Brevet FR2791589A1 — publié le 20001006

La présente invention concerne un procédé de réa- lisation d'une tuyère de moteur de fusée refroidie de manière régénérative par le passage d'un agent de refroidissement. L'invention concerne également une tuyère de mo- teur de fusée destinée à être refroidie de manière régénéra- tive par un agent de refroidissement qui la traverse, compre- nant un corps de tuyère formé par un ensemble en spirale for- mé d'un petit tube traversé par l'agent de refroidissement. Les tuyères de moteur de fusée sont des pièces extrêmement sollicitées du point de vue thermique, si bien qu'il faut prendre des mesures particulières pour assurer leur tenue pendant le fonctionnement de la fusée. L'une de ces mesures possibles consiste à refroidir de manière régéné- rative la tuyère à l'aide d'un agent de refroidissement in- troduit sous pression dans le corps de la tuyère. Dans le cas de fusées à combustible liquide, l'agent de refroidissement est par exemple l'un des composants du carburant, ce qui per- met par exemple pour un moteur de fusée utilisant de l'hydrogène comme combustible, de faire passer celui-ci à travers le corps de la tuyère avant de l'introduire dans la chambre de combustion, pour refroidir le corps de tuyère. Comme dans le cas d'un moteur de fusée l'économie de tout poids supplémentaire présente naturellement une signification importante, la tendance particulière est de réaliser une tuyère refroidie de manière régénérative pour qu'elle offre une grande résistance ou un faible poids. Selon le document DE-43 26 338 C2, on connaît dé- jà une tuyère de moteur de fusée refroidie de manière régéné- rative par le passage d'un agent de refroidissement; le corps de la tuyère est réalisé par l'enroulement d'un petit tube sur une broche d'enroulement sous la forme d'un ensemble en spirale, ce petit tube étant destiné à être traversé pen- dant le fonctionnement de la tuyère par l'agent de refroidis- sement; le petit tube est stabilisé par soudage sur le côté " froid " de l'ensemble enroulé en spirale. Pour cela on uti- lise un petit tube à section rectangulaire, de sorte que le côté intérieur de l'ensemble en spirale formant le corps de la tuyère présente une surface essentiellement lisse. La présente invention a pour but de développer un procédé de fabrication d'une tuyère de moteur de fusée re- froidie de manière régénérative par un agent de refroidisse- ment. Ce problème est résolu par un procédé du type ci- dessus caractérisé par les étapes suivantes: - on réalise un corps de tuyère en enroulant sur une broche un ensemble en forme de spirale réalisé avec un petit tube destiné à être traversé par l'agent de refroidissement pendant le fonctionnement de la tuyère; - on bloque l'ensemble en forme de spirale, on enlève l'ensemble bloqué de la broche d'enroulement, - on applique une couche de support de charge réfractaire sur la surface extérieure de l'ensemble bloqué qui forme le côté exposé aux gaz chauds du corps de tuyère. L'invention se propose également de développer une tuyère de moteur de fusée refroidie de manière régénéra- tive par un passage d'un agent de refroidissement ayant de meilleures caractéristiques. Ce problème est résolu par une tuyère du type dé- fini ci-dessus caractérisée en ce qu'une couche réfractaire portant la charge, est appliquée sur la surface de l'ensemble en spirale qui constitue le côté du corps de tuyère exposé aux gaz chauds. Le procédé selon l'invention offre l'avantage que la tuyère est d'une construction très légère et résiste à une pression élevée de fluide de refroidissement, la surface lisse étant le côté du corps de tuyère tourné vers les gaz chauds. Il est avantageux d'appliquer la couche portant la charge par projection. Il est particulièrement avantageux d'appliquer la couche portant la charge par projection thermique à l'aide d'un procédé à la flamme à grande vitesse (encore appelé pro- cédé HVOF). L'avantage de ce procédé de projection à la flam- me à grande vitesse est de pouvoir réaliser des couches sta- bles de réception de charge avec une faible porosité et une faible teneur en oxyde. En variante, on peut appliquer cette couche rece- vant la charge par projection de plasma sous vide. Selon une autre variante, on applique la couche recevant la charge par projection de gaz froids. Selon un développement particulièrement avanta- geux, on fixe l'ensemble en spirale après l'enroulement en appliquant une couche de fixation de blocage amovible sur le côté extérieur de l'ensemble en spirale. Un avantage de cette solution est que l'ensemble en spirale se fixe de manière simple sans nécessiter de moyens longs et coûteux ou de moyens qui affaibliraient la matière comme par exemple le soudage du petit tube. De façon avantageuse, la couche de fixation ou de blocage est formée par projection de la matière constituant la couche. De manière avantageuse, cette couche est formée d'un alliage soluble dans l'eau. Il est particulièrement avantageux que l'alliage soluble dans l'eau soit un alliage AQUALLOY. En variante la couche de blocage peut être du plâtre. Selon une autre variante, la couche de blocage est un métal à faible point de fusion ou un alliage de métaux à faible point de fusion. De manière avantageuse, après réalisation de la couche recevant la charge, on enlève la couche de fixation. Selon un autre développement du procédé de l'in- vention, après application de la couche portant la charge, on usine pour lisser. On améliore ainsi la qualité de la surface de la paroi exposée aux gaz chauds qui est dès sa fabrication très lisse. Selon un développement du procédé de l'invention, au niveau des extrémités du côté extérieur de l'ensemble en spirale, on applique une autre couche réfractaire portant la charge pour créer des zones de brides de liaison. L'avantage de cette solution est de permettre de façon simple et peu coûteuse de réaliser des zones pour relier par brides le corps de la tuyère à la structure de la chambre de combustion et d'installer des équipements sur le corps de la tuyère. Cette autre couche portant la charge est de pré- férence appliquée après enlèvement de la couche de fixation. Selon un développement du procédé de l'invention, on effectue un traitement de recuit de l'ensemble en forme de spirale après réalisation de la couche recevant la charge. Le petit tube utilisé pour être enroulé et former l'ensemble en spirale présente de préférence une section rec- tangulaire et notamment carrée. Selon un développement du procédé de l'invention, après réalisation de la couche portant la charge, on déploie l'ensemble en spirale en introduisant dans le petit tube un fluide à haute pression pour donner une forme bombée convexe au petit tube du côté extérieur de l'ensemble en spirale. On met ainsi le petit tube dans une forme lui permettant de ré- sister aux pressions élevées pendant le fonctionnement sans autre déformation plastique. L'invention crée également une tuyère qui se re- froidit de manière régénérative par le passage d'un agent ou fluide de refroidissement. La tuyère présente un corps formé par un ensemble en spirale réalisé à partir d'un petit tube traversé par l'agent de refroidissement. Selon l'invention, la tuyère présente sur son côté tourné vers les gaz chauds de l'ensemble en spirale, une couche réfractaire recevant la charge. Un avantage de la tuyère selon l'invention est d'être d'une construction très légère et de résister à une pression élevée de l'agent de refroidissement. Un autre avan- tage est que le corps de la tuyère possède une paroi plane exposée aux gaz chauds. Selon un développement de l'invention, au niveau de ses extrémités, la tuyère comporte sur le côté extérieur de l'ensemble en forme de spirale, des zones de brides de liaison réalisées comme une autre couche portant la charge. Cela permet de fixer de manière simple le corps de tuyère à la structure de la chambre de combustion ou à des équipements du moteur de fusée. L'ensemble en spirale est de préférence formé d'un petit tube ayant une section rectangulaire notamment carrée. Le profil du petit tube présente sur le côté exté- rieur de l'ensemble en spirale, une partie bombée convexe. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation re- présentés schématiquement dans les dessins annexés, dans les- quels: - la figure 1 est une vue de côté schématique d'un tuyère de moteur de fusée correspondant à un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe d'un détail d'un corps de tuyère de moteur de fusée selon un exemple de réalisation de l'invention, - les figures 3a) à 3c) sont des vues à échelle agrandie du détail portant la référence A à la figure 2 pour décrire un procédé de fabrication d'une tuyère de moteur de fusée selon un exemple de réalisation de l'invention, destinée à être refroidie de manière régénérative par le passage d'un agent de refroidissement, - les figures 4a) et 4b) sont des vues en coupe à échelle agrandie montrant une coupe transversale d'un petit tube qui, selon un exemple de réalisation de l'invention est utilisé pour la fabrication du corps de tuyère selon le procédé de l'invention. La figure 1 est une vue de côté schématique d'une tuyère de moteur de fusée refroidie de manière régénérative par le passage d'un agent de refroidissement. Le tuyère 2 qui fait partie d'un moteur de fusée portant globalement la réfé- rence 1, comprend un corps 3 dont le côté supérieur corres- pond à une chambre de combustion 4. La chambre de combustion est précédée d'un système mélangeur 10 recevant du carburant par une alimentation en carburant 11 et un agent oxydant par l'intermédiaire d'une alimentation en agent oxydant 12. Le carburant peut être par exemple de l'hydrogène liquide et l'agent oxydant par exemple de l'oxygène liquide. De plus, il est prévu une alimentation en agent de refroidissement 13 et une sortie d'agent de refroidissement 14. La partie K du corps de tuyère 3 peut être refroidie de manière régénérative par un agent de refroidissement fourni par l'intermédiaire d'une alimentation en agent de refroidissement 13 et évacué par une sortie d'agent de refroidissement 14. Comme agent de refroidissement, on utilise par exemple le carburant liquide servant au fonctionnement du moteur de fusée et qui est four- ni par l'intermédiaire d'une installation de pompe (non re- présentée séparément à la figure 1) de puissance cor- respondante permettant de générer une pression élevée et un débit élevé par l'alimentation en agent de refroidissement 13 à la partie K du corps de tuyère 3 destiné à être refroidi; delà il est fourni par la sortie 14 à l'alimentation en car- burant 11. La figure 2 montre une coupe de la zone K suscep- tible d'être refroidie du corps 3 de la tuyère 2; les parois du corps 3 sont représentées de manière simplifiée comme une partie de corps cylindrique. Ainsi, le corps de tuyère 3 est formé par un assemblage en spirale 5 obtenu par l'enroulement d'un tube 6. Les différents tubes de l'enveloppe en tube 6 ont une section carrée. L'ensemble en spirale 5 est obtenu par enroulement du tube 6 sur une broche d'enroulement. Les figures 3a) à 3c) montrent à échelle agrandie une coupe du détail portant la référence A à la figure 2; les figures 3a) à 3c) représentent les étapes respectives d'un procédé de fabrication correspondant à un exemple de réalisation de l'invention. Selon la figure 3a), on réalise l'ensemble en spirale 5 à partir d'un petit tube 6 à section carrée; le petit tube 6 a une arête D et une épaisseur de paroi (d). L'ensemble en spirale 5 est réalisé comme déjà indiqué par l'enroulement du petit tube 6 sur une broche d'enroulement. Après enroulement de l'ensemble en spirale 5, par application d'une couche de fixation 8 amovible sur le côté extérieur, on bloque l'ensemble en spirale 5. L'épaisseur (m) de la couche de blocage 8 peut être de quelques millimètres. La couche de blocage 8 est formée par projection d'une matière destinée à constituer la couche; dans le présent exemple de réalisa- tion, la couche de blocage 8 est un alliage soluble dans l'eau connu sous la dénomination AQUALLOY. Par application de la couche de blocage 8, on fixe l'ensemble en spirale 5 pour qu'il puisse être enlevé globalement de la broche d'enrou- lement. Après enlèvement de l'ensemble bloqué 5 par rap- port à la broche d'enroulement, le côté intérieur de l'en- roulement 5 en spirale qui forme le côté intérieur H exposé aux gaz chauds du corps de tuyère 3 est dégagé. Du côté des gaz chauds H du corps de tuyère 3, la surface de l'ensemble 5 est alors revêtue d'une couche réfractaire 9 susceptible de porter la charge comme le montre la figure 3b). La couche 9 portant la charge a une épaisseur (n) qui est supérieure de manière caractéristique à l'épaisseur (d) de la matière des petits tubes 6. L'application de la couche portant la charge 9 se fait de préférence par projection et notamment, il est recom- mandé d'utiliser un procédé de projection thermique effectué selon un procédé de projection à la flamme à grande vitesse. Grâce à ce procédé de projection à la flamme à grande vitesse (encore appelé procédé HVOF) il est possible de réaliser des couches métalliques de porosité moindre et à teneur en oxy- gène moindre grâce à la projection thermique; grâce à une conduite appropriée du procédé, cette couche donne une couche stable à la charge. De manière préférentielle, pour la pro- jection à la flamme à grande vitesse, on peut utiliser le procédé DE 195 20 885 Cl décrit notamment comme procédé de projection thermique de couches d'alliage de métaux ou de mé- taux et leur application. Les couches métalliques peuvent avoir une moindre porosité de façon caractéristique infé- rieure à 1 % en volume et une faible teneur en oxygène de ma- nière caractéristique inférieure à 1 % en poids; pour cela, on effectue la projection thermique pour qu'au moins 60 et de préférence 90 % en poids des particules de poudre projetées présentent lorsqu'elles arrivent sur le substrat, une tempé- rature comprise entre la température de Solidus et la tempé- rature de Liquidus du métal ou de l'alliage métallique. Pour d'autres détails du procédé utilisé, on se reportera au con- tenu du document rappelé ci-dessus auquel il est fait expres- sément référence ici. Après la réalisation de la couche 9 recevant la charge, on détache la couche de blocage 8 de l'ensemble en spirale 5, puis comme le montre la figure 3c), l'ensemble en spirale 5 porte sur son côté intérieur la couche 9 recevant la charge et cette couche stabilise l'ensemble. Selon la figure 3c), dans la partie représentée hachurée, au niveau des extrémités, sur le côté extérieur de l'ensemble en spirale 5, on peut appliquer une autre couche réfractaire 7 portant la charge, analogue à la couche 9 por- tant la charge pour créer des zones de brides de liaison ser- vant à renforcer le corps de tuyère 3 dans la structure de chambre de combustion ou pour fixer des éléments sur le corps de tuyère 3. Comme cela apparaît, une telle autre couche 7, portant la charge, est appliquée après enlèvement de la cou- che de blocage 8 dans la zone correspondante sur l'ensemble en spirale 5. Après application de la couche 9 portant la charge, on peut effectuer un usinage pour lisser la couche, pour améliorer encore plus la capacité de lissage, déjà bonne de la couche 9 portant la charge, dans le sens d'une amélio- ration du comportement à l'écoulement dans la tuyère. De plus après réalisation de la couche portant la charge 9 ou 9, 7, on prévoit un traitement de recuit de l'ensemble en spirale 5 pour améliorer la matière. La figure 4a) et la figure 4b) montrent à échel- les différentes, une vue en coupe de l'ensemble en spirale 5 formant le corps de tuyère 3. Selon la figure 4a), du côté H exposé aux gaz chauds de l'ensemble en spirale 5, on a appli- qué la couche 9 recevant la charge. Après réalisation de la couche 9 recevant la charge, on peut dégager l'ensemble en spirale 5 en introdui- sant du fluide à pression élevée dans la matière des petits tubes formant alors une partie bombée 16 dans le profil des tubes 6 sur le côté extérieur A de l'ensemble en spirale 5 (figure 4b). La matière 6 du petit tube est mise dans une forme à laquelle elle résistera lors du fonctionnement ulté- rieur du moteur de fusée même aux pressions élevées d'agents de refroidissement qui traversent la matière tubulaire 6 sans que ne subsiste une autre déformation plastique. En variante à la fabrication de l'ensemble en spirale 5 avec la couche de blocage de stabilisation 8 à par- tir d'un alliage soluble dans l'eau, on peut également réali- ser la couche de blocage 8 à partir de plâtre ou de un quelconque métal fondu ou d'un alliage métallique à faible point de fusion pour permettre d'enlever de nouveau la couche de fixation 8 après application de la couche recevant la charge. De plus à la place de la réalisation de la couche 9 recevant la charge par projection thermique, on peut égale- ment réaliser cette couche par projection au plasma sous vide ou par projection aux gaz à froid. L'invention crée une tuyère de moteur de fusée qui peut être refroidie de manière régénérative par le pas- sage d'un agent de refroidissement, la tuyère ayant (figure 1) un corps 3 formé de tubes 6 destinés à être parcourus par l'agent de refroidissement (figure 2). La surface de l'en- semble en spirale 5 formant le côté H exposé aux gaz chauds du corps de tuyère 3, il est prévu une couche 9 réfractaire portant la charge (voir figure 3c). Dans la zone des extrémités, sur le côté exté- rieur de l'ensemble en spirale 5, on peut prévoir des zones de brides de liaison sous la forme d'une autre couche 7 por- tant la charge (figure 3c). L'ensemble en spirale 5 est formé de petits tubes 6 à section rectangulaire et notamment carrée. Le profil des petits tubes 6 peut avoir une par- tie bombée convexe 16 sur le côté extérieur de l'ensemble en forme de spirale. Nomenclature 1 Moteur de fusée 2 Tuyère 3 Corps de tuyère 4 Chambre de combustion Ensemble en spirale 6 Petit tube 7 Couche portant la charge 8 Couche de fixation 9 Couche portant la charge Système mélangeur 11 Alimentation en carburant 12 Alimentation en agent oxydant 13 Alimentation en agent de refroidissement 14 Sortie de l'agent de refroidissement Flux de gaz de combustion 16 Partie bombée convexe 1l R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Procédé de réalisation d'une tuyère de moteur de fusée refroidie de manière régénérative par le passage d'un agent de refroidissement, caractérisé par les étapes suivantes: - on réalise un corps de tuyère (3) en enroulant sur une ro- che un ensemble en forme de spirale (5) réalisé avec un petit tube (6) destiné à être traversé par l'agent de re- froidissement pendant le fonctionnement de la tuyère; - on bloque l'ensemble en forme de spirale (5), - on enlève l'ensemble bloqué (5) de la broche d'enrou- lement, - on applique une couche de support de charge (9) réfrac- taire sur la surface extérieure de l'ensemble bloqué (5) qui forme le côté (H) exposé aux gaz chauds du corps de tuyère (3). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on applique la couche (9) portant la charge par un procédé de projection. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on applique la couche (9) portant la charge par projection thermique selon le procédé de projection à la flamme à grande vitesse. 4 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on applique la couche portant la charge (9) par projection sous plasma dans le vide. 5 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on applique la couche (9) portant la charge par projection de gaz froids. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu' on bloque l'ensemble en spirale (5) après son enroulement en appliquant une couche de blocage (8), amovible sur le côté extérieur (A) de l'ensemble en spirale (5). 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on forme la couche de blocage (8) en projetant la matière de la couche. 8 ) Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu' on forme la couche de blocage (8) à partir d'un alliage solu- ble dans l'eau. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'alliage soluble dans l'eau est un alliage AQUALLOY. ) Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu' on forme la couche de blocage (8) en plâtre. 11 ) Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu' on forme la couche de blocage (8) à partir d'un métal à fai- ble point de fusion ou d'un alliage à faible point de fusion. 12 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu' on enlève la couche de blocage (8) après avoir réalisé la couche (9) portant la charge. 13 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu' après l'application de la couche portant la charge (9), on fait un usinage de celle-ci pour la lisser. 14 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu' au niveau des extrémités, sur le côté extérieur de l'ensemble en spirale (5), pour créer des zones de brides de liaison, on applique une autre couche (7) réfractaire, portant la charge. ) Procédé selon la revendication 14 en liaison avec la re- vendication 12, caractérisé en ce que l'autre couche (7) portant la charge est appliquée après en- lèvement de la couche de blocage (8). 16 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu' après réalisation de la couche (9, 7) portant la charge, on effectue un traitement de recuit de l'ensemble en spirale (5). 17 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le petit tube (6) utilisé pour être enroulé et former l'ensemble en spirale (5) présente une section rectangulaire notamment carrée. 18 ) Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu' après réalisation de la couche (9, 7) recevant la charge, on déploie l'ensemble en spirale (5) en introduisant un fluide sous haute pression dans le petit tube (6) pour produire une déformation convexe (16) de la matière du petit tube sur le côté extérieur de l'ensemble (5) en forme de spirale. 19 ) Tuyère de moteur de fusée destinée à être refroidie de manière régénérative par un agent de refroidissement qui la traverse, comprenant un corps de tuyère (3) formé par un en- semble (5) en spirale formé d'un petit tube (6) traversé par l'agent de refroidissement, caractérisée par une couche (9) réfractaire portant la charge, appliquée sur la surface de l'ensemble en spirale (5) qui constitue le côté (H) du corps de tuyère (3) exposé aux gaz chauds. ) Tuyère selon la revendication 19, caractérisée en ce qu' au niveau des extrémités du côté extérieur de l'ensemble (5) en forme de spirale, on a des zones de bride de liaison sous la forme d'une autre couche (7) recevant la charge. 21 ) Tuyère selon la revendication 19 ou 20, caractérisée en ce que l'ensemble en spirale (5) est formé à partir d'un petit tube (6) ayant une section rectangulaire notamment une section carrée. 22 ) Tuyère selon la revendication 21, caractérisée en ce que le profil du petit tube (6) présente sur le côté extérieur de l'ensemble en spirale (5), une déformation convexe (16).