Brevet FR2816585A1 — publié le 20020517

La présente invention est relative à un dispositif de propulsion par réaction, notamment pour véhicule spatial, et, plus particulièrement, à un tel dispositif comprenant des premier et deuxième réservoirs de carburant et de comburant liquides, respectivement, des moyens de liaison mécanique desdits réservoirs, et des moyens d'alimentation d'une chambre de combustion avec ledit carburant et ledit comburant. On a représenté un dispositif de propulsion de ce type à la figure 1 du dessin annexé. Dans le cas d'un dispositif dit"cryogénique", les réservoirs 1 et 2, de carburant et de comburant respectivement, sont remplis d'hydrogène et d'oxygène liquides, respectivement. Des lignes d'alimentation convenables amènent l'hydrogène et l'oxygène liquides dans une chambre de poussée ou de combustion 3 située en avant d'une tuyère 4 de canalisation des gaz de combustion. Les réservoirs 1 et 2 sont de révolution et disposés coaxialement sur un axe X. Une paroi d'extrémité convexe 5 du réservoir 2, généralement cylindrique, est engagée dans un espace délimité par une paroi d'extrémité concave 6 du réservoir 1. Ce dernier prend la forme générale d'une calotte enveloppant partiellement, à distance, le réservoir 2. On accroît ainsi la compacité du dispositif suivant l'axe X. Le réservoir 2 est monté sur le réservoir 1 grâce à des moyens de liaison mécaniques constitués par une couronne de bielles rigides rotulées Il (i de 1 à 36 par exemple) en aluminium, fixées chacune par une extrémité à une base circulaire 8 du réservoir 1 et, par l'autre extrémité, à une base circulaire 9 du réservoir 2. Les extrémités correspondantes de deux bielles adjacentes quelconques sont réunies sur une base et écartées sur l'autre base, de manière à dessiner un treillis à mailles en V. L'ensemble des moyens décrits ci-dessus est contenu à l'intérieur d'une enveloppe ou jupe 10, cylindrique et solidaire du réservoir 1 au niveau de la partie de plus grand diamètre de ce réservoir. Cette enveloppe peut former partie de celle d'un vaisseau spatial, ou d'un étage de lanceur de satellites par exemple. Lorsqu'on envisage d'installer un tel dispositif dans l'étage supérieur d'un lanceur spatial tel qu'Ariane 5, entre la charge utile et l'étage principal, il convient de s'assurer que cette installation n'introduit pas de risque nouveau pour cette charge utile et pour le lanceur luimême, tel que notamment des risques de vibrations mécaniques susceptibles de l'endommager. Dans le cas d'Ariane 5 on trouve, par exemple, à l'origine de telles vibrations des oscillations de poussée de propulseurs à poudre auxiliaire qui sont montés sur l'étage principal de ce lanceur, lors de la fin de la combustion des blocs de poudre contenus dans ces propulseurs. Le décollage et le vol atmosphérique du lanceur sont aussi des phases pendant lesquelles des vibrations peuvent être transmises à la charge utile. L'étude du comportement dynamique de ce lanceur a révélé que les oscillations de poussée apparaissent à des fréquences de l'ordre de 20 Hz et peuvent générer une énergie mécanique destructrice, au niveau de la charge utile, fragile, placée au-dessus du dispositif de propulsion. Il faudrait alors envisager, en principe, de renforcer la résistance mécanique de la charge utile. Cette solution étant inacceptable pour les concepteurs et constructeurs de cette charge utile (le plus souvent constituée par un satellite artificiel), la présente invention a pour but de réaliser un dispositif de propulsion du type décrit en préambule de la présente description, conçu de manière à empêcher une propagation sensible, vers un tel satellite, d'énergie mécanique reçue par ledit dispositif. La présente invention a aussi pour but de concevoir un tel dispositif de propulsion capable d'encaisser les contraintes que subissent les réservoirs lors de leur remplissage avec des liquides cryogéniques. En effet lors de ce remplissage, des phénomènes de dilatations différentielles provoquent des applications d'efforts sur ces deux réservoirs, qui doivent rester évidemment sans effet sur le fonctionnement ultérieur du moteur-fusée. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif de propulsion par réaction, comprenant des premier et deuxième réservoirs de carburant et de comburant liquides, respectivement, des moyens de liaison mécanique desdits réservoirs, et des moyens d'alimentation d'une chambre de combustion avec ledit carburant et ledit comburant, ce dispositif étant remarquable en ce que lesdits moyens de liaison comprennent des moyens de dissipation d'énergie mécanique. Comme on le verra plus loin, on réduit ainsi de manière importante l'énergie mécanique transmise à une charge utile placée au-dessus du dispositif de propulsion, quand celui-ci est, par exemple, monté dans un lanceur dont le premier étage comprend des propulseurs auxiliaires à poudre générateurs de vibrations en fin de combustion. La réduction d'énergie transmise ainsi obtenue s'observe aussi bien suivant l'axe du lanceur que transversalement à cet axe. Les moyens de dissipation d'énergie mécanique du dispositif selon l'invention permettent aussi d'absorber les dilatations différentielles évoquées ci-dessus qui apparaissent lors du remplissage des réservoirs avec des liquides cryogéniques. Selon d'autres caractéristiques de la présente invention, les moyens de dissipation d'énergie mécanique sont des moyens d'amortissement. Les moyens de liaison équipés de ces moyens d'amortissement prennent la forme de bielles amortisseuses montées entre lesdits premier et deuxième réservoirs. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel : la figure 1 est une représentation schématique, en coupe axiale, d'un dispositif de propulsion selon l'invention, déjà partiellement décrit en préambule de la présente description, la figure 2 est une vue en coupe du dispositif de la figure 1, selon le trait de coupe II, les figures 3 à 5 sont des représentations schématiques de détails de trois autres modes de réalisation du dispositif selon la présente invention, et les figures 6 à 9 sont des représentations schématiques de bielles amortisseuses utilisables dans le dispositif selon la présente invention. On se réfère aux figures 1 et 2 du dessin annexé où il apparaît que le mode de réalisation représenté du dispositif de propulsion par réaction selon l'invention comprend, outre les éléments déjà décrits ci-dessus, des moyens de liaison ll-, ll-, ll,, Ilq qui s'ajoutent au moyen de liaison 71 déjà décrits. Ces moyens de liaison 11J (j de 1 à 4) prennent la forme de quatre bielles équipée chacune de moyens de dissipation d'énergie mécanique tels que, de préférence, des moyens d'amortissement. Chaque bielle"amortisseuse"ainsi constituée est montée entre la base 8 du réservoir 1 et le réservoir 2, entre des points de cette base et de ce réservoir qui sont mis en mouvement relatif quand ces bielles sont excitées par de l'énergie mécanique. Dans l'exemple d'utilisation du dispositif de propulsion suivant l'invention schématisé à la figure 2, ce dispositif est monté dans l'étage supérieur d'un lanceur spatial tel qu'Ariane 5, dont le premier étage est équipé de deux propulseurs à poudre 1211 12 ? fixés sur l'enveloppe de ce premier étage en deux positions diamétralement opposées (comme schématisé en trait interrompu). Suivant l'invention, les bielles amortisseuses sont alors montées par paires (lull, 114) et (li-, 113), les bielles de chaque paire étant disposées symétriquement par rapport au plan de symétrie diamétral P de l'ensemble du lanceur, passant par l'axe X et les axes Xi et X2 des propulseurs auxiliaires 12-, 12-, respectivement. L'obliquité des bielles amortisseuses par rapport à l'axe longitudinal X du lanceur est inversée par rapport à celle des bielles rigides 7l, non amortisseuses, qui relient les réservoirs 1 et 2 selon un treillis à maille en V. Les axes des bielles amortisseuses 11J tangentent la paroi cylindrique du réservoir 2, au niveau de la partie haute de ce réservoir, comme représenté. Deux extrémités correspondantes des bielles d'une même paire ont un point de montage commun 131, 132 respectivement sur la base 8 du premier réservoir 1. Des études ont montré que les extrémités des bielles 11J ainsi disposées sont exposées à des mouvements relatifs sensibles, aussi bien pendant le remplissage des réservoirs que lors de certaines phases du vol du lanceur, en particulier celle pendant laquelle les propulseurs auxiliaires à poudre émettent des vibrations de forte énergie (dans la bande 17-25 Hz), vibrations dont la présente invention a pour but d'empêcher la transmission à une charge utile, non représentée, placée au-dessus du dispositif de propulsion suivant l'invention, dans le lanceur complet. Cette énergie est absorbée, suivant la présente invention, par la déformation des amortisseurs intégrés aux bielles llj, amortisseurs dont on décrira plusieurs modes de réalisation dans la suite de la présente description. On prévient ainsi la transmission de l'énergie absorbée à la charge utile, qui se trouve ainsi protégée, conformément au but poursuivi par la présente invention. Cette énergie pourrait être absorbée par des bielles amortisseuses 111 non tangentielles par rapport à la paroi du réservoir 2, contrairement à celle représentée à la figure 2. Cependant la disposition tangentielle représentée est avantageuse en ce qu'elle prévient tout risque de déformation de cette paroi par enfoncement d'une bielle dans celle-ci, sous l'effet des efforts axiaux subis par la bielle lorsque ses extrémités sont en mouvement relatif. L'agencement de bielles amortisseuses du dispositif des figures 1 et 2 permet d'abaisser de manière sensible le niveau des efforts transmis par ce dispositif à une charge utile placée au-dessus de lui. C'est ainsi, que par un choix convenable du coefficient d'amortissement C (C = 60 000 N/m/s) et de la raideur K (K = 5,6 10'-N/m) des bielles amortisseuses et par comparaison avec un dispositif dépourvu de ces bielles, l'invention permet de faire passer de 1, 5G à 0,84G l'accélération axiale, et de 0,75G à 0, 18G l'accélération latérale, transmises à la charge utile. La présence de quatre bielles amortisseuses supplémentaires, disposées dans une position qui se déduit de celle des bielles 11, par une rotation de 900 autour de l'axe X, permet d'améliorer encore ce résultat, mais dans une moindre mesure. On a représenté aux figures 6 à 9 divers types d'amortisseurs utilisables pour constituer les bielles amortisseuses du dispositif suivant l'invention. Par un choix convenable de la raideur et du coefficient d'amortissement des amortisseurs, l'homme de l'art adaptera aisément ceux-ci aux performances recherchées. L'amortisseur hydraulique schématisé à la figure 6 est du type classique à piston 14 mobile dans un cylindre 15 qu'il divise en deux chambres 16,17 remplies d'un fluide hydraulique, ces chambres communiquant par des étranglements 181, 182, percés dans le piston 14. L'amortisseur hydrodynamique schématisé à la figure 7 est aussi d'un type classique, à piston 19 mobile dans une chambre 20 remplie d'un liquide visqueux subissant un cisaillement, en mode de fonctionnement dynamique, dans l'espace 22 cylindrique et de faible épaisseur qui sépare le piston 19 de la paroi intérieure de la chambre 20. L'amortisseur de la figure 8 est du type visco- élastique. Il comprend deux tubes coaxiaux 23,24 connectés par des bagues 25,26 en matériau élastomère, par exemple, qui se déforment élastiquement sous l'effet d'un effort axial. L'amortisseur schématisé à la figure 9 est du type à frottement ou"friction". Dans le mode de réalisation particulier représenté à titre illustratif et non limitatif seulement, il comprend une pile de rondelles 261, 262,... constituées chacune d'une pluralité de poutres travaillant en post-flambage élastique. La pile de rondelles applique une force radiale sur un frotteur 27 en forme de bague fendue, qui se déforme sous l'effet de la force radiale qui lui est appliquée par les rondelles, le frotteur 27 s'appliquant ainsi, à frottement, contre la paroi intérieure d'un tube 28. Un tel amortisseur, fabriqué par la société française JARRET, figure dans le catalogue NO 12 de 1996 de la société française NOVESPACE, sous la référence 360. On comprend que les bielles amortisseuses du dispositif suivant l'invention fonctionnent lorsque leurs extrémités sont en mouvement relatif. C'est le cas lorsque des vibrations nées dans les propulseurs auxiliaires 12i, 12.- (voir figure 1) du premier étage d'un lanceur spatial sont transmises à l'étage supérieur de ce lanceur, équipées du dispositif suivant l'invention et d'une charge utile qu'il faut protéger de ces vibrations. C'est aussi le cas lors du remplissage des réservoirs 1 et 2 du dispositif de propulsion avec des liquides cryogéniques à très basse température tel que l'oxygène et l'hydrogène liquide, des dilatations différentielles étant alors responsables de mouvements relatifs sensibles (de l'ordre de 1 à 2 cm par exemple), entre certaines parties des réservoirs du moteur-fusée. Il est clair que les bielles amortisseuses du dispositif suivant l'invention ont la capacité d'absorber sans dommage ces dilatations. On a représenté aux figures 3 à 5 du dessin annexé des variantes du détail A de la figure 1, permettant de décrire d'autres modes de réalisation de la présente invention, donnés à titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement. Tous les modes de réalisation mettent évidemment en oeuvre le principe de base de la présente invention, à savoir une non transmission des vibrations par absorption de leur énergie à l'aide de bielles amortisseuses judicieusement disposées entre des points des deux réservoirs qui sont mis en mouvement relatif par les vibrations. Sur les figures 3 à 5, des références numériques identiques à des références utilisées aux figures 1 et 2 repèrent des organes ou éléments identiques ou similaires. C'est ainsi que dans le mode de réalisation de la figure 3, les réservoirs 1 et 2 sont liés par une couronne de bielles amortisseuses 21l prenant la place des bielles rigides 71 du mode de réalisation des figures 1 et 2, entre les bases 8 et 9 de ces réservoirs, selon un treillis à maille en V. En choisissant pour ces bielles un coefficient d'amortissement de 110 000 N/m/s on peut réduire à 0,6 G et 0,5 G les accélérations longitudinales et latérales respectivement transmises à la charge utile, à comparer aux accélérations de 1, 5 G et 0,75 G respectivement prises comme référence pour un dispositif de propulsion à bielles de liaison rigides. Dans le mode de réalisation de la figure 4 une couronne de bielles amortisseuses 31l, en treillis en mailles en V comme les bielles 21, de la figure 3, est disposée entre la base 9 du réservoir 2 et la base de la jupe cylindrique 10 ceinturant le réservoir 1. Dans le mode de réalisation de la figure 5, on a ajouté à la couronne de bielles rigides 7l du dispositif de la figure 1, quatre bielles amortisseuses 41 (j de 1 à 4) montées entre la base 9 du réservoir 2 et la base de la jupe 10 du réservoir 1. Ces quatre bielles sont disposées par paire (411, 414), (41, 41,) comme représentées en trait interrompu sur la figure 2. Les bielles d'une même paire sont montées chacune dans un plan sensiblement diamétral passant par l'axe X, ces bielles étant symétriques par rapport au plan P. Ce mode de réalisation est, comme celui des figures 1 et 2, plus particulièrement adapté à l'utilisation dans un lanceur spatial à propulseur auxiliaire 121, 122. Avec un coefficient d'amortissement de C = 60 000 N/m/s et une raideur K = 5,6. 105 N/m, l'accélération axiale transmise à la charge utile passe de 1, 5 G à 1 G et l'accélération latérale de 0,75 G à 0,36 G. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que bien d'autres dispositions de bielles amortisseuses, en combinaison ou non avec des bielles rigides, pourraient être adoptées pour établir une liaison des réservoirs 1 et 2 à dissipation d'énergie mécanique selon la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de propulsion par réaction, comprenant des premier (1) et deuxième (2) réservoirs de carburant et de comburant liquides, respectivement, des moyens de liaison mécanique desdits réservoirs (1, 2), et des moyens d'alimentation d'une chambre de combustion (3) avec ledit carburant et ledit comburant, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison comprennent des moyens (111 ; 21l ; 31, ; 41,) de dissipation d'énergie mécanique. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (li ; 2L ; 31l ; 411) de dissipation d'énergie mécanique sont des moyens d'amortissement. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amortissement sont choisis dans le groupe formé par : les amortisseurs hydrauliques, les amortisseurs hydrodynamiques, les amortisseurs visco-élastiques, les amortisseurs à friction. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison équipés de moyens d'amortissement prennent la forme de bielles amortisseuses (11 ; 21l ; 31j ; 411) montées entre lesdits premier et deuxième réservoirs (1, 2). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, dans lequel ledit premier réservoir (1) prend la forme d'une calotte de révolution s'appuyant sur une base circulaire (8), dans lequel ledit deuxième réservoir (2) également de révolution, est disposé coaxialement au premier sur un axe (X) du moteur-fusée de manière à être partiellement enveloppé, à distance, par ladite calotte, ledit deuxième réservoir (2) présentant également une base circulaire (9), caractérisé en ce que lesdites bielles amortisseuses sont montées chacune entre une base d'un réservoir et l'autre réservoir. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, conçu pour faire partie de l'étage supérieur d'un lanceur spatial comprenant un étage principal équipé de deux propulseurs auxiliaires (121, 122) à poudre montés symétriquement sur l'enveloppe dudit étage principal, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison comprennent a) une couronne de bielles rigides (7J montées chacune entre les bases (8,9) desdits premier (1) et deuxième (2) réservoirs, et b) deux paires de bielles amortisseuses (111, 114 ; 112, llj) de chaque paire étant elle-même montées symétriquement par rapport à un plan de symétrie (P) passant par ledit axe (X) et les axes longitudinaux (xl, X2) des propulseurs auxiliaires (l2l, 122). 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que deux extrémités des bielles amortisseuses d'une même paire (111, 114 ; 112, 113) ont un point de montage commun (131, 132) sur la base (8) dudit premier réservoir (1), les axes desdites bielles étant tangents audit deuxième réservoir (2), et inclinés sur l'axe (X) dudit dispositif. 8. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que les inclinaisons des bielles rigides (7J et des bielles amortisseuses (li1) sur l'axe (X) dudit moteur-fusée, sont de sens inverses. 9. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que les bielles amortisseuses d'une même paire (4li, 414 ; 412, 413) sont montées chacune dans un plan sensiblement diamétral passant par l'axe (X), entre la base d'une jupe cylindrique (10) ceinturant le premier réservoir (1) et la base (9) du deuxième réservoir (2). 10. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites bielles amortisseuses (2li) sont montées en couronne entre les bases (8,9) desdits réservoirs (1, 2), les extrémités correspondantes des deux bielles adjacentes quelconques étant réunies sur une des bases et écartées sur l'autre base de manière à constituer un treillis à mailles en"V". 11. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites bielles amortisseuses (31,) sont montées en couronne entre la base (9) dudit deuxième réservoir (2) et celle d'une jupe cylindrique (10) solidaire dudit premier réservoir (1), selon un treillis à mailles en"V".