Brevet FR2847945A1 — publié le 20040604

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne les moteurs fusées à propulsion solide et plus précisément la réalisation de la liaison entre fond arrière de chambre de combustion et tuyère. Une telle liaison comprend un assemblage mécanique, au moins 10 en direction axiale, entre fond et tuyère et la réalisation d'une étanchéité aux gaz de combustion au niveau de l'interface, ou joint, défini entre les surfaces en regard adjacentes du fond et de la tuyère. La liaison mécanique est couramment réalisée par des vis. Un tel mode de liaison a fait ses preuves, mais nécessite le respect de 15 procédures longues et contraignantes pour le serrage et le contrôle des vis, le nombre de celles-ci pouvant être très élevé, par exemple pouvant atteindre une centaine environ. L'étanchéité est réalisée habituellement par au moins un joint torique, généralement deux: un joint primaire et un joint secondaire 20 disposés en série dans l'interface. Les joints d'étanchéité sont traditionnellement réalisés en un matériau élastomère qui ne peut résister durablement sans dommage à la température des gaz de combustion produits dans la chambre. En outre, une barrière thermique est introduite dans l'interface entre l'extrémité de 25 celleci située du côté intérieur de la chambre et les joints d'étanchéité afin de refroidir les gaz de combustion ayant pénétré dans l'interface avant qu'ils puissent venir au contact du joint primaire. Dans l'art antérieur, la barrière thermique est couramment constituée par une couche de graisse. Or, il a été observé que cette 30 couche de graisse pouvait, dans certains cas, laisser un passage suffisant aux gaz de combustion pour que ceux-ci atteignent le joint primaire en étant encore à une température trop élevée. Objets et résumé de l'invention L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient en proposant une barrière thermique plus efficace. Ce but est atteint grâce à une liaison entre fond arrière de chambre de combustion et tuyère de moteur fusée du type comprenant des moyens de liaison mécanique reliant la tuyère au fond au moins en direction axiale, ainsi qu'une barrière thermique et au moins un joint 5 d'étanchéité disposés dans l'interface définie par les surfaces en regard adjacentes du fond et de la tuyère, liaison dans laquelle, conformément à l'invention, la barrière thermique comporte au moins une texture en fibres réfractaires formant un cordon enroulé dans l'interface autour de l'axe longitudinal de la 10 chambre, le ou les cordons étant réalisés de manière à assurer une continuité circonférentielle de la barrière thermique. L'utilisation de cordon(s) en fibres réfractaires, par exemple en carbone et/ou en céramique, permet de conférer à la barrière thermique une bonne tenue à la température des gaz de combustion. Le ou chaque cordon peut être sous forme d'une tresse ou de strates fibreuses bidimensionnelles superposées, par exemple des couches de tissu. La réalisation de la texture fibreuse (tresse ou strates) et son degré de compactage dans l'interface déterminent la perméabilité de la barrière thermique aux gaz, l'objet étant d'imposer aux gaz un temps de 20 traversée de la barrière thermique suffisamment long pour assurer un refroidissement suffisant de ceux-ci, la texture fibreuse prélevant de la chaleur des gaz pour la retransmettre aux parois entre lesquelles elle est enserrée. Avantageusement, l'effet de la barrière thermique est renforcé 25 en disposant le ou les cordons dans une partie de l'interface formant chicane sur le trajet de gaz de combustion susceptibles de s'insinuer dans l'interface. En effet, une telle chicane provoque un allongement du trajet des gaz de combustion et évite une exposition directe de la barrière thermique à la radiation de la chambre de combustion. La continuité circonférentielle de la barrière thermique peut être assurée de diverses façons. Ainsi, selon un mode particulier de réalisation, la barrière thermique comprend au moins deux cordons distincts, les extrémités d'un des cordons occupant par rapport à l'axe de la chambre des positions angulaires différentes de celles des extrémités de l'autre 35 cordon. Selon un autre mode de réalisation, la barrière thermique comprend au moins un cordon enroulé en hélice s'étendant sur plus de la circonférence de l'interface. L'utilisation d'un ou plusieurs cordons continus fermés peut aussi être envisagée. Dans un mode de réalisation, la barrière thermique est disposée dans l'interface fond-tuyère entre l'extrémité de celle-ci située du côté 5 intérieur de la chambre de combustion et un ou plusieurs joints d'étanchéité. Dans un autre mode de réalisation, notamment lorsque la barrière thermique est sous forme d'une texture fibreuse compactée dans l'interface, en particulier au niveau d'une partie de l'interface formant 10 chicane, la barrière thermique peut également former joint d'étanchéité. Selon un autre aspect de l'invention, les moyens de liaison mécanique comprennent au moins une pièce de verrouillage axial annulaire logée partiellement et retenue dans une gorge formée du côté extérieur du fond et sur laquelle s'appuie une surface d'extrémité de la 15 tuyère. Un tel moyen de liaison mécanique représente une simplification importante par rapport à l'utilisation de vis, comme dans l'art antérieur. Selon un mode de réalisation, la pièce de verrouillage axial est 20 une pièce annulaire fendue dont la mise en place et le retrait peuvent être réalisés par déformation élastique. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de liaison mécanique comportent un jonc en plusieurs secteurs maintenus en place par serrejonc. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue très simplifiée en demi-coupe axiale de la partie arrière d'un moteur fusée; la figure 2 est une vue à échelle agrandie montrant un premier mode de réalisation d'une liaison conforme à l'invention entre fond arrière de chambre de combustion et tuyère dans un moteur fusée 35 tel que par exemple celui de la figure 1; - la figure 3 est une vue de détail montrant un exemple d'enroulement d'un cordon formant barrière thermique dans la liaison de la figure 2; - les figures 4 et 5 sont des vues de détail montrant deux 5 modes de réalisation du cordon formant la barrière thermique dans la liaison de la figure 2; - les figures 6 à 9 sont des vues semblables à celle de la figure 2 montrant des variantes de réalisation de la barrière thermique; et - la figure 10 est une vue semblable à celle de la figure 6 10 montrant un autre mode de réalisation de la liaison mécanique entre fond et tuyère. Description détaillée de modes de réalisation On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui montre de façon 15 simplifiée un agencement d'une partie arrière de moteur fusée à propulsion solide. Le moteur fusée comprend une chambre de combustion 10 délimitée par une enveloppe 12 qui se termine, à l'arrière de la chambre, par un fond arrière 14. Une tuyère 20 est raccordée au fond 14. Dans l'exemple représenté, la tuyère est orientable par pivotement par rapport à l'axe longitudinal A de la chambre de combustion. A cet effet, l'ensemble formé par le convergent 20a, le col 20b et le divergent 20c est monté sur une pièce annulaire de support, ou talon 22, par l'intermédiaire d'une butée 25 d'articulation sphérique 24. La butée 24 est par exemple de type butée lamifiée formée par empilement de couches sphériques alternativement des couches métalliques rigides et des couches d'élastomère adhérisées les unes aux autres. La butée 24 est isolée de l'intérieur de la chambre de combustion par une membrane 26. Des moyens d'activation, par exemple 30 des vérins (non représentés) montés sur l'enveloppe 12 et agissant sur un anneau d'activation du côté extérieur du divergent, permettent de conférer à l'axe de la tuyère, donc à la direction d'éjection des gaz de combustion, une orientation désirée par rapport à l'axe A. Le talon 22 est fixe par rapport à l'enveloppe 12 et est relié au 35 fond arrière 14. Des moyens de liaison mécanique (non représentés sur la figure 1) relient axialement le talon 22 au fond 14. Le fond 14 et le talon 22 sont assemblés le long d'une interface ou joint 30 défini par les surfaces en regard du talon 22 et du fond 14 et qui s'étend sensiblement en direction axiale entre l'intérieur et l'extérieur de la chambre de combustion. L'interface 30 est pourvue de joints d'étanchéité protégés par une barrière thermique (non représentés sur la figure 1). Un agencement de partie arrière de moteur fusée tel que brièvement décrit ci-dessus est bien connu en soi. Le domaine d'application de l'invention n'est bien entendu pas limité aux moteurs fusées à tuyère orientable mais inclut aussi ceux à tuyère fixe. Un mode de réalisation d'une liaison conforme à l'invention entre le fond arrière 14 et le talon de tuyère 22 dans un moteur fusée tel que par exemple celui de la figure 1 est illustré de façon détaillée par la figure 2. Dans cet exemple, le fond 14 comprend une paroi extérieure 15 14a, par exemple métallique, munie du côté intérieur d'une protection thermique 14b, par exemple en élastomère, de façon connue en soi. De la même manière, le talon de tuyère 22 comprend une paroi externe 22a, par exemple métallique, qui correspond à/et prolonge la paroi 14a du fond, et une protection thermique interne 22b, par exemple en 20 élastomère, qui prolonge la protection thermique 14b du fond. L'interface 30 présente un profil non rectiligne, en coupe axiale (ou méridienne), la surface du talon 22 bordant l'interface 30 ayant un diamètre qui varie de façon non décroissante le long de l'interface 30 depuis l'extrémité de celle-ci située du côté intérieur de la chambre de 25 combustion. Dans l'exemple illustré, un joint d'étanchéité ou, de préférence, par souci de sécurité, au moins deux joints d'étanchéité respectivement primaire 32 et secondaire 34 sont disposés en série dans l'interface 30. Les joints 32 et 34 sont formés chacun par un joint torique en matériau 30 élastomère. Chaque joint est logé dans une gorge annulaire, respectivement 36, 38, formée dans l'une des surfaces en regard du fond 14 et du talon 22, dans l'exemple illustré celle du talon 22, et est comprimé par application de l'autre surface. Les joints 32 et 34 sont éloignés de l'extrémité de l'interface 30 située du côté intérieur de la 35 chambre de combustion, de préférence situés dans la partie de l'interface bordée par les parois métalliques 14a et 22a. Une barrière thermique 40 est disposée dans l'interface 30 entre l'extrémité de celle-ci située du côté intérieur de la chambre et les joints d'étanchéité 32, 34. La barrière thermique 40 est par exemple située dans la partie de l'interface 30 bordée par les protections thermiques 14b 5 et 22b, mais est avantageusement éloignée de l'extrémité intérieure de l'interface pour éviter sa destruction prématurée lors de l'érosion des protections thermiques 14b, 22b par les gaz de combustion. La barrière thermique est donc proche des parois métalliques 14a, 22a. Elle pourrait être logée dans la partie d'interface 30 située entre ces parois métalliques 10 14a, 22a. Dans l'exemple illustré, la barrière thermique 40 comprend un cordon 42 en fibres réfractaires, par exemple en fibres de carbone qui est enroulé entre des décrochements 14c et 22c formés dans les parois en regard du fond 14 et du talon 22. Le cordon 42 est enroulé sur plus d'un tour autour de l'axe A de manière que la continuité de la barrière thermique en direction axiale ne soit pas interrompue au niveau des extrémités du cordon. L'enroulement du cordon 42 est par exemple réalisé sur environ deux tours, comme montré par la figure 3. Sur cette figure, le cordon continu 42 forme deux 20 spires circulaires adjacentes. La partie 42c reliant les deux spires passe entre les extrémités 42a et 42b du cordon. Les extrémités 42a et 42b sont conformées pour minimiser le jeu circonférentiel entre la partie 42c et ces extrémités. Le cordon 42 est par exemple constitué par une tresse de fibres 25 de carbone telle que représentée sur la figure 4. Les décrochements 14c et 22c sont réalisés de manière à aménager un logement pour le cordon 42 tout en réalisant une compression de celui-ci, limitant sa perméabilité aux gaz. En outre, les décrochements 14_, 22c confèrent à la partie de l'interface 30 o se 30 trouve la barrière thermique une forme de chicane. Ce profil en chicane, allié à la perméabilité limitée du cordon 42, empêche une traversée rapide de la barrière thermique par les gaz de combustion pénétrant dans l'interface 30 depuis la chambre de combustion. Les gaz traversant finalement la barrière thermique peuvent alors être suffisamment refroidis 35 au contact des parois en regard du fond 14 et du talon 22 avant de parvenir au joint primaire 32. La traversée de la barrière thermique par les gaz de combustion permet à ceux-ci d'assurer une pressurisation du joint primaire 32 pour une bonne efficacité de ce joint. On notera que les parois des décrochements 14c, 22c qui enserrent le cordon 42 sont radiales. Elles pourraient être coniques. Des structures fibreuses autres qu'une tresse peuvent être utilisées pour réaliser le cordon de la barrière thermique. Ainsi, la figure 5 montre un cordon 42' formé par des strates fibreuses superposées constituées chacune par une bande de texture fibreuse bidimensionnelle par exemple une bande de tissu de carbone. Les 10 strates superposées sont repliées sur la longueur du cordon, ce qui leur confère un profil en U. Le côté ouvert du U est disposé dans l'interface 30 de manière à être orienté vers l'extrémité de celle-ci située du côté intérieur de la chambre. De la sorte, des gaz de combustion parvenant au contact du cordon 42' ont tendance à appliquer ses bords longitudinaux 15 sur les surfaces en regard délimitant l'interface 30. Bien que l'on ait envisagé la réalisation du cordon 42 en fibres de carbone, d'autres fibres réfractaires peuvent être utilisées, par exemple des fibres céramiques. Au moment de sa mise en place sur le fond 14 ou le talon 22, 20 avant compression entre ces deux pièces, le cordon 42 peut être maintenu par exemple par interposition d'une couche de graisse ou par collage localisé. La liaison mécanique entre le fond 14 et le talon de tuyère 22 peut être réalisée de façon connue par vis. Dans l'exemple illustré, et de 25 façon plus simple, elle est réalisée au moyen d'une pièce de verrouillage (figure 2). La pièce 50 est sous forme d'un anneau métallique fendu à section en L dont une aile 50a est partiellement logée dans une gorge 52 formée dans une surface 14d du fond prolongeant du côté extérieur celle 30 délimitant l'interface 30. Le talon de tuyère 12 présente une surface d'extrémité radiale 12d qui s'appuie sur la partie de l'aile 50a faisant saillie hors de la gorge 52. L'autre aile 50b de la pièce 50 s'appuie sur la surface 14_ pour compenser l'effort d'appui du talon 22 sur l'aile 50a. La pièce 50 peut être mise en place ou retirée par déformation élastique en direction circonférentielle. Le blocage en direction axiale du talon de tuyère 22 par rapport au fond 14 est réalisé par la pièce de verrouillage 50 en combinaison avec des appuis localisés non axiaux entre des surfaces du fond 14 et du talon 22 bordant l'interface 30. La figure 6 illustre une variante de réalisation de la barrière thermique 40 de la figure 2. Selon cette variante, le cordon 42 en fibres réfractaires est enroulé en hélice entre deux décrochements hélicodaux 14e et 22e formés dans les parois en regard du fond 14 et du talon 22. Le cordon 42 est enroulé sur plus d'un tour autour de l'axe A de manière que 10 la continuité de la barrière thermique en direction axiale ne soit pas interrompue au niveau des extrémités du cordon. La figure 7 illustre une autre variante de réalisation de la barrière thermique 40 de la figure 2. Selon cette variante, une gorge hélicodale 22f, par exemple à section en V, est formée dans un 15 décrochement radial 22g de la surface du talon de tuyère 22 bordant l'interface. Le cordon 42 est enroulé autour de l'axe A dans la gorge 22f et est enserré entre la paroi de celle-ci et un décrochement radial 14g de la surface du fond 14, bordant l'interface 30, correspondant au 20 décrochement 22g. Les décrochements 14g et 22g confèrent une forme de chicane à l'interface 30 au niveau de la barrière thermique. La figure 8 illustre une autre variante de réalisation de la barrière thermique 40 de la figure 2. Une gorge hélicodale 22h, par 25 exemple à section en V, est formée dans une partie de paroi axiale 22i de la surface du talon de tuyère 22 bordant l'interface 30. Le cordon 42 est enroulé autour de l'axe A dans la gorge 22h et est enserré entre la paroi de celle-ci et une partie de paroi axiale 14i de la surface du fond 14 bordant l'interface 30. La figure 8 ne montre pas de forme de chicane 30 pour l'interface 30 au niveau de la barrière thermique. On pourra toutefois créer une telle chicane par des décrochements des parois des surfaces en regard du fond 14 et du talon 22 au voisinage immédiat de l'emplacement du cordon 42. La figure 9 illustre encore une autre variante de réalisation de 35 la barrière thermique 40 de la figure 2. Selon cette variante, la barrière thermique comporte deux cordons 421, 422 circulaires disposés en série et à proximité l'un de l'autre dans l'interface 30. Le cordon 42, est logé au niveau du raccordement entre une 5 partie axiale 22j de la surface du talon de tuyère 22 bordant l'interface 30 et un décrochement radial 22k de cette même surface. Il est enserré entre les surfaces 22>, 22k et une partie de paroi conique 14k de la surface du fond 14 bordant l'interface 30. Le cordon 422 est enroulé dans une gorge 221 par exemple à 10 section en V, formée dans une partie axiale de la surface du talon de tuyère 22 bordant l'interface 30. Il est enserré entre les parois de la gorge 22 et une partie de paroi axiale 141 de la surface du fond 14 bordant l'interface 30. Les cordons 42. et 422 entourent chacun complètement l'axe A. 15 Les extrémités du cordon 42, sont décalées angulairement par rapport à celles du cordon 422 pour conserver la continuité de la barrière thermique en direction axiale. Bien entendu, de multiples variantes pourront être imaginées au-delà de celles décrites ci-dessus en disposant un ou plusieurs cordons 20 enserrés entre des parties de parois radiales, axiales ou coniques. Par exemple, on pourra associer un cordon hélicodal à un ou plusieurs cordons circulaires. On notera en outre que la barrière thermique pourra constituer également un joint d'étanchéité, de sorte que le joint d'étanchéité primaire 25 32, voire les deux joints d'étanchéité 32 et 34 pourraient être omis. Cela peut être plus particulièrement le cas lorsque la barrière thermique est un cordon formé de texture fibreuse compressible enroulé sur plus d'un tour en étant comprimé dans l'interface 30, notamment lorsque le cordon est disposé dans un ou plusieurs logements ménagés dans une chicane de 30 l'interface 30. La figure 10 illustre un autre mode de réalisation de la liaison mécanique entre le fond 14 et le talon de tuyère 22, les éléments communs entre ce mode de réalisation et celui de la figure 2 ayant les mêmes références. Selon cette variante, on utilise une pluralité de pièces de verrouillage en forme de secteurs d'anneaux. Chaque pièce 50' a un profil en L analogue à la pièce 50 de la figure 2, avec une aile 5O'a qui est logée partiellement dans la gorge 52 formée dans la surface 14d du fond 14 et une aile 50'b prenant par sa face interne appui sur cette surface 14d. Le talon de tuyère 22 s'appuie sur les ailes 50'a des pièces 50'. Chaque pièce 50' s'étend sur un angle qui n'excède pas 1800 et est maintenue en place par un serre-jonc 54. Celui-ci est fixé par des vis 56 au talon de tuyère 22 et prend appui sur la face externe de l'aile 50'b. REVENDICATIONS 1. Liaison entre fond arrière (14) de chambre de combustion et tuyère (20) de moteur fusée comprenant: des moyens de liaison 5 mécanique reliant la tuyère au fond au moins en direction axiale, ainsi qu'une barrière thermique (40) et au moins un joint d'étanchéité (32, 34) disposés dans l'interface (30) définie par les surfaces en regard adjacentes du fond et de la tuyère, caractérisée en ce que la barrière thermique (40) comporte au moins une 10 texture en fibres réfractaires formant un cordon (42; 421, 422) enroulé dans l'interface autour de l'axe longitudinal (A) de la chambre, le ou les cordons étant réalisés de manière à assurer une continuité circonférentielle de la barrière thermique (40). 2. Liaison selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ou 15 les cordons (42; 421, 422) sont disposés dans une partie de l'interface (30) formant chicane sur le trajet de gaz de combustion susceptibles de s'insinuer dans l'interface. 3. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le ou chaque cordon (42; 421, 422) est en fibres 20 choisies parmi des fibres en carbone et/ou des fibres céramiques. 4. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le ou chaque cordon (42; 421, 422) est constitué par une tresse. 5. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 25 caractérisée en ce que le ou chaque cordon (42') est constitué par des strates fibreuses bidimensionnelles superposées. 6. Liaison selon la revendication 5, caractérisée en ce que les strates superposées sont repliées sur elles-mêmes sur la longueur du cordon (42'), donnant aux strates un profil en U, le côté ouvert du U étant 30 tourné vers l'extrémité de l'interface (30) située du côté intérieur de la chambre. 7. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la barrière thermique (40) comprend au moins deux cordons distincts (421, 422), les extrémités d'un des cordons 35 occupant par rapport à l'axe de la chambre des positions angulaires différentes de celles des extrémités de l'autre cordon. 8. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la barrière thermique (40) comprend au moins un cordon (42) enroulé en hélice s'étendant sur plus de la circonférence de l'interface. 9. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le ou chaque cordon (42; 421, 422) est enserré entre des parties des surfaces en regard définissant l'interface (30). 10. Liaison selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une partie de surface qui enserre le cordon est radiale. 11. Liaison selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une partie de surface qui enserre le cordon est axiale. 12. Liaison selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une partie de surface qui enserre le cordon est conique. 13. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, 15 caractérisée en ce que la barrière thermique (40) est disposée dans l'interface (30) entre l'extrémité de celle-ci située du côté intérieur de la chambre de combustion et le ou les joints d'étanchéité. 14. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la barrière thermique (40) constitue également 20 joint d'étanchéité. 15. Liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que les moyens de liaison mécanique comprennent au moins une pièce de verrouillage axial annulaire (50) logée partiellement et retenue dans une gorge (52) formée du côté extérieur du fond et sur 25 laquelle s'appuie une surface d'extrémité (22d) de la tuyère (20). 16. Liaison selon la revendication 15, caractérisée en ce que la pièce de verrouillage axiale (50) est une pièce annulaire fendue dont la mise en place et le retrait peuvent être réalisés par déformation élastique. 17. Liaison selon la revendication 15, caractérisée en ce que les 30 moyens de liaison mécanique comportent un jonc en plusieurs secteurs (50') maintenus en place par serre-jonc (54).