Brevet FR2897112A1 — publié le 20070810

- 1 - Perfectionnements apportés aux propulseurs sans tuyère ------------------------------------------------------ L'invention est relative aux propulseurs sans tuyère comportant une charge propulsive de propergol solide annulaire laissant subsister un canal central cylindrique ou approximativement cylindrique, qui, éventuellement, se termine par une partie divergente. Un tel propulseur sans tuyère est de structure et de conception simples et il peut, notamment, être disposé dans la chambre de combustion d'un statoréacteur qui se trouvera ainsi libérée, après la phase d'accélération correspondant à la consommation du propergol solide, pour la combustion aérobie pendant la phase de croisière. Cependant, un propulseur sans tuyère présente des performances propulsives assez nettement inférieures à celles d'un propulseur classique équivalent comportant une tuyère. En effet, dans un propulseur classique à tuyère, l'accélération des produits de combustion est provoquée par le blocage de l'écoulement au niveau du col de la tuyère, alors que, dans un propulseur sans tuyère, l'accé- lération des produits de combustion est due au blocage de l'écoulement par l'injection pariétale se développant dans le canal central de la charge de propergol solide. On constate donc, dans un propulseur sans tuyère, - que les pressions dans le canal central décroissent dans le temps, la majeure partie du temps de fonctionne-ment du propulseur se réalisant à basse pression, - que la détente des produits de combustion n'est pas adaptée, l'écoulement étant généralement sous détendu à la sortie du canal central, notamment en raison de la limitation de section imposée par le propulseur, - que les produits de combustion issus du canal central sont peu accélérés, méme si ce canal central se termine par une partie divergente. L'invention a précisément pour but de remédier à ces inconvénients. L'invention a pour objet un propulseur sans tuyère dans lequel les pressions dans le canal central décrois-sent moins vite dans le temps, ce qui limite le temps de fonctionnement à basse pression sans pour autant augmenter la pression maximale, ce qui aurait pour effet d'alourdir la structure du propulseur. L'invention a aussi pour objet de détendre au maximum les produits de combustion, la seule limite à respecter étant celle imposée par la section du propulseur. L'invention a encore pour but d'éviter la combustion dans la partie divergente du canal central. Selon l'invention, la charge de propergol du propulseur comporte plusieurs charges élémentaires annulaires disposées concentriquement les unes par rapport aux autres, et constituées chacune d'un propergol différent choisi de façon telle que, plus le rayon moyen de la charge élémen- taire est grand, plus la vitesse de combustion du propergol la contenant est élevée. On conçoit alors que, grâce à l'établissement de plusieurs régimes de fonctionnement successifs avec chaque fois des vitesses de combustion plus élevées, on limite le temps de fonctionnnement à basse pression, sans pour autant augmenter la pression maximale. Selon une disposition avantageuse de l'invention, la charge de propergol ainsi constituée se termine par une partie divergente dont le diamètre de sortie correspond seusiblement au diamètre extérieur du propulseur et dont la surface est recouverte d'une substance inhibitrice empêchant la combustion des propergols constituant respectivement les charges élémentaires. On conçoit alors que, grâce à la présence d'un divergent de grand diamètre de sortie qui peut subsister - 3 - pendant la durée de fonctionnement, les produits de combustion peuvent être détendus de façon optimale et accélérés à une valeur maximum. L'invention consiste, mises à part les dispositions dont il vient d'être question, en certaines autres dispositions, dont il sera plus explicitement question ci-après, et qui s'utilisent, de préférence, en même temps. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode de réalisation préféré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La figure 1, de ces dessins, montre une coupe sché-matique d'un propulseur sans tuyère établi conformément à l'invention. La figure 2 est un graphique illustrant le fonctionne-ment du propulseur sans tuyère montré sur la figure 1. La figure 3 montre, en coupe schématique, un engin propulsé par un statoréacteur dans sa phase de croisière et dont la chambre de combustion abrite un propulseur sans tuyère conforme à l'invention pour la phase accélération de l'engin. Comme montré sur la fig. 1, le propulseur sans tuyère comporte une charge de propergol solide 1 de forme annulaire et laissant subsister un canal central 2 cylindrique ou approximativement cylindrique, se terminant par une partie divergente 3. Cette charge de propergol solide 1 comporte plusieurs charges élémentaires la, lb, annulaires et disposées concentriquement les unes par rapport aux autres. Chacune de ces charges élémentaires la, lb, est constituée d'un propergol différent choisi de façon telle que, plus le rayon moyen de la charge élémentaire la, lb est grand,plus - 4 - la vitesse de combustion du propergol la constituant est élevée. Le propulseur montré sur la fig. 1 comporte une charge de propergol solide 1 comportant deux charges élémen- taires la et lb. Le propergol constituant la charge élémentaire extérieure 1b présente une vitesse de combustion plus élevée que le propergol constituant la charge élémentaire intérieure 1 a. Sur la fig. 2, on a montré un graphique sur lequel est porté, en abscisses, le temps, et, en ordonnées, la pression dans le canal central au fond avant du propulseur. La courbe en trait plein correspond au fonctionne-ment du propulseur montré sur la fig. 1. De l'instant O (correspondant à l'allumage du propul- Beur) à l'instant ta (correspondant à la fin de la combustion du propergol constituant la charge élémentaire la), la pression dans le canal central est donnée par la combustion du propergol constituant la charge élémentaire la. Ce propergol consommé, la combustion du propergol consti- tuant la charge élémentaire lb se développe et donne, de l'instant ta à l'instant tb (correspondant à la fin de la combustion du propergol constituant la charge élémentaire lb), la pression dans le canal central. Si le propulseur avait comporté une charge de proper- gol uniquement constituée par le propergol constituant la charge élémentaire la, la pression aurait suivi l'évolution montrée en trait pointillé jusqu'au temps tâ (correspondant à la fin de la combustion de cette charge de propergol), ce temps étant supérieur au temps tb puis-que la vitesse de combustion du propergol constituant la charge élémentaire lb est supérieure à celle du propergol constituant la charge élémentaire la. On a constaté que la meilleure performance est obtenue lorsque le rayon intermédiaire R2, correspondant à - 5 - la transition entre les deux charges élémentaires, est approximativement la moyenne géométrique des rayons intérieur et extérieur R1, R3 de la charge propulsive : R2 = Y R, R3 (voir fig. 1) A titre d'exemple, pour un propulseur sans tuyère d'allongement (rapport longueur sur diamètre extérieur) de 7, on peut avoir recours, pour constituer la charge élémentaire intérieure la, à un propergol composite tel que du butalane, constitué de 68% de perchlorate d'ammo- nium, de 16% de liant polybutadiène et de 16% d'aluminium pulvérulent (vitesse de combustion de 25 mm/s à 70 bars) et, pour constituer la charge élémentaire extérieure lb, à un propergol de même nature mais dont la vitesse de combustion est accrue par exemple en agissant sur la granu- lométrie du perchlorate d'ammonium ou par incorporation d'éléments chimiques accélérateurs connus (vitesse de combustion 45 mm/s à 70 bars). Comme montré sur la fig. 1, le canal central 2 se termine par une partie divergente 3 dont le diamètre de sortie correspond sensiblement au diamètre extérieur du propulseur. La surface de cette partie divergente est recouverte d'une substance inhibitrice 4, par exemple une résine polymérisable empêchant, dans cette zone, la combustion des propergols constituant la charge élémen- taire intérieure la et la charge élémentaire extérieure lb, ladite substance inhibitrice s'ablatant progressivement au cours de la combustion. Des études ont été réalisées pour comparer les performances d'un tel propulseur avec celles d'un propulseur ne comportant qu'une seule charge propulsive dont les caractéristiques correspondent aux caractéristiques de la charge élémentaire intérieure la. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau ci-après dans lequel on désigne par : mo : la masse de propergol constituant la charge totale initiale (en kg) mr : la masse de propergol résiduel (en kg) tf : le temps de fonctionnement du propulseur (en s) If : l'impulsion de poussée (en daNs) Is : l'impulsion spécifique moyenne (en s) - -------------------------------------------------------- : type de chargement : mo mr tf If Is du propulseur ---------------------------------------------------------10 : 1 charge élémentaire avec divergent non : 49,62: 2,30 : 3,14 : 9593 : 197,1 inhibé - -------------------------------------------------------- : 1 charge élémentaire: avec divergent : 49,02: 2,38 : 3,10 : 9805 : 203,9 . 15 : inhibé --------------------------------------------------------- : 2 charges élémentaires avec divergent : 49,62: 0,90 : 2,37 :10023 : 205,9 . : non inhibé - --------------------------------------------------------2 charges élémentaires 20 : avec divergent : 49,02: 1,37 : 2,37 :10159 : 211,2 . . inhibé ---------------------------------------------------------Pour ces études, les diamètres extérieur (pe(a) et intérieur (pi(a) de la charge élémentaire la et les diamètres extérieur cpe(b) et intérieur 4i(b) de la charge 25 élémentaire lb ont été choisis pour que : cl) e (a) 2,1 i (a) cp e (b) # 1,4 cl) i (b) 6 - 7 Les résultats montrent que la mise en oeuvre de charges propulsives multiples à vitesses de combustions différentes augmente l'impulsion spécifique moyenne et réduit le temps de fonctionnement du propulseur ainsi que la masse de propergol résiduel. Sur la fig. 3, on a montré un engin E propulsé dans sa phase de croisière, par un statoréacteur à combustible solide et, dans sa phase d'accélération, par un propulseur sans tuyère conforme à l'invention et abrité dans la chambre de combustion 5 dudit statoréacteur. Une fois les propergols du propulseur consommés, la chambre de combustion 5 comportant une tuyère 8 est alimentée par les entrées d'air 6 et par les produits résultant de la dégradation d'un combustible 7. REVENDICATIONS 1. Propulseur sans tuyère comportant une charge propulsive de propergol solide annulaire (1) laissant subsister un canal central (2), cylindrique (approximativement au moins), caractérisé par le fait que la charge de proper- gol solide (1) comporte plusieurs charges élémentaires (la, lb) annulaires et disposées concentriquement les unes par rapport aux autres, chacune de ces charges élémentaires (la, lb) étant constituée d'un propergol différent choisi de façon telle que, plus le rayon moyen de la charge élé- mentaire est grand, plus la vitesse de combustion du propergol la constituant est élevée. 2. Propulseur sans tuyère suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le canal central (2) se termine par une partie divergente (3) dont le diamètre de sortie correspond sensiblement au diamètre extérieur du propulseur et dont la surface est recouverte d'une substance inhibitrice (4) empêchant, dans cette zone, la combustion des propergols constituant respectivement les charges élémentaires (la, lb). 3. Propulseur sans tuyère selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la charge de propergol est constituée de deux charges élémentaires (la et lb) et par le fait que le rayon intermédiaire (R2) correspondant à la transition entre les deux susdites charges élémen-taires est approximativement égal à la moyenne géométrique des rayons intérieur et extérieur (RI, R3) de la charge de propergol.