Brevet FR2815673A1 — publié le 20020426

SYSTEME MODULARE DE MOTEURS-FUSEES PERMETTANT DE REALISER UNE FAMILLE DE MOTEURS-FUSEES DE POUSSEES DIFFERENTES La présente invention concerne la technologie des fusées et se rapporte en particulier à une technologie des moteurs-fusées, utilisant une structure modulaire. Dans le cadre du développement des moteurs-fusées, les aspects de coûts prennent de plus en plus d'importance. Avec l'accroissement continu des masses des charges utiles devant être transportées par des fusées, un accroissement de la puissance des propulseurs s'impose en outre à des intervalles réguliers. Suivant le mode d'adaptation et d'accroissement de puissance des moteurs-fusées tel qu'il est pratiqué jusqu'à présent, on procède la plus part du temps à un nouveau développement complet de tous les composants du moteur-fusée, ce qui entraîne un coût élevé. Une solution visant ces problèmes, dans le cas de fusées porteuses complètes, consiste en l'utilisation d'une structure modulaire pour des fusées, telle qu'elle est connue dans la technologie des fusées par le document EP 0 508 609. Cela consiste à assembler, à partir d'un nombre limité de modules de fusées, des fusées porteuses en fonction de la charge utile à transporter. Par le document WO 99/61774, on connaît une structure modulaire pour un moteur-fusée à propergol solide, suivant laquelle la charge propulsive solide est composée de modules, le but étant d'une part d'accroître la sécurité de fonctionnement des charges propulsives et d'autre part de produire des nouvelles combinaisons plus efficaces de propergols dans les charges propulsives. Le but de la présente invention est de proposer un concept amélioré pour une technologie modulaire de moteursfusées, permettant de réduire encore davantage le coût pour l'adaptation de la propulsion par moteur-fusée en fonction de poussées différentes. Ce but est atteint, selon l'invention, par un système modulaire de moteurs-fusées permettant de réaliser une famille de moteurs-fusées de poussées différentes. Cela signifie, non pas comme suivant l'état de la technique de former des moteurs-fusées sous forme d'unité invariable ou de composer de façon modulaire uniquement les charges propulsives, mais au contraire de concevoir le moteur-fusée lui-même sous la forme d'un système modulaire. Chaque moteur-fusée de la famille présente au moins : une chambre de combustion, une tuyère de poussée faisant suite à la chambre de combustion, une tête d'injection fermant d'un côté la chambre de combustion, un système d'allumage, un système de refroidissement pour refroidir au moins la chambre de combustion à l'aide d'un réfrigérant, une alimentation en propergol avec des pompes à ergol. De tels moteurs-fusées qui, dans le cas de la présente invention, forment une famille de moteurs-fusées, sont connus par exemple par les documents DE 35 06 826 et DE 199 15 082. Le concept modulaire suivant la présente invention fait intervenir les caractéristiques ci-après : La chambre de combustion et le système de refroidissement de la chambre de combustion sont identiques pour tous les moteurs-fusées de la famille et sont conçus pour la poussée maximale de la famille des moteurs-fusées. A cet effet, la géométrie et/ou les matériaux de la chambre de combustion sont adaptés de manière à répondre aux conditions imposées en cas de fonctionnement avec la poussée maximale de la famille des moteurs-fusées. Pour le système de refroidissement, il faut prévoir en particulier lorsque le refroidissement de la chambre de combustion s'effectue par des canaux de refroidissement, que la conception des canaux de refroidissement corresponde aux conditions de pression de réfrigérant nécessaires pour ce cas de fonctionnement. Cela est assuré par la conception des canaux de refroidissement pour le cas de fonctionnement correspondant à la poussée maximale. - Le système d'allumage est identique pour tous les moteurs-fusées de la famille et est conçu pour le cas de fonctionnement correspondant à la sollicitation maximale du système d'allumage. La puissance du système d'allumage est donc conçue pour le cas de fonctionnement le plus exigeant en ce qui concerne le nombre d'allumages, la durée de combustion de la flamme d'allumage et la puissance d'allumage nécessaire. - La chambre de combustion présente en aval du col de la chambre de combustion, en particulier à faible distance en aval du col de la chambre de combustion, une interface définie pour le raccordement sélectif de tuyères de poussée différentes. En particulier lorsque l'interface se trouve à faible distance en aval du col de la chambre de combustion, on dispose, pour la partie suivante du moteur-fusée, à savoir la tuyère de poussée, d'une zone de longueur maximale dans laquelle il est possible de faire varier les modules de tuyères de poussée. Cela procure une liberté maximale en ce qui concerne la conception des différentes tuyères de poussée. - Le système de refroidissement présente en aval du col de la chambre de combustion, en particulier à faible distance en aval du col de la chambre de combustion, une interface définie pour le raccordement sélectif d'un retour de réfrigérant ou d'un système de refroidissement de la tuyère de poussée. On dispose ainsi de la possibilité de faire varier la longueur du circuit de refroidissement et, de ce fait, d'une part d'agir sur le degré de refroidissement de l'agencement de propulseur et d'autre part de commander, précisément dans le cas de moteurs-fusées à refroidissement par régénération, l'absorption de chaleur du propergol, ce qui permet de faire fonctionner les turbopompes de l'alimentation en propergol à des points de charge différents et donc d'agir sur le débit massique, la pression dans la chambre de combustion et en dernier lieu sur la puissance du moteur-fusée. - Les tuyères de poussée sont conçues sélectivement sous forme de tuyères de poussée refroidies au moins partiellement par du réfrigérant ou sous forme de tuyères de poussée non refroidies. Les différentes tuyères de poussée prévues sous forme de modules de tuyères de poussée peuvent donc être conçues différemment, selon la poussée prévue du propulseur. Pour des poussées importantes, on prévoit des tuyères au moins partiellement refroidies par du réfrigérant, à savoir par un ergol dans le cas de tuyères à refroidissement par régénération, et pour des poussées plus faibles, il est possible de renoncer à un refroidissement des tuyères. Les conceptions différentes des tuyères permettent également la variation avantageuse du circuit de refroidissement, évoquée sous le point précédent. - Les pompes à ergol sont conçues pour des puissances variables, ce qui permet un fonctionnement de l'alimentation en propergol pour chacune des poussées de la famille de moteurs-fusées. Cela résulte en particulier des dispositions précitées pour les moteurs-fusées à refroidissement par régénération, permettant d'influencer directement l'alimentation en propergol. - Le débit massique de la tête d'injection est adapté à la poussée respective d'un moteur-fusée déterminé. Il n'est pas nécessaire à cet effet de procéder à une adaptation de tous les composants ou paramètres de la tête d'injection à une poussée déterminée. Il suffit au contraire d'optimiser les composants ou paramètres essentiels pour la poussée respective et pour le débit massique correspondant. L'adoption d'un tel concept modulaire de moteursfusées utilisant des modules essentiellement identiques de chambres de combustion et de tuyères de poussée permet, moyennant un coût très modéré, une variation rapide de la puissance des moteurs-fusées. De plus, un moteur-fusée de la famille peut être adapté à de nouvelles exigences moyennant de modifications réduites, peu onéreuses, et être utilisé ainsi sur plusieurs fusées porteuses nécessitant des poussées différentes. Cet aspect d'un spectre d'applications élargi est d'autant plus important que les cadences de production des différentes fusées porteuses et donc également le nombre des moteurs-fusées produits pour les différents porteurs sont faibles en comparaison avec d'autres produits tels que par exemple des avions et des propulseurs pour avions. Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, la tête d'injection peut comprendre un corps de base de tête d'injection et plusieurs éléments d'injec- tion, les dimensions géométriques du corps de base de tête d'injection ainsi que le nombre et l'agencement des élé- ments d'injection étant identiques pour tous les moteursfusées de la famille, alors que la structure et/ou la géométrie des éléments d'injection sont adaptées aux débits massiques nécessaires en vue de l'obtention de la poussée respective. Des têtes d'injection avec plusieurs éléments d'injection sont connues en soi par exemple par les documents DE 196 25 735 et DE 197 03 630. Il est également possible en principe de prévoir entre les têtes d'injection et la chambre de combustion une interface définie qui permet un échange simple des têtes d'injection respectives. Les tuyères de poussée différentes de la famille des moteurs-fusées peuvent présenter en principe toute conformation appropriée et différer par exemple par leur longueur. De préférence, toutes les tuyères de poussée peuvent présenter un contour uniforme. Ce contour peut soit être optimisé pour l'une des poussées de la famille de moteurs-fusées, par exemple pour la poussée maximale, ou être établi en tant que compromis entre les contours optimaux pour les différentes poussées. De préférence, l'interface entre la chambre de combustion et la tuyère de poussée peut être disposée le plus près possible du col de la chambre de combustion, afin de pouvoir disposer, pour la variation des tuyères de poussée, d'une partie maximale de la longueur de l'ensemble du moteur-fusée. Cela entraîne des sollicitations thermiques accrues du côté de la tuyère de poussée, dans la zone de l'interface, lesquelles sollicitations conduisent, en particulier sur des tuyères de poussée non refroidies, à des températures accrues et simultanément à des sollicitations mécaniques accrues. C'est pourquoi il est préférable de prévoir des matériaux réfractaires tels que des matériaux céramiques pour des tuyères de poussée non refroi- dies, tout au moins dans la zone de raccordement à la chambre de combustion. En vue d'une simplification et d'une réduction de coût supplémentaires de l'ensemble de la famille de moteurs-fusées, il est en outre possible d'utiliser une conception identique pour toutes les autres parties de l'ensemble des moteurs-fusées de la famille. Ainsi, en particulier, tous les moteurs-fusées peuvent présenter une suspension identique, en particulier sous la forme d'un cardan. Cette suspension est alors de préférence conçue pour le moteur-fusée ayant la poussée la plus élevée. Par ailleurs, tous les moteurs-fusées peuvent présenter une commande électrique ou hydraulique identique. Le concept modulaire décrit ci-dessus peut en principe être utilisé pour n'importe quelle plage de poussée de moteurs-fusées. Suivant un mode de réalisation particulier, la famille de moteurs-fusées présente une poussée moyenne comprise dans la plage de quelques centaines de kilonewtons, par exemple dans la plage de 100 kN à 300 kN, les poussées des différents moteurs-fusées de la famille variant à l'intérieur d'une largeur de plage de 40 à 50 kN autour de la poussée moyenne. En se référant aux dessins annexés, on va décrire ciaprès un exelaple de réalisation préféré de la présente invention ; sur les dessins : la figure 1 représente un moteur-fusée modulaire à propergol liquide cryogène, avec tuyère de poussée partiellement refroidie par régénération, et la figure 2 représente un moteur-fusée selon la figure 1 avec tuyère de poussée non refroidie. Les figures 1 et 2 illustrent deux moteurs-fusées de structure modulaire, formant tous les deux partie d'une famille de moteurs-fusées. Dans le cas le plus simple, cette famille ne peut comprendre que deux membres, mais une telle famille peut également comprendre beaucoup plus de moteurs-fusées. Les moteurs-fusées présentent un refroidissement par régénération intéressant au moins la chambre de combustion 1 du moteur-fusée. Les moteurs-fusées cryogènes comprennent le générateur de poussée 1, 2, 3, 6 proprement dit, des turbopompes 11 et 12 pour l'alimentation du générateur de poussée en ergols LOX et LH2 à partir de réservoirs d'ergol 16 et 17, une commande électronique (non représentée) ainsi que des valves 18,19 etc. et des conduites de liaison 4,5, 8,9. Le générateur de poussée comprend à son tour une suspension de cardan (non représentée), une tête d'injection 3, un système d'allumage 6, une chambre de combustion 1 et une tuyère de poussée 2. Le concept modulaire objet de la présente invention est basé pour une conception du générateur de poussée pour une poussée maximale et pour une poussée minimale qui, par exemple pour un moteur-fusée d'une poussée de l'ordre de 200 kN, peuvent différer d'environ 40-50 kN. La différence entre les générateurs de poussée concerne en particulier la longueur différente du circuit de refroidissement 4 du générateur de poussée, lequel circuit est utilisé pour le préchauffage de l'ergol servant de réfrigérant. Cette longueur différente du circuit de refroidissement 4 résulte du fait que des tuyères de poussée 2 différentes sont prévues dans un système modulaire. Ces tuyères de poussée peuvent être reliées à la chambre de combustion 1 par une interface définie 14. Pour la tuyère de poussée 2 selon la figure 1 qui est conçue pour une poussée élevée, par exemple la poussée maximale de la famille de moteurs-fusées, une partie supérieure 13a de la tuyère de poussée 2 présente un circuit de refroidissement par régénération 9, susceptible d'être relié par une interface définie 15 au circuit de refroidissement 4 de la chambre de combustion 1. Une partie inférieure 13b de la tuyère de poussée 2 n'est pas refroidie (ou est refroidie par ablation ou par rayonnement). Dans le sens du concept modulaire de la famille de moteurs-fusées, la tuyère de poussée selon la figure 1 peut être remplacée par une tuyère de poussée 2 non refroidie sur toute sa longueur, prévue pour une poussée plus faible, par exemple la poussée minimale de la famille de moteursfusées, selon la figure 2. Les matériaux céramiques susceptibles de résister à des sollicitations thermiques et mécaniques élevées sont prévus comme matériaux pour la tuyère de poussée 2 non refroidie. L'utilisation de ces matériaux pour la tuyère de poussée 2 permet de placer l'interface 14 entre la chambre de combustion 1 et la tuyère de poussée 2 près du col 7 de la chambre de combustion, ce qui admet des variations maximales de la longueur du circuit de refroidissement 4 dans son ensemble, par raccordement de tuyères de poussée 2 ayant des circuits de refroidissement 9 de longueurs différentes à l'intérieur de la tuyère de poussée 2. Dans ce cas, l'interface 14 entre la chambre de combustion 1 et la tuyère de poussée 2 est conçue pour le raccordement correspondant à la partie en matériaux céramiques du fait des sollicitations thermiques accrues, et est identique pour toutes les versions de moteurs-fusées. La capacité d'absorption de chaleur par l'ergol qui est utilisé pour le refroidissement varie à l'intérieur de la famille des moteurs-fusées en raison des longueurs différentes du circuit de refroidissement 4 dans son ensemble, selon le type de tuyère de poussée 2 raccordée à la chambre de combustion. La partie de tuyère 13a refroidie par régénération est intercalée entre la chambre de combustion 1 et la turbopompe 12 dans le circuit de refroidissement 4. Le réchauffage différent de l'ergol (augmentation d'enthalpie) permet de faire fonctionner les turbopompes 11, 12 à des points de charge différents et d'influencer ainsi le débit massique, la pression dans la chambre de combustion et en dernier lieu la puissance du moteur-fusée. Alors que la chambre de combustion 1 elle-même est identique pour les différentes versions de moteurs-fusées, des variantes différentes sont prévues en ce qui concerne la tuyère de poussée 2 et la tête d'injection 3. Les autres parties des moteurs-fusées sont identiques pour les différentes versions des moteurs-fusées à l'intérieur de la famille. Cela sera décrit plus en détail ci-après. La suspension à cardan est identique pour toutes les versions de moteurs-fusées et est conçue pour la charge maximale. Cela correspond en règle générale au fonctionnement du moteur-fusée ayant la poussée la plus élevée. Le système d'allumage 6 est également identique pour toutes les versions des moteurs-fusées. La puissance du système d'allumage est conçue pour le cas le plus exigeant (nombre d'allumages, durée de combustion de la flamme d'allumage, puissance nécessaire). La tête d'injection 3 peut être identique dans certains paramètres de base pour toutes les versions de moteurs-fusées. Cela est valable en particulier pour les dimensions géométriques, le nombre et l'agencement des éléments d'injection, par exemple la distance de la première rangée d'éléments d'injection par rapport à la paroi de la chambre de combustion 1. La conception de la tête d'injection 3 s'effectue pour le moteur-fusée ayant la poussée la plus élevée. La géométrie des éléments d'injection doit alors être adaptée, du point de vue écoulement des fluides, à la version respective de moteur-fusée, en raison des débits massiques différents pour différentes poussées des différents moteurs-fusées. Cela concerne par exemple dans le cas d'éléments d'injection coaxiaux les sections d'arrivée des ergols dans les éléments d'injection et également par exemple les restrictions qui peuvent être prévues à l'extrémité supérieure d'un élément d'injection. La chambre de combustion 1 est conçue pour le moteurfusée ayant la poussée la plus élevée. Cela signifie en particulier que la section des canaux de refroidissement dans la paroi de la chambre de combustion 1 doit être conçue pour ce moteur-fusée, car il faudrait sinon s'attendre à des pertes de charge très élevées dans le circuit de refroidissement et le circuit ne pourrait le cas échéant pas se fermer, c'est-à-dire que le chauffage de l'ergol ne suffirait pas pour le fonctionnement du moteur-fusée. Comme déjà décrit, la tuyère de poussée 2 pour le moteur-fusée ayant la poussée la plus élevée se compose d'une partie 13a refroidie par régénération et d'une partie 13b non refroidie (ou refroidie par ablation ou par rayonnement), tandis que le moteur-fusée ayant la poussée la plus faible est complètement dépourvu de la partie 13a refroidie par régénération. Des variantes de longueurs différentes d'une tuyère de poussée refroidie 2 sont également possibles en vue de la variation de poussée, de telles variantes se situant à l'intérieur de la plage de variation de poussée de la famille de moteurs-fusées. Le couplage du circuit de refroidissement 9 de la tuyère de poussée avec la chambre de combustion 1 s'effectue, dans le cas de la figure 1, par l'interface 15 qui peut être constituée par une tubulure de sortie de la chambre de combustion 1, un tube de liaison établissant la liaison avec le circuit de refroidissement 9 de la tuyère de poussée. Par contre, dans le cas de la figure 2, l'interface 15 est directement reliée à un retour 8 de l'ergol. Le contour de la tuyère de poussée 2 est identique pour toutes les versions et peut être défini, soit par une optimisation pour l'une des versions de moteurs-fusées de la famille, soit par la recherche d'un compromis optimal entre les moteurs-fusées. Les composants restants du moteur-fusée modulaire, en particulier les turbopompes 11, 12, sont conçus de manière que leur spectre de puissance permette de couvrir tous les cas de charge. REVENDICATIONS 1. Système modulaire de moteurs-fusées permettant de réaliser une famille de moteurs-fusées de poussées différentes, chaque moteur-fusée de la famille comprenant au moins : - une chambre de combustion (1), une tuyère de poussée (2) faisant suite à la chambre de combustion (1), une tête d'injection (3) fermant la chambre de combustion (1) d'un côté, un système d'allumage (6) un système de refroidissement (4) pour le refroidissement au moins de la chambre de combustion (1) à l'aide d'un réfrigérant, une alimentation en propergols (5) avec des pompes à ergol (11,12), caractérisé par le fait que - la chambre de combustion (1) et le système de refroidissement (4) de la chambre de combustion (1) sont identiques pour tous les moteurs-fusées de la famille et sont conçus pour la poussée maximale de la famille de moteurs-fusées, - le système d'allumage (6) est identique pour tous les moteurs-fusées de la famille et est conçu pour le cas de fonctionnement avec sollicitation maximale du système d'allumage, - la chambre de combustion (1) présente en aval du col (7) de la chambre de combustion une interface définie (14) pour le raccordement sélectif de tuyères de poussée (2) différentes, - le système de refroidissement (4) présente, en aval du col (7) de la chambre de combustion, une interface définie (15) pour le raccordement sélectif d'un retour de réfri- gérant (8) ou d'un système de refroidissement (9) de la tuyère de poussée (2), - les tuyères de poussée (2) sont conçues sélectivement sous forme de tuyères de poussée refroidies au moins partiellement par un réfrigérant ou de tuyères de poussée non refroidies, les pompes à ergol (11,12) sont conçues pour des puissances variables, permettant un fonctionnement de l'alimentation en propergols pour chacune des poussées de la famille de moteurs-fusées, et - le débit massique de la tête d'injection (3) est adapté à la poussée respective d'un moteur-fusée déterminé. 2. Système modulaire de moteurs-fusées suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la tête d'injection (3) comprend un corps de base de tête d'injection et plusieurs éléments d'injection, les dimensions géométriques du corps de base de tête d'injection ainsi que le nombre et l'agencement des éléments d'injection étant identiques pour tous les moteurs-fusées de la famille, alors que la structure et/ou la géométrie des éléments d'injection sont adaptées aux débits massiques nécessaires en vue de la production de la poussée respective. 3. Système modulaire de moteurs-fusées suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que toutes les tuyères de poussée (2) présentent un contour identique. 4. Système modulaire de moteurs-fusées suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les tuyères de poussée (2) non refroidies sont constituées de matériaux céramiques au moins dans la zone de raccordement à la chambre de combustion (1). 5. Système modulaire de moteurs-fusées suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que tous les moteurs-fusées présentent une suspension identique. 6. Système modulaire de moteurs-fusées suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que tous les moteurs-fusées présentent une commande électrique identique. 7. Système modulaire de moteurs-fusées suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la famille de moteurs-fusées présente une poussée moyenne comprise entre 100 kN et 300 kN, les poussées des différents moteurs-fusées de la famille variant entre elles à l'intérieur d'une plage de 40 à 50 kN autour de la poussée moyenne.