Brevet FR2861810A1 — publié le 20050506

TÊTE D'INJECTION POUR MOTEUR-FUSÉE A PROPERGOL LIQUIDE La présente invention concerne une tête d'injection pour un moteur-fusée à propergol ou carburant liquide. On connaît des têtes d'injection pour des moteurs-fusées à propergol ou carburant liquide, dans lesquelles sont prévus un nombre de premiers orifices d'injection pour injecter des jets de propergol ou carburant d'un premier composant de propergol ou carburant dans la chambre de combustion du moteur-fusée et un nombre de deuxièmes orifices d'injection pour injecter des jets de propergol ou carburant d'un deuxième composant de propergol ou carburant dans la chambre de combustion du moteur-fusée, un mélange réciproque des composants de propergol ou carburant étant effectué. La tête d'injection du moteur-fusée a pour but de garantir une combustion complète du propergol ou carburant pour un volume de chambre de combustion réduit par une bonne préparation du mélange, d'assurer un mélange de gaz de combustion homogène, une haute stabilité de la combustion et des pertes de pression d'injection les plus réduites possibles. On veut éviter, en outre, un apport de chaleur élevé non admissible sur les parois de la chambre de combustion et de l'injecteur. Les coûts de fabrication doivent être les plus bas possibles. On connaît, par l'ouvrage de George P. Sutton et Oscar Biblarz intitulé Rocket Propulsion Elements , septième édition, pp. 271 à 276, différents types de 2861810 2 têtes d'injection pour moteurs-fusées à propergol ou carburant liquide, parmi lesquels ceux qui fonctionnent suivant le procédé d'injection à jets coaxiaux, rotatifs ou à chocs. Ces types de têtes d'injection présentent l'inconvénient que des traînées de propergol ou carburant peuvent se former dans la chambre de combustion, dans lesquelles domine soit une combustion grasse par excès de combustible, soit une combustion maigre par excès d'oxydant. Une telle formation de traînées nuit au rendement de combustion, c'est-à-dire au degré de qualité de la combustion, d'une part, et des traînées maigres peuvent entraîner la corrosion par gaz chauds ou des surélévations de température ponctuelles, appelées point chauds ( hot spots en langue anglaise) sur la paroi de la chambre de combustion, avec la conséquence éventuelle d'une destruction de la chambre de combustion, d'autre part. Des traînées avec excès de combustible peuvent, lorsqu'il s'agit d'un combustible décomposable thermiquement, conduire à des pics de pression locaux qui peuvent provoquer des instabilités de combustion très fréquentes. Par ailleurs, on connaît, comme l'un des types les plus anciens, des têtes d'injection fonctionnant suivant le procédé d'injection à pomme d'arrosoir à jets parallèles qui sont en mesure de fournir une formation de mélange homogène, exempte de traînée, de l'oxydant et du combustible, aussi bien dans la direction axiale, c'est- à-dire dans la direction d'écoulement des gaz de combustion, que dans la direction radiale, donc perpendiculairement à la direction axiale. On connaît alors des dispositions dans lesquelles les orifices d'injection pour combustible et oxydant sont disposés de 2861810 3 manière alternée en damier, en cercles ou en nid d'abeilles. Cependant, les têtes d'injection à pomme d'arrosoir à jets parallèles connues présentent l'inconvénient que, pour atteindre un rendement de combustion élevé et une puissance élevée, des longueurs de chambre de combustion très grandes sont nécessaires. Cela résulte essentiellement de ce que, par l'injection parallèle de combustible et oxydant, les deux composants viennent en contact seulement petit à petit et ainsi leur réaction n'a lieu qu'après une distance relativement grande. L'invention a pour but de réaliser une tête d'injection pour un moteurfusée à propergol ou carburant liquide permettant d'atteindre, dès une longueur de chambre de combustion réduite, une combustion complète, homogène et stable. On réalise, grâce à l'invention, une tête d'injection pour un moteurfusée à propergol ou carburant liquide avec un nombre de premiers orifices d'injection et un nombre de deuxièmes orifices d'injection pour injecter des jets de propergol ou carburant d'un premier composant de propergol ou carburant ou d'un deuxième composant de propergol ou carburant dans la chambre de combustion du moteur-fusée avec mélange réciproque des composants de propergol ou carburant. Selon l'invention, il est prévu que les premiers orifices d'injection soient prévus pour injecter des jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant avec une grande impulsion et que les deuxièmes orifices d'injection soient prévus pour injecter des jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant avec une petite impulsion et que les 2861810 4 premiers et les deuxièmes orifices d'injection soient disposés les uns par rapport aux autres de telle sorte qu'une addition du deuxième composant de propergol ou carburant au premier composant de propergol ou carburant ait lieu sous l'effet d'éjecteur des jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant quittant les premiers orifices d'injection. La tête d'injection selon l'invention comporte l'avantage essentiel que, par l'injection parallèle des deux composants de propergol ou carburant, donc du propergol ou carburant et de l'oxydant, un mélange des propergol ou carburants ait lieu de manière typique non dans la phase liquide, mais seulement dans la phase gazeuse, ce qui évite des instabilités de combustion très fréquentes. Un autre avantage réside dans le fait que la qualité de la tête d'injection est relativement insensible à des tolérances de fabrication sur les trous d'injection individuellement, c'est-à-dire qu'un écart dimensionnel de chaque orifice associé ne joue qu'un rôle secondaire du fait du grand nombre d'orifices d'injection et qu'il peut par là même être négligé la plupart du temps. Cela est avantageux en ce qui concerne le travail et les coûts de fabrication. Un autre grand avantage de la tête d'injection selon l'invention est qu'elle permet d'atteindre un rendement élevé de combustion du moteur-fusée à propergol ou carburant: liquide en raison d'une vitesse caractéristique élevée et par conséquent d'une puissance spécifique élevée du propulseur. Enfin, le fait que, en raison des surchauffes ponctuelles plus rares, la plage de fonctionnement du moteur-fusée puisse être largement étendue représente un avantage essentiel. En outre, par comparaison avec d'autres procédés 2861810 5 d'injection, le propulseur peut fonctionner encore de manière absolument stable à des pressions d'injection sensiblement plus basses. Suivant un mode de réalisation préféré de la tête d'injection selon l'invention, il est prévu que les premiers orifices d'injection présentent une petite section d'écoulement pour produire les jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant avec une grande impulsion et que les deuxièmes orifices d'injection présentent une grande section d'écoulement pour produire les jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant avec une petite impulsion. Les premiers orifices d'injection et les deuxièmes orifices d'injection débouchent de préférence à la surface d'une plaque d'injection limitant la tête d'injection côté chambre de combustion. Suivant un mode de réalisation particulièrement préféré de la tête d'injection selon l'invention, il est prévu que les deuxièmes orifices d'injection à la surface de la plaque d'injection présentent une première zone avec une grande section d'écoulement prévue pour produire les jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant avec une petite impulsion et, en amont par rapport à la direction d'écoulement du deuxième composant de propergol ou carburant, une deuxième zone avec une petite section d'écoulement. La deuxième zone avec petite section d'écoulement se trouvant sur les deuxièmes orifices d'injection sert avantageusement à produire une grande différence de pression d'injection qui est favorable au désaccouplement hydraulique du système de transport de propergol ou carburant et de la chambre de combustion. Les orifices d'injection sont de préférence disposés avec leurs axes parallèles entre eux. Suivant un mode de réalisation préféré de la tête d'injection selon l'invention, il est prévu que les premiers orifices d'injection et les deuxièmes orifices d'injection soient disposés de manière alternée. Les premiers orifices d'injection et les deuxièmes orifices d'injection peuvent être disposés de manière alternée en damier. En variante, les premiers orifices d'injection et les deuxièmes orifices d'injection peuvent être disposés de manière alternée en forme de cercles. Suivant une autre variante, les premiers orifices d'injection et les deuxièmes orifices d'injection peuvent être disposés de manière alternée en nid d'abeilles. Suivant des dimensionnements préférés de la tête d'injection selon l'invention, il est prévu que les premiers orifices d'injection présentent un diamètre de 0,05 à 0,5 mm, de préférence de 0,05 à 0,15 mm. Suivant d'autres dimensionnements avantageux de la tête d'injection selon l'invention, il est prévu que les deuxièmes orifices d'injection présentent un diamètre de 0,2 à 2 mm, de préférence de 0,3 à 1,2 mm. Enfin, il est avantageusement prévu que l'écart entre les premiers orifices d'injection et les deuxièmes orifices d'injection soit inférieur à 2 mm, de préférence inférieur à 1 mm. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après d'exemples de réalisation de la tête d'injection selon l'invention pour un moteur-fusée à 2861810 7 propergol ou carburant liquide représentés sur les dessins annexés, sur lesquels: Les figures la) et lb) sont, l'une, une vue de dessus et, l'autre, une vue de côté en coupe partielle d'une tête d'injection pour un moteur-fusée à propergol ou carburant liquide suivant un exemple de réalisation de l'invention; La figure 2 est un extrait: agrandi de la figure lb) en vue d'expliquer l'effet d'éjecteur utilisé pour mélanger les composants de propergol ou carburant dans la présente invention; La figure 3 est, par comparaison, une vue analogue à la figure 2 pour un procédé d'injection à jets parallèles traditionnel suivant l'état de la technique; Les figures 4a) à 4c) sont des vues de dessus des différentes dispositions possibles des orifices d'injection de la tête d'injection selon l'invention, représentées de manière schématisée et La figure 5 représente schématiquement les possibilités d'une modulation de la tête d'injection en variant le nombre des orifices d'injection pour une dimension identique des orifices. Les figures la) et lb) représentent une tête d'injection 1 pour un moteurfusée à propergol ou carburant liquide. La tête d'injection 1 dispose d'un nombre de premiers orifices d'injection 3 pour injecter des jets de propergol ou carburant d'un premier composant de propergol ou carburant et d'un nombre de deuxièmes orifices d'injection 4 pour injecter des jets de propergol ou carburant d'un deuxième composant de propergol ou carburant dans la chambre de combustion 8 du moteur-fusée qui est simplement esquissé sur la figure. 2861810 8 Le premier composant de propergol ou carburant peut être un combustible, le deuxième composant de propergol ou carburant peut être un oxydant ou inversement. Les premiers orifices d'injection 3 et les deuxièmes orifices d'injection 4 débouchent à la surface 2a d'une plaque d'injection 2 limitant la tête d'injection 1 par rapport à la chambre de combustion 8. Les premiers orifices d'injection 3 ont une section d'écoulement relativement petite, de sorte que les jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant sont éjectés des premiers orifices d'injection 3 avec une grande vitesse et donc avec une grande impulsion. Les deuxièmes orifices d'injection 4, au contraire, ont une section d'écoulement relativement grande, de sorte que les jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant sont éjectés des deuxièmes orifices d'injection 4 avec une vitesse relativement petite et donc une impulsion relativement petite. Les premiers et les deuxièmes orifices d'injection 3, 4 sont disposés les uns par rapport aux autres de manière à ce qu'ait lieu une addition du deuxième composant de propergol ou carburant, qui quitte les deuxièmes orifices d'injection 4 avec une petite impulsion, au premier composant de propergol ou carburant sous l'effet d'éjecteur des jets du premier composant de propergol ou carburant quittant les premiers orifices d'injection 3 avec grande impulsion. Ainsi qu'on le voit sur la figure lb), les premiers et les deuxièmes orifices d'injection 3, 4 sont disposés avec leurs axes parallèles entre eux et de manière alternée, un agencement alterné en damier des premiers orifices d'injection 3 et des deuxièmes orifices 2861810 9 d'injection 4 étant prévu dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure la). Ainsi que le montre la figure 2, les deuxièmes orifices d'injection 4 ont, à la surface 2a de la plaque d'injection 2, une première zone 5 avec une grande section d'écoulement qui est prévue pour produire les jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant avec petite impulsion et, en amont par rapport à la direction d'écoulement du deuxième composant de propergol ou carburant, donc à partir de la surface 2a de la plaque d'injection 2, une deuxième zone 6 avec une petite section d'écoulement qui est prévue;pour produire une grande différence de pression d'injection servant au désaccouplement hydraulique entre transport de propergol ou carburant et chambre de combustion et par conséquent à la stabilisation de la combustion. Les deuxièmes orifices de combustion 4 peuvent être réalisés par un insert d'injecteur 7. La figure 3, au contraire, montre une disposition des premiers et des deuxièmes orifices d'injection 3', 4' d'une tête d'injection suivant un procédé d'injection à ;pomme d'arrosoir à jets parallèles suivant l'état de la technique. Ici, les premiers et les deuxièmes orifices d'injection 3', 4' ont sensiblement la même section d'écoulement et il n'y a pas de mélange des composants sous l'effet d'éjecteur comme dans le cas de l'invention. Pour en revenir à l'invention, les premiers orifices d'injection 3 peuvent présenter un diamètre de 0,05 à 0,5 mm, de préférence de 0,05 à 0, 15 mm, les deuxièmes :30 orifices d'injection 4 peuvent présenter un diamètre de 0,2 à 2 mm, de préférence de 0,3 à 1,2 mm. Ce sont des dimensions qui sont avantageuses pour la plupart des cas d'utilisation, mais des dimensions en dehors de ces plages sont aussi possibles. L'écart entre les premiers orifices d'injection 3 et les deuxièmes orifices d'injection 4 est de préférence inférieur à 2 mm, en particulier inférieur à 1 mm, l'écart étant mesuré entre les entraxes des différents orifices d'injection 3, 4. Les figures 4a) à 4c) montrent schématiquement différents modes de disposition alternée des premiers orifices d'injection 3 et des deuxièmes orifices d'injection 4. Sur la figure 4a), on a représenté une disposition alternée en damier des premiers orifices d'injection 3 et des deuxièmes orifices d'injection 4, ainsi que cela est aussi le cas dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure la). La figure 4b) montre une disposition alternée circulaire des premiers orifices d'injection 3 et des deuxièmes orifices d'injection 4. Sur chacun des cercles représentés, sont prévus alternativement des premiers orifices d'injection 3 et des deuxièmes orifices d'injection 4. La figure 4c) montre une disposition alternée en nid d'abeilles des premiers orifices d'injection 3 et des deuxièmes orifices d'injection 4. Au centre de chaque alvéole est prévu, par exemple, un premier orifice d'injection 3, à chaque angle d'une alvéole est prévu de manière correspondante un deuxième orifice d'injection 4. La figure 5 représente schématiquement les :30 possibilités d'une modulation de la tête d'injection par variation du nombre des orifices d'injection pour une dimension identique des orifices. Il est possible de 2861810 11 réaliser des têtes d'injection pour des moteurs-fusées à propergol ou carburant liquide de puissances différentes avec les mêmes dimensions, mais avec des nombres différents de premiers et de deuxièmes orifices d'injection. Dans l'exemple de réalisation représenté à l'aide des figures la) et lb), les premiers orifices d'injection 3 sont prévus pour injecter des jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant avec une grande impulsion et: les deuxièmes orifices d'injection 4 pour injecter des jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant avec une petite impulsion, une addition du deuxième composant de propergol ou carburant au premier composant de propergol ou carburant étant effectuée sous l'effet d'éjecteur des jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant quittant les premiers orifices d'injection 3. Ainsi qu'on l'a déjà constaté ci-dessus, le premier composant de propergol ou carburant peut être le propergol ou carburant, par exemple, et le deuxième composant de propergol ou carburant l'oxydant ou inversement. Le deuxième composant de propergol ou carburant quitte les deuxièmes orifices d'injection 4 avec une impulsion très faible et est ajouté sous l'effet d'éjecteur, aux jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant quittant les premiers orifices d'injection avec une grande impulsion, ainsi que cela est indiqué sur la figure 2. Un mélange des deux composants de propergol ou carburant a donc lieu essentiellement dans la phase gazeuse, ce qui est avantageux en ce qui concerne l'homogénéité et la stabilité de la combustion. Comme le contact des deux composants de propergol ou carburant a lieu juste après avoir quitté la tête d'injection 1, la chambre de combustion 8 peut être réalisée sensiblement plus courte que dans le système d'injection traditionnel à pomme d'arrosoir à jets parallèles. Liste de repères 1 Tête d'injection 2 Plaque d'injection 2a Surface 3 Premier orifice d'injection 4 Deuxième orifice d'injection Première zone du deuxième orifice d'injection 6 Deuxième zone du deuxième orifice d'injection 7 Insert d'injecteur des deuxièmes orifices d'injection 8 Chambre de combustion REVENDICATIONS 1. Tête d'injection pour un moteur-fusée à propergol ou carburant liquide avec un nombre de premiers orifices d'injection (3) et un nombre de deuxièmes orifices d'injection (4) pour injecter des jets de propergol ou carburant d'un premier composant de propergol ou carburant ou d'un deuxième composant de propergol ou carburant dans la chambre de combustion (8) du moteur-fusée avec mélange réciproque des composants de propergol ou carburant, caractérisé en ce que les premiers orifices d'injection (3) sont prévus pour injecter des jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant (4) avec une grande impulsion et les deuxièmes orifices d'injection (4) sont prévus pour injecter des jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant avec une petite impulsion, et en ce que les premiers et les deuxièmes orifices d'injection (3, 4) sont disposés les uns par rapport aux autres de telle sorte qu'une addition du deuxième composant de propergol ou carburant au premier composant de propergol ou carburant ait lieu sous l'effet d'éjecteur des jets du premier composant de propergol ou carburant quittant les premiers orifices d'injection (3). 2. Tête d'injection selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers orifices d'injection (3) présentent une petite section d'écoulement prévue pour produire les jets de propergol ou carburant du premier composant de propergol ou carburant avec une grande impulsion et les deuxièmes orifices d'injection (4) présentent une grande section d'écoulement prévue pour produire les jets du deuxième composant de propergol ou carburant avec une petite impulsion. 3. Tête d'injection selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les premiers orifices d'injection (3) et les deuxièmes orifices d'injection (4) débouchent à la surface (2a) d'une plaque d'injection (2) limitant la tête d'injection (1) côté chambre de combustion. 4. Tête d'injection selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deuxièmes orifices d'injection (4) à la surface (2a) de la plaque d'injection (2) présentent une première zone (5) avec une grande section d'écoulement prévue pour produire les jets de propergol ou carburant du deuxième composant de propergol ou carburant avec une petite impulsion et, en amont par rapport à la direction d'écoulement du deuxième composant de propergol ou carburant, une deuxième zone (6) avec une petite section d'écoulement. 5. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les orifices d'injection (3, 4) sont disposés avec leurs axes parallèles entre eux. 6. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les premiers orifices d'écoulement (3) et les deuxièmes orifices d'écoulement (4) sont disposés de manière alternée. 7. Tête d'injection selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premiers orifices d'injection 2861810 16 (3) et les deuxièmes orifices d'injection (4) sont disposés de manière alternée en damier. 8. Tête d'injection selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premiers orifices d'injection (3) et les deuxièmes orifices d'injection (4) sont disposés de manière alternée en cercles. 9. Tête d'injection selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premiers orifices d'injection (3) et les deuxièmes orifices d'injection (4) sont disposés de manière alternée en nid d'abeilles. 10. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les premiers orifices d'injection (3) présentent un diamètre de 0,05 à 0,5 mm, de préférence de 0,05 à 0,15 mm. 11. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les deuxièmes orifices d'injection (4) présentent un diamètre de 0,2 à 2 mm, de préférence de 0,3 à 1,2 mm. 12. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que l'écart entre les premiers orifices d'injection (3) et les deuxièmes orifices d'injection (4) est inférieur à 2 mm, de préférence inférieur à 1 mm.