Brevet FR2828911A1 — publié le 20030228

MOTEUR-FUSEE A CIRCUIT FERME AVEC UNE ADMISSION MODULAIRE DES GAZ D'ECHAPPEMENT DE TURBINE La présente invention a trait à un moteur-fusée avec des turbines pour entraîner des pompes à propergol, le circuit du moteur-fusée étant fermé. Les turbines d'un tel moteur-fusée sont entraînées par les gaz de combustion d'un générateur de gaz séparé de la chambre de combustion du moteur-fusée. Dans un moteur à circuit fermé, contrairement au moteur à circuit ouvert, les gaz d'échappement de turbine sont introduits à nouveau dans le courant principal du moteur-fusée, à savoir, ils sont acheminés vers les propergols ou les gaz de combustion de la chambre de combustion du moteur-fusée. De tels moteurs à circuit fermé sont suffisamment connus d'après l'état de la technique, à ce propos, on renvoie par exemple aux brevets EP 1 022 454 et US 5 404 715. Un inconvénient de l'état antérieur de la technique est que l'admission des gaz d'échappement de turbine est réalisée jusqu'ici par des éléments de construction d'un seul tenant, spécialement adaptés. Notamment, lorsqu'une partie de l'admission vient en contact avec les gaz de combustion chauds de la chambre de combustion du moteurfusée, les gaz de combustion chauds limitent fortement la durée de vie des parties correspondantes de tels éléments de construction. Dans le cas d'une usure de ces parties de l'admission, il faut alors remplacer toute l'admission. En conséquence, on obtient qu'un faible degré de possibilité de recyclage pour l'admission des gaz d'échappement de turbine dans l'état de la technique. De même, on n'obtient qu'une faible adap-tabilité de l'admission à d'autres modes de construction. Le but de la présente invention est donc de préparer un moteur-fusée à circuit fermé, qui garantit un degré élevé de possibilité de recyclage et d'adaptabilité. Ce but est réalisé par la présente invention. L'invention comprend un moteur-fusée avec des turbines pour entraîner des pompes à propergol et avec un circuit fermé. Selon l'invention, on prévoit de réaliser une admission modulaire des gaz d'échappement de turbine dans le courant principal du moteur-fusée dans la zone de la tuyère de détente du moteur-fusée. Ici, cette admission modulaire est formée par un injecteur rapporté pourvu d'une jonction définie afin d'introduire les gaz d'échappement de turbine dans la tuyère de détente, et par une tubulure d'admission pouvant être raccordée mécaniquement à l'injecteur rapporté. Déjà en partant de la construction modulaire de l'admission selon l'invention, reliée à une jonction définie, on obtient l'avantage essentiel que, dans le cas où il faut adapter le mode de construction de l'admission, on peut modifier et optimiser respectivement l'un des éléments de l'admission qui sont adjacents à la jonction (injecteur rapporté et tubulure d'admission), indépendamment de l'autre élément. En disposant une jonction définie entre les deux éléments, on obtient toujours une action fonctionnelle conjointe des deux éléments lors d'une modification ou d'une adaptation de l'élément. Par conséquent, on obtient un degré plus élevé d'adaptabilité. Puisque l'on a choisi en outre, une répartition modulaire particulière de l'admission en un injecteur rapporté et une tubulure d'admission, à savoir, un élément qui est disposée presque exclusivement dans la zone des gaz de combustion chauds du moteur-fusée, et un autre élément qui ne vient pas en contact avec les gaz de combustion chauds du moteur-fusée, on obtient également un degré plus élevé de réutilisation pour l'admission. La tubulure d'admission n'est pratiquement pas exposée aux influences des gaz de combustion, lesquels limitent la durée de vie des éléments de construction d'un moteurfusée, et ainsi on peut pratiquement la réutiliser sans réserve. En constituant l'injecteur rapporté sous la forme d'un élément de construction modulaire séparé, on réduit au minimum la proportion des éléments non réutilisables de l'admission modulaire. En particulier, on peut prévoir de constituer aussi bien l'injecteur rapporté que la tubulure d'admission sous une forme annulaire. Ainsi, l'admission peut entourer le moteur-fusée dans la zone de la chambre de combustion ou la tuyère de détente, en formant un anneau. On peut garantir par ce biais une admission particulièrement uniforme des gaz d'échappement des turbines dans le courant principal. En principe, on peut alors prévoir l'admission au niveau de chaque position appropriée de la chambre de combustion ou de la tuyère de détente. Toutefois, de préférence, on prévoit de constituer l'injecteur rapporté sous forme d'un raccordement annulaire entre une zone à refroidissement régénératif de la tuyère de détente et une zone sans refroidissement régénératif de la tuyère de détente. De cette façon, on peut intégrer d'une manière particulièrement simple, l'injecteur rapporté dans la tuyère de détente. En particulier, on prévoit que l'injecteur rapporté présente des canalisations de gaz d'échappement de turbine avec des orifices de sortie, les canalisations de gaz d'échappement de turbine se prolongeant au moins parallèlement à la paroi de la tuyère de détente au moins dans la zone des orifices de sortie et les orifices de sortie étant adjacents à la paroi de la tuyère de détente. Ainsi, on parvient à introduire des gaz d'échappement de turbine dans la tuyère de détente à proximité de la paroi, la direction de l'écoulement des gaz d'échappement de turbine lorsqu'ils sortent par les orifices de sortie se prolongeant parallèlement à la direction d'écoulement des gaz de combustion dans la tuyère de détente. Ainsi, on empêche d'une part des influences perturbatrices résultant de l'introduction des gaz d'échappement de turbine, il se forme d'autre part une couche d'écoulement proche de la paroi des gaz d'échappement de turbine, entre la paroi de la tuyère et les gaz de combustion chauds, laquelle couche fait office de film refroidissant et film isolant. Ainsi, d'une part, on peut se passer d'un refroidissement supplémentaire ou d'un revêtement résistant à la chaleur de la paroi de tuyère dans cette zone et on prolonge la durée de vie de la paroi de tuyère en empêchant le contact direct avec les gaz de combustion chauds. On explicite dans la suite un exemple de réalisation particulier de la présente invention, en référence aux figures 1 à 4. La figure 1 présente une coupe transversale d'un moteur-fusée avec une admission modulaire de gaz d'échappement de turbine ; la figure 2 présente une coupe transversale d'une admission modulaire de gaz d'échappement de turbine ; la figure 3 présente une coupe transversale d'un injecteur rapporté ; la figure 4 présente une vue partielle de l'injecteur rapporté, depuis l'extrémité de la tuyère de détente. La figure 1 représente une coupe transversale globale d'un moteur-fusée à circuit fermé, qui présente un mode de réalisation particulier de l'admission de gaz d'échappement de turbine selon l'invention. Le moteur- fusée selon la figure 1 présente en tant que composants essentiels, une tête d'injection 8, une chambre de combustion 7, un col de chambre de combustion 6 et une tuyère de détente 3. La tuyère de détente 3 y est constituée d'une première zone à refroidissement régénératif 4, et d'une deuxième zone sans refroidissement régénératif 5 faisant office de prolongement de tuyère. On peut réaliser la chambre de combustion 7, le col de chambre de combustion 6 et la zone refroidie 4 de la tuyère 3, par exemple en partant d'une seule pièce. De plus, on prévoit des admissions 9, 15 pour les propergols du moteur-fusée. Une première admission 9, par exemple pour l'admission d'un oxydant, débouche directement dans la tête d'injection 8, une deuxième admission 15 est disposée sur la zone refroidie 4 de la tuyère de détente 3. Le propergol introduit par l'admission 15, par exemple un carburant, est introduit dans des canalisations de refroidissement 10, qui sont représentées explicitement sur la figure 2, pour refroidir la paroi du moteur par absorption de chaleur. Le propergol est conduit ici par les canalisations de refroidissement 10 en direction de la tête d'injection 8. Une admission 1,2 pour les gaz d'échappement de turbine est disposée sous la zone refroidie 4 de la tuyère de détente 3. Ces gaz d'échappement de turbine proviennent d'une ou plusieurs turbines non représentées qui sont entraînées par les gaz de combustion d'un générateur de gaz séparé, également non représenté, et qui entraînent également des pompes à propergol non représentées. Un tel procédé d'entraînement de pompe à propergol pour des moteurs-fusée est suffisamment connu d'après l'état de la technique. Le moteur-fusée possède par conséquent un circuit fermé, dans lequel les gaz d'échappement des turbines sont à nouveau introduits dans le courant principal du moteur, dans le cas présent dans la tuyère de détente 3 avec les gaz de combustion. On doit expliciter de façon détaillée dans la suite, l'admission 1,2 pour les gaz d'échappement de turbine, en référence à la figure 2. Comme l'indique la figure 2, l'admission 1, 2 pour les gaz d'échappement de turbine est constituée de façon modulaire. Elle est constituée d'un injecteur rapporté en forme d'anneau 2, qui se raccorde directement à la zone refroidie 4 de la tuyère de détente 3, et qui prolonge ainsi la paroi de la tuyère de détente 3. La zone sans refroidissement régénératif 5 de la tuyère de détente 3 s'y raccorde à nouveau au niveau de l'injecteur rapporté en forme d'anneau 2. L'injecteur rapporté 2 présente une jonction définie, par l'intermédiaire de laquelle il est raccordé à une tubulure d'admission en forme d'anneau 1 que l'on peut désigner également par anneau de base. Un raccord vissé 12 supplémentaire raccorde la zone refroidie 4 de la tuyère de détente 3 et la tubulure d'admission 1, l'injecteur rapporté 2 étant raccordé à la zone refroidie 4 et à la tubulure d'admission 1 par un accouplement mécanique par serrage. Mais on peut également prévoir d'autres types d'accouplement dans ces positions. Ce qui est essentiel ici, est que la tubulure d'admission 1 à chaque fois détachable avec les autres éléments de construction, doit en particulier être raccordée à l'injecteur rapporté 2 afin de garantir une possibilité de remplacement sur la base du concept modulaire de l'admission de gaz d'échappement de turbine. Comme il ressort de la figure 2, il n'y a qu'une petite partie de toute l'admission pour les gaz d'échappement de turbine qui se trouve dans la zone des gaz de combustion chauds du moteur-fusée. Cette partie est particulièrement exposée à des sollicitations thermiques et mécaniques élevées, et par conséquent très sujette à usure. A présent, on a choisi la répartition modulaire de l'admission en tubulure d'admission 1 et en injecteur rapporté 2, de manière tellement avantageuse que la partie sujette à usure est formée par l'injecteur rapporté 2 et son étendue spatiale a été réduite autant que possible à un minimum. La partie principale de l'admission est formée par la tubulure d'admission 1 sous la forme d'un anneau de base, qui est remplaçable et réutilisable, puisqu'elle n'est pas soumise à des sollicitations aussi élevées que celles subies par l'injecteur rapporté 2. L'injecteur rapporté 2 présente en particulier des canalisations 14 pour gaz d'échappement de turbine avec des orifices de sortie 13. Les canalisations 14 de gaz d'échappement de turbine se prolongent déjà dans une zone devant les orifices de sortie 13, parallèlement à la paroi de la tuyère de détente 3. Les orifices de sortie 13 sont directement adjacents à la paroi de la tuyère de détente 3, puisque l'injecteur rapporté 2, tel qu'indiqué à la figure 1, forme un prolongement direct de la paroi de la tuyère de détente 3 dans la zone devant les orifices de sortie 13, et après les orifices de sortie 13, la paroi de la tuyère de détente 3 se prolonge essentiellement, d'une manière décalée, autour de la largeur des orifices de sortie 13 vers l'extérieur. Par conséquent, on parvient à introduire les gaz d'échappement de turbine dans la tuyère de détente 3, directement le long de la paroi de la tuyère de détente 3, où la direction d'écoulement des gaz d'échappement de turbine, lorsqu'ils sortent des orifices de sortie 13, se prolonge parallèlement à la direction d'écoulement des gaz de combustion dans la tuyère de détente 3. Ainsi, on empêche des influences perturbatrices résultant de l'introduction des gaz d'échappement de turbine. D'autre part, il se forme une couche d'écoulement des gaz d'échappement de turbine, à proximité de la paroi, entre la paroi de tuyère 3 et les gaz de combustion chauds dans la zone sans refroidissement régénératif 5 de la tuyère de détente 3. Cette couche d'écoulement fait office ici de film refroidissant et de film isolant. Ainsi, on garantit que dans la zone sans refroidissement régénératif 5, il ne se produise pas de températures de paroi trop élevées, même sans refroidissement séparé, et que l'on peut se passer éventuellement de toute couche résistante à la chaleur, onéreuse, supplémentaire, de la paroi de tuyère dans cette zone 5. Grâce à ces mesures, on peut prolonger d'une façon simple la durée de vie de la paroi de tuyère en empêchant le contact direct avec les gaz de combustion chauds. La figure 3 présente une coupe à travers l'injecteur rapporté 2, dans laquelle les canalisations 14 de gaz d'échappement de turbine qui débouchent dans les orifices de sortie 13 sont à présent particulièrement explicites. Dans l'exemple selon la figure 4, les canalisations 14 de gaz d'échappement de turbine sont constituées sous la forme de trous longitudinaux de formes légèrement courbes, qui sont séparés l'un de l'autre par des entretoises. De même, ceci est encore une fois explicite d'après la figure 4 qui montre une vue partielle de l'injecteur rapporté 2 depuis le dessous, à savoir, depuis l'extrémité de la tuyère de détente 3. Ici, on distingue en particulier la forme de trou longitudinal légèrement recourbée des canalisations 14 de gaz d'échappement de turbine et leurs orifices d'échappement 13. Toutefois, les orifices de sortie 13 peuvent également présenter toute autre forme appropriée au lieu de la forme de trou longitudinal, par exemple une forme circulaire ou une forme de fente. Les figures 3 et 4 montrent encore explicitement la position des vissages 11 pour raccorder l'injecteur rapporté 2 à la zone non refroidie 5 de la tuyère de détente 3 et à la tubulure d'admission 1. REVENDICATIONS 1. Moteur-fusée avec des turbines pour entraîner des pompes à propergol et avec un circuit fermé, caractérisé en ce que, une admission modulaire des gaz d'échappement de turbine est prévue en direction du courant principal du moteur-fusée dans la zone de la tuyère de détente (3) du moteur-fusée, laquelle admission est formée par un injecteur rapporté (2) pourvu d'une jonction définie, en vue d'introduire les gaz d'échappement de turbine dans la tuyère de détente (3), et par une tubulure d'admission (1) pouvant être raccordée mécaniquement à l'injecteur rapporté (2). 2. Moteur-fusée selon la revendication 1, caractérisé en ce que, tant l'injecteur rapporté (2) que la tubulure d'admission (1) sont constitués sous forme annulaire. 3. Moteur-fusée selon la revendication 2, caractérisé en ce que, l'injecteur rapporté (2) est formé en tant que raccord de forme annulaire entre une première zone à refroidissement régénératif (4) de la tuyère de détente (3) et une deuxième zone sans refroidissement régénératif (5) de la tuyère de détente (3). 4. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, l'injecteur rapporté (2) présente des canalisations (14) de gaz d'échappement de turbine avec des orifices de sortie (13), les canalisations (14) de gaz d'échappement de turbine se prolongeant parallèlement à la paroi de la tuyère de détente (3) au moins dans la zone des orifices de sortie (13), et les orifices de sortie (13) étant adjacents à la paroi de la tuyère de détente (3).