Brevet FR2787514A1 — publié le 20000623

La présente invention concerne un propulseur comportant une chambre de combustion, une isolation et une tuyère. Dans le cas d'un mode de réalisation connu d'un tel propulseur, la chambre de combustion et la tuyère sont disposées entre la tête d'injection et la tuyère de détente. La chambre de combustion et la tuyère sont en l'occurrence les composants soumis aux contraintes thermomécaniques les plus élevées du propulseur. Alors10 que la tête d'injection sert à l'injection des agents de propulsion (par exemple d'H2/O2 ou de kérosène/ acide nitrique MMH et d'oxydant), la combustion des agents de propulsion a lieu dans la chambre de combustion à des températures et à des pressions très élevées avec la15 section transversale la plus étroite de la tuyère. Des à- coups de pression considérables, qui sont nettement supérieurs au régime de fonctionnement normal, interviennent en l'occurrence dans certaines plages de fonctionnement telles que l'allumage et la coupure. Il20 convient d'ajouter à cela une vitesse élevée des gaz dans la zone de détente de la chambre de combustion. Dans la tuyère de détente, les gaz de combustion sont détendus à la pression de la tuyère du propulseur. En raison des températures et des pressions élevées précitées, la conception actuelle de la chambre de combustion implique l'utilisation d'un alliage d'acier réfractaire aux hautes températures, à haute résistance mécanique et à haute tenue aux températures. Ces alliages d'acier (par exemple l'alliage d'acier connu sous la30 désignation d'inconel) présentent cependant l'inconvénient de subir une certaine perte de résistance à partir d'environ 800 C, ce qui nécessite un refroidissement actif supplémentaire. Ce refroidissement est effectué par l'intermédiaire de canaux appropriés qui35 sont fraisés dans la paroi de la chambre de combustion, TT ï Ii et qui sont ensuite à nouveau obturés au moyen de matériau déposé par voie chimique. Cela conduit à une fabrication difficile et d'un coût intense. L'objectif de l'invention consiste à proposer un propulseur constitué d'une chambre de combustion, d'une isolation et d'une tuyère, qui présente une résistance élevée aux températures, aux pressions et à l'abrasion, avec une faible masse volumique, une conductibilité thermique élevée, une faible dilatation thermique, et une10 diversité de géométries et de formes quasi illimitée du matériau utilisé. Cet objectif est atteint en ce que la chambre de combustion, l'isolation et la tuyère sont constituées de carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone,15 qui sont reliées entre elles par voie céramique ou mécanique; des modes de réalisation avantageux sont décrits dans la suite du document. Selon l'invention, la chambre de combustion, l'isolation et la tuyère sont par conséquent constituées d'un matériau céramique, à savoir d'un carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone (SiC/C), qui sont reliées entre elles par voie céramique ou mécanique, notamment au moyen d'une couche de silicium. Cela signifie que la chambre de combustion, l'isolation et la tuyère sont constituées d'un seul et même matériau, et présentent ainsi une structure monolithique. La résistance thermique du propulseur est de ce fait dans l'ensemble accrue avec une réduction simultanée du poids de la chambre de combustion et de la30 tuyère. Il a été constaté que le SiC/C présente des propriétés de résistance remarquables jusqu'à des températures très élevées, qui permettent une utilisation, même dans des conditions difficiles. Outre35 une faible masse volumique, il convient d'ajouter une I " -119 i haute résistance à l'usure, une grande résistance à l'oxydation, ainsi que, outre la résistance thermique remarquable, une haute résistance aux variations de température associée à une étanchéité absolue aux gaz et 5 aux liquides. Il convient de souligner particulièrement la grande diversité de géométries et de formes, qui est réalisable avec le matériau selon l'invention, ainsi que la résistance thermique remarquable, et la conductibilité10 thermique élevée ou pouvant être réglée, qui autorisent en conséquence une faible capacité de refroidissement. En raison de la haute résistance thermique, il est possible dans le cas de certains propulseurs de renoncer totalement à un refroidissement. 15 On distingue du SiC/C avec un renforcement de fibres continues, ainsi que du SiC/C renforcé pas des fibres courtes. Le matériau cité en premier lieu, qui peut être laminé, comprimé ou enroulé, se distingue par une résistance particulièrement élevée et par une masse20 volumique particulièrement faible. Afin d'augmenter la résistance à l'oxydation, le SiC/C peut être muni d'un scellement de surface. Ce dernier est superflu pour du SiC/C renforcé pas des fibres courtes, car le matériau est particulièrement résistant à l'oxydation et à la25 corrosion. Il dispose en outre d'une conductibilité thermique extrêmement bonne, et se distingue par une résistance particulièrement élevée aux chocs thermiques. Il se prête avant tout à un usinage mécanique à l'état brut. Par usinage mécanique à partir d'ébauches en30 (SiC/C), des sections transversales de chambre de combustion et de tuyère de n'importe quelle géométrie peuvent en l'occurrence être facilement formées d'un seul tenant, ou également en différents segments individuels pour le revêtement de la chambre de combustion et de la35 tuyère. Les segments de la chambre de combustion, l'isolation et la tuyère sont avantageusement assemblés au silicium, à savoir reliés entre eux au moyen d'une couche de silicium, afin d'obtenir ainsi la structure monolithique souhaitée. Cette construction est particulièrement appropriée pour du SiC/C renforcé par des fibres courtes, les segments de la chambre de combustion étant usinés mécaniquement avant l'assemblage au silicium ou l'infiltration. Une telle chambre de10 combustion peut également être reliée sans problème par une bride, de préférence également en SiC/C. Des canaux de refroidissement de section transversale circulaire, rectangulaire ou en forme de fente peuvent en outre être pratiqués dans la chambre de combustion et dans la tuyère15 par un usinage mécanique à l'état brut. Dans le cadre d'un perfectionnement de l'invention, la paroi intérieure de la chambre de combustion est revêtue de façon appropriée de segments en SiC/C, et munie d'un refroidissement par l'intermédiaire de canaux20 de refroidissement (par exemple par des agents de propulsion, tels que par exemple de l'hydrogène) et/ou d'un matériau d'isolation, de préférence en SiC/C ou en feutres de fibres de carbone ou d'une feuille en graphite, ou de combinaisons de ces matériaux, en vue25 d'une réduction de la contrainte thermique et de pression de la structure de support métallique, et assemblée au silicium en une chambre de combustion ou tuyère monolithique. Afin d'obtenir la structure monolithique souhaitée, les matériaux d'isolation peuvent également30 être reliés à la chambre de combustion en SiC/C et à la tuyère en SiC/C par l'intermédiaire d'entretoises, de préférence en SiC/C. La masse volumique et la porosité du matériau au SiC/C peuvent être avantageusement réglées pendant l'assemblage au silicium par la quantité de silicium ou de carbure de silicium ajoutée, de sorte que le SiC/C de masse volumique élevée et de faible porosité soit par exemple utilisé en tant que structure et/ou revêtement thermomécanique, et le SiC/C de faible masse volumique et 5 de haute porosité en tant qu'isolation thermique. Grâce à cette isolation, la chaleur dégagée par le matériau au SiC/C de la structure de la chambre de combustion et de la tuyère est transmise de façon ciblée, soit par l'intermédiaire d'un refroidissement par canaux10 de refroidissement, soit par du feutre en fibres de carbone, soit par une feuille en graphite, ou par une combinaison de ces matériaux, et est par conséquent tenue à l'écart de la structure métallique. Cela conduit à une minimisation de la contrainte thermique et de pression au niveau de la structure de support métallique, ainsi qu'à une déformation plus faible du matériau de la chambre de combustion, notamment de la section transversale de la tuyère. En raison de la diminution de la contrainte, la structure de support métallique peut être sensiblement20 simplifiée. La fabrication est sensiblement simplifiée, car les dépôts de matériau par voie chimique, qui étaient jusqu'à présent nécessaires pour l'obturation des canaux de refroidissement fraisés, ne sont plus requis. La chambre de combustion en SiC/C comporte une structure de support métallique extérieure, qui transmet les contraintes de vol statiques et dynamiques, et qui assure les liaisons mécaniques avec la tête d'injection et la tuyère de détente. La structure de support assure en outre la liaison des systèmes de refroidissement entre30 la tête d'injection et la tuyère de détente. Grâce à l'étanchéité aux gaz et aux liquides des matériaux en SiC/C, la structure de support métallique peut également être munie de canaux de refroidissement ouverts, qui sont obturés lors de l'insertion des pièces35 en SiC/C. En fonction du système utilisé, le contour -T Fi intérieur de la chambre de combustion est fabriqué à partir de segments en SiC/C qui sont ensuite assemblés au silicium en une structure monolithique; il est également possible de fabriquer la chambre de combustion d'un seul tenant, de préférence par usinage d'une ébauche en SiC/C. Afin d'évacuer encore mieux la chaleur, les pièces en SiC/C peuvent le cas échéant également être munies de canaux de refroidissement. L'isolation est appliquée au niveau de la surface de liaison entre pièces en SiC/C et10 structure de support métallique. Les corps en SiC/C et la structure de support sont reliés entre eux par des éléments de liaison appropriés. L'invention est expliquée ci-après plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation préférés en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique de l'agencement d'un propulseur classique; et les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques de l'agencement de deux exemples de réalisation préférés de propulseurs selon l'invention. Aux figures, sur lesquelles les pièces identiques sont désignées par les mêmes références numériques, 1 désigne la chambre de combustion du propulseur, 2 l'isolation, 3 la tuyère, 4 des assemblages par boulons25 appropriés, 7 une structure de support dans laquelle ont été pratiqués des canaux de refroidissement 8, et 9 une tête d'injection. Dans le cas du propulseur classique représenté schématiquement à la figure 1, il est nécessaire d'utiliser des matériaux pouvant supporter des30 contraintes thermiques et de pression élevées, tels que par exemple de l'inconel, qui doivent être refroidis en raison de leur résistance thermique limitée. Dans l'exemple de réalisation représenté schématiquement à la figure 2, la chambre de combustion 1 et la tuyère 3 sont revêtues de segments 6 en SiC/C. Les -_1F - FiT]y parois intérieures de la chambre de combustion et de la tuyère peuvent en l'occurrence être constituées de segments individuels en SiC/C, la structure de support métallique extérieure 7 étant réalisée d'un seul tenant. Les segments en SiC/C sont à configurer de telle sorte que les fentes de séparation ne laissent pas passer les gaz à haute pression et à haute température vers la structure de support métallique; étant donné que les segments en SiC/C présentent le contour intérieur fini de10 la chambre de combustion et de la tuyère, ils permettent une simplification géométrique de la structure de support. Dans l'exemple de réalisation représenté schématiquement à la figure 3, la structure de support métallique extérieure 7 est également subdivisée. Dans ce cas, les parois intérieures en SiC/C de la chambre de combustion 1 et de la tuyère 3 sont réalisées d'un seul tenant. Cette pièce en SiC/C d'un seul tenant présente en l'occurrence le contour intérieur fini de la chambre de20 combustion et de la tuyère. La structure de support extérieure 7 peut par contre être réalisée en deux ou plusieurs éléments individuels, qui sont ensuite assemblés avec l'élément intérieur en SiC/C d'un seul tenant. La structure de support extérieure 7 peut être25 constituée de plusieurs éléments individuels qui sont reliés par des cordons de soudure 10. L'avantage de ce dispositif réside dans le fait que la structure de support 7 ne comporte pas de contours compliqués, et que les éléments en SiC/C ne présentent pas de joints de30 séparation. Cela est particulièrement favorable pour préserver des hautes pressions et températures la structure de support métallique 7. Un autre avantage réside dans le fait que la conformation de la structure de support 7 n'a pas à être réalisée en fonction du profil d'écoulement nécessaire, de sorte que cette dernière peut présenter des tolérances nettement plus grandes, ce qui permet par conséquent d'utiliser des matériaux plus faciles à usiner pour la structure de support; d'o il résulte notamment une 5 réduction de poids considérable. Il est en outre également possible que les segments individuels en SiC/C de la chambre de combustion et de la tuyère soient fabriqués par usinage mécanique à partir d'ébauches en SiC/C, et soient assemblés au silicium en10 une structure monolithique avant le montage dans la structure de support. Dans les deux cas un refroidissement peut si nécessaire être effectué, au choix, par l'intermédiaire de canaux de refroidissement pratiqués dans la structure15 en SiC/C, ou par l'isolation avec des feutres en carbone ou une feuille en graphite ou en SiC/C, ou des combinaisons de ces matériaux. En fonction des exigences, le refroidissement par canaux de refroidissement peut être effectué, au choix, dans la structure de support au niveau de la transition entre le métal et le SiC/C, ou dans la partie en SiC/C elle-même. Une combinaison des deux solutions est également possible. L'isolation avec des matériaux d'isolation, tels que ceux qui sont identifiés par 2 à la figure 2, peut également être combinée avec des canaux de refroidissement afin d'éviter l'apparition de gradients de température indésirables dans les parois. La combinaison des deux types d'isolation offre l'avantage de permettre un gradient thermique particulièrement30 optimisé dans la structure de la chambre de combustion. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que35 des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. al 1W].- REVENDICATIONS 1. Propulseur comportant une chambre de combustion, une isolation et une tuyère, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1), l'isolation (2) et la tuyère (3) sont constituées de carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone (SiC/C), qui sont reliées entre elles par voie céramique ou mécanique.10 2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intérieure de la chambre de combustion (1) et de la tuyère (3) sont revêtues de carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone SiC/C (6).15 3. Propulseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1), l'isolation (2) et la tuyère (3) sont réalisées en plusieurs segments en SiC/C, qui sont reliés entre eux au moyen d'une couche de silicium.20 4. Propulseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1), l'isolation (2) et la tuyère (3) sont réalisées d'un seul tenant par usinage mécanique d'une ébauche en SiC/C. 5. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des canaux de refroidissement (11) réalisés par usinage mécanique d'ébauches en SiC/C sont prévus dans la chambre de combustion (1), dans l'isolation (2) et dans la tuyère (3). 6. Propulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les canaux de refroidissement (11) prévus dans la chambre de combustion (1), dans l'isolation (2) et dans la tuyère (3) ont une section transversale circulaire ou rectangulaire ou en forme de35 fente. Il 7. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1), l'isolation (2) et la tuyère (3) en carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone (SiC/C) sont montés dans une structure de support métallique (7). 8. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1), l'isolation (2) et la tuyère (3) sont constituées de SiC/C de différentes masses volumiques et porosités. 9. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'isolation (2) est constituée de SiC/C de haute porosité. 10. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'isolation (2) est constituée d'une feuille en graphite. 11. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'isolation (2) est constituée de feutres/ non-tissés de carbone. 12. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'isolation (2) est constituée d'une combinaison de SiC/C et/ou de feuille en graphite et/ou de feutres/ non-tissés de carbone. 13. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1) et la tuyère (3) sont reliées à30 l'isolation au moyen d'une couche de silicium par l'intermédiaire d'entretoises en SiC/C. 14. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 5 à 13, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1) et la tuyère (3), ou leurs35 revêtements en SiC/C, sont réalisés par segments, et sont tI î Eu T reliés entre elles au moyen d'une couche de silicium. 15. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4 à 13, caractérisé en ce que la chambre de combustion (1) et la tuyère (3) sont réalisées d'un seul tenant par usinage mécanique de SiC/C.