (2), est muni d'une couche Cr203 (6). 3 ) Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le côté de l'enveloppe extérieure (1), tourné vers le corps de base intérieur (2), est muni d'une couche A1203 (6). 4 ) Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que les côtés extérieurs des segments (5) du corps de base inté- rieur (2), reliés à l'enveloppe extérieure (1), sont munis d'une couche SiC.