Brevet FR2832461A1 — publié le 20030523

Domaine de l'invention La présente invention concerne un moteur de fusée refroidi par du liquide, comprenant une chambre de combustion et une tuyère d'expansion, la chambre de combustion et/ou la tuyère d'expansion comportant des canaux de refroidissement pour un liquide de refroidissement. Les parties du moteur de fusée équipées d'un refroidissement par liquide dépendent des exigences relatives aux moteurs, des matériaux utilisés ainsi que des domaines d'application du moteur. De tels moteurs de fusée sont suffisamment connus selon l'état de la technique par exemple selon le document G. P. SUTTON (Rocket Propulsion Elements 6ème edition, John Wiley & Sons Inc. 1992, P. 289-298 ,. En général, les canaux de refroidissement sont dirigés dans la direction longitudinale c'est-à-dire la direction axiale du moteur de fusée. Mais on connaît également des moteurs de fusée dont les canaux de refroidissement sont dirigés suivant une hélice. On se rapportera à cet effet par exemple au document US 5 221 045. Les moteurs de fusée connus sont très sollicités du point de vue thermique et c'est pourquoi, pour évacuer la chaleur du moteur à travers la paroi du moteur, on refroidit avec un liquide de refroidissement notamment avec le carburant qui traverse les canaux de refroidissement de la paroi du moteur. Du fait des gradients de température importants qui s'établissent au niveau de la paroi (voir par exemple le document appelé ci-dessus G. P. SUTTON Rocket Propulsion Elements"), on obtient une stratification plus ou moins accentuée de la température du liquide de refroidissement dans le canal de refroidissement et cette stratification s'accentue en fonction de la longueur de parcours dans le canal. Il se développe ainsi des couches de liquide stables à des températures différentes dans le liquide de refroidissement. Surtout dans les zones du moteur qui ont un contour régulier (forme cylindrique, conique régulière) la stratification peut se développer pratiquement sans être gênée. La stratification du fluide de refroidissement, qui se produit dans une partie à contour aussi régulier du moteur, se traduit par une réduction de l'évacuation de la chaleur car le fluide thermique à transmettre est pratiquement proportionnel à la différence de température entre la paroi de la chambre de combustion et le fluide de refroidissement. En cas d'un écoulement stratifié, la température plus élevée de la couche de fluide de refroidissement à proximité de la paroi conduit à une réduction de la puissance de refroidissement et ainsi à des températures de paroi plus élevées et une durée de fonctionnement plus réduite de la chambre. Il existe en plus des applications dans lesquelles il faut un chauffage aussi élevé que possible du fluide de refroidissement (par exemple dans le cas de moteur à refroidissement régénérateur c'est-à-dire des moteurs à cycle étendu). Cette exigence ne peut être satisfaite que de manière limitée en cas d'écoulement stratifié. Buts, objets et avantages de l'invention La présente intervention a pour but de développer un moteur de fusée, perfectionné à refroidissement par liquide, garantissant un transfert de chaleur plus important de la paroi du moteur dans le fluide de refroidissement et excluant notamment les faits de stratification du fluide de refroidissement dans les canaux de refroidissement ou du moins pour réduire cet effet de stratification. À cet effet l'invention concerne un moteur de fusée du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'au moins une partie des canaux de refroidissement présente au moins par segments une géométrie en forme de méandre. L'expression"forme de méandres"signifie que les canaux de refroidissement ont au moins une courbure dans la direction périphérique positive et au moins une courbure dans la direction périphérique négative. L'effet de cette géométrie particulière est le suivant : lorsqu'il se produit une courbure dans le canal de refroidissement, la déviation de l'écoulement qui en résulte induite en relation avec le rayon de courbure local, les forces centrifuges et la force de CORIOLIS, se répercutent dans le développement d'une paire de tourbillons situés dans la section d'écoulement. Cette paire de tourbillons assure un échange d'écoulement par convection considérable à l'intérieur de la section d'écoulement, ce qui diminue la stratification en température dans le fluide de refroidissement. Il en résulte également un écoulement transversal induit dans la section du canal de refroidissement conduisant à un échange de température efficace par mélange par convection dans le fluide de refroidissement. Comme déjà indiqué, l'effet de stratification est particulièrement significatif dans les zones présentant une géométrie régulière. Ainsi, dans de telles zones, on prévoit des canaux de refroidissement en forme de méandres. Ainsi on peut notamment prévoir que les canaux de refroidissement de la partie cylindrique de la chambre de combustion du moteur de fusée présentent au moins par segments une géométrie en forme de méandres. Selon les exigences et les matériaux utilisés pour le moteur occupent en variantes ou en plus, prévoir également que les canaux de refroidissement présentent au niveau de l'expansion de la tuyère de la chambre de combustion et/ou au niveau de la tuyère d'expansion, au moins par segment une géométrie en forme de méandres. La forme des canaux de refroidissement en méandres peut se choisir librement dans une large mesure et peut être adaptée au transfert de chaleur souhaité entre la paroi du moteur et le fluide de refroidissement en modifiant les rayons de courbure ainsi que le nombre de courbures par unité de longueur. On tient alors également compte le cas échéant de la perte de charge supplémentaire induite par les courbures. Cette perte de charge peut se minimiser par un choix approprié du nombre des courbures et cintrages et de la réalisation géométrique. Pour cela, on peut notamment prévoir que dans les zones de charges thermiques élevées, la géométrie en forme de méandres des canaux de refroidissement comporte un nombre plus grand de courbures par unité de longueur que dans les zones faiblement sollicitées en températures. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un moteur de fusée avec une géométrie de canal de refroidissement selon l'état de la technique, - la figure 2 montre un moteur de fusée avec une géométrie de canal de refroidissement en forme de méandres dans la zone de la chambre combustion, - la figure 3 montre un moteur de fusée avec une géométrie de canal de refroidissement en forme de méandres au niveau de l'élargissement de la tuyère ou de la tuyère d'expansion, et - la figure 4 montre un moteur de fusée avec une géométrie de canal de refroidissement en forme de méandres variables dans des zones de sol- licitation thermique différentes. Description de modes de réalisation. La figure 1 montre schématiquement un moteur de fusée 1 comprenant en particulier une chambre de combustion 2 et une tuyère d'extension 3 (simplement à suggérer ici). La chambre de combustion 2 se compose d'une partie cylindrique 4 et d'une partie de tuyère 5 à contour, comprenant elle-même le col 6 de la chambre de combustion et l'élargissement en forme de tuyère 7. Le moteur 1 présente un refroidissement par liquide réalisé par des canaux de refroidissement 8. Ces canaux sont réalisés dans la paroi 12 du moteur 1 et s'étendent dans la direction longitudinale x du moteur 1. Un milieu de refroidissement liquide traverse les canaux de refroidissement 8 notamment du combustible tel que de l'hydrogène liquide pour refroidir le côté intérieur chaud 11 de la paroi 12 du moteur pendant son fonctionnement. Pour les canaux de refroidissement 8, l'angle 0 est toujours constant selon le mode de construction habituel car les canaux de refroidissement 8 s'étendent dans un plan parallèle à l'axe x. Le canal de refroidissement 8, représenté à titre d'exemple à la figure 1, s'étend selon cette figure uniquement dans la zone de la chambre de combustion mais suivant les besoins, il peut également continuer dans la zone de la tuyère d'expansion 3. Comme déjà indiqué, de tels moteurs ont l'inconvénient que, surtout dans les zones du moteur 1 qui ont un contour régulier (cylindrique ou conique régulier), il se développe facilement une stratification du fluide de refroidissement. Dans une partie du moteur 1 ayant un contour régulier, la stratification du fluide de refroidissement conduit à une réduction gênante de l'évacuation de la chaleur. Le moteur 1 selon la figure 1 présente avant tout 3 zones de contour régulier à savoir la partie cylindrique 4, l'extension en forme de tuyère 7 ainsi que la tuyère d'expansion 3 qui fait suite. Des composants analogues représentés aux figures 2 à 4 portent les mêmes références que celles utilisées ci-dessus. La figure 2 montre un moteur 1 selon l'invention ; dans la zone de la partie cylindrique 4 on a une géométrie en forme de méandres du canal de refroidissement 8. L'expression"en forme de méandres"signifie que le canal de refroidissement 8 présente au moins une courbure ou cintrage dans la direction positive 0 et au moins une courbure ou cintrage dans la direction négative 6 c'est-à-dire au moins une courbure dans la direction périphérique positive et au moins une courbure dans la direction périphérique négative. On évite ainsi la stratification du fluide de refroidissement dans le canal de refroidissement 8, et bien plus on arrive à un mélange du fluide de refroidissement. Le mélange des zones d'écoulement du fluide de refroidissement dans la section du canal de refroidissement résulte de l'utilisation des courbures en forme de méandres du canal de refroidissement 8 ; ces courbures comme présenté ci-dessus conduisent au développement d'une paire de tourbillons dans la section du canal de refroidissement ; cette paire de tourbillons est induite par les forces cen- trifuges et les forces de CORIOLIS. Ces courbures du canal de refroidissement 8 se situent ainsi dans une surface enveloppe c'est-à-dire une surface définie par les coordonnés x, O. Du fait de la position de la courbure du canal de refroidis- sement dans une surface enveloppe radiale (x, 8) l'axe de symétrie de la paire de tourbillons se situe dans la direction périphérique 0 c'est-à-dire suivant un cercle de rayon constant r. Il en résulte une cellule de tourbillon inférieur et une cellule de tourbillon supérieur. En particulier dans les moteurs de fusée de forte puissance, les canaux de refroidissement 8 avec un grand rapport entre la hauteur du canal de refroidissement et sa largeur, on aura pour les paires de tourbillons ainsi engendrées, une forme de tourbillon très avantageuse, pratiquement circulaire. La figure 3 montre une alternative ou application supplémentaire de la présente invention ; en variante ou en plus des canaux de refroidissement 8 en forme de méandre, au niveau de la partie cylindrique de la chambre de combustion 2 on a également des canaux de refroidissements en forme de méandres au niveau de l'extension de buse 7 ou de la tuyère d'expansion 3. La figure 4 montre une autre variante de réalisation de la présente invention. On suppose dans ce cas que la sollicitation thermique de la paroi 12 du moteur est moindre dans la première zone 9 que dans la seconde zone 10 dans laquelle on suppose que la sollicitation thermique de la paroi 12 du moteur est plus poussée. On peut prévoir que la seconde zone 10 plus fortement sollicitée thermiquement, présente une géométrie de canaux de refroidissement 8 avec un plus grand nombre de courbures par unité de longueur que la première zone 9, c'est-à-dire que dans la seconde zone 10, les courbures auront une"longueur d'onde"plus réduite. On peut également prévoir dans la seconde zone 10, un plus grand nombre de courbures par unité de longueur avec un plus fort mélange du fluide de refroidissement et ainsi une meilleure évacuation de la chaleur. REVENDICATIONS 1 ) Moteur de fusée (1) refroidi par du liquide, comprenant une chambre de combustion (2) et une tuyère d'expansion (3), la chambre de combustion (2) et/ou la tuyère d'expansion (3) comportant des canaux de refroidissement (8) pour un liquide de refroidissement, caractérisé en ce qu' au moins une partie des canaux de refroidissement (8) présente au moins par segments une géométrie en forme de méandre. 2 ) Moteur de fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux de refroidissement (8) de la zone cylindrique (4) de la chambre de combustion (2) ont au moins par segment une géométrie en forme de méandres. 3 ) Moteur de fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la zone d'extension de tuyère (7) de la chambre de combustion (2) et/ou dans la zone de la tuyère d'expansion (3), les canaux de refroidissement (8) présentent au moins par segments une géométrie en forme de méandres. 4 ) Moteur de fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans les zones de forte sollicitation thermique (10), la géométrie en forme de méandres des canaux de refroidissement (8) présente un plus grand nombre de courbures ou parties cintrées par unité de longueur que dans les zones (9) de charge thermique moindre.