Brevet FR2933742A1 — publié le 20100115

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif d'injection de monoergol liquide à forte modulation du débit avec une vitesse d'injection stable, et obturable pour l'extinction et le réallumage, disposé à une extrémité amont de la paroi d'une chambre de combustion d'un moteur- fusée, comprenant un canal d'alimentation en monoergol à partir d'un réservoir. Art antérieur On connaît déjà divers dispositifs d'injection d'ergols liquides pour des moteurs-fusées. On a représenté à titre d'exemple sur la Figure 2 un dispositif du type � pintle � qui permet, pour l'injection en biergol, une forte modulation du débit du fait de la variation des sections d'injection induite par une pièce mobile 34. Dans le cas du système de la Figure 2, un oxydant est injecté dans la chambre de combustion 30 à travers un orifice annulaire 32 entre une pièce mobile 34 et une pièce coaxiale fixe 36. Un combustible est par ailleurs injecté à travers un orifice annulaire 38 autour de la pièce mobile 34, entre celle-ci et une portion de la paroi de la chambre de combustion 30. Le combustible et l'oxydant divergent à partir de leurs orifices de sortie respectifs pour former des jets qui se rencontrent et se mélangent dans une zone de combustion annulaire désignée par la référence 40. La mise en oeuvre de deux systèmes d'alimentation indépendants pour un combustible et un oxydant rend toutefois la réalisation assez complexe et le dispositif ne peut pas être compact, en particulier dans le cas de l'intégration d'une tige d'obturateur. Dans les dispositifs de l'art antérieur, l'orientation de la résultante des deux nappes est dirigée vers la paroi de la chambre. Dans les dispositifs d'injection connus de ce type, le mélange et la combustion ont donc tendance à s'effectuer très près de la paroi de la chambre de combustion, ce qui réduit sa durée de vie, ou engendre des diamètres de chambre importants, et peut aussi favoriser le ruissellement de la paroi. De plus, la partie importante en saillie dans la chambre est un élément de fragilité. Définition et objet de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre de réaliser un dispositif d'injection compact, qui soit adapté à l'injection de monoergol avec extinction, réallumage, qui présente une conception simplifiée et permette une modulation du débit d'injection et une obturation tout en augmentant la durée de vie de la chambre de combustion, et en réduisant les risques de ruissellement à la paroi. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un dispositif d'injection de monoergol liquide à forte modulation du débit avec une vitesse d'injection stable, obturable pour extinction et réallumage, disposé à une extrémité amont de la paroi d'une chambre de combustion d'un moteur-fusée et comprenant au moins un canal d'alimentation en monoergol à partir d'un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend des premier et deuxième canaux annulaires concentriques de mise en vitesse reliés aux canaux d'alimentation et débouchant en sortie respectivement par des première et deuxième sections d'injection annulaire, situées dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la chambre, les premier et deuxième canaux annulaires concentriques étant orientés de façon convergente avec une résultante sensiblement dans l'axe de la chambre en formant un angle prédéfini de manière à créer en sortie deux nappes de monoergol liquide injecté créant un impact entre elles selon une couronne de pulvérisation à une distance prédéterminée de l'extrémité amont formant le fond de la chambre de combustion et au voisinage de l'axe de la chambre de combustion. De façon plus particulière, le premier canal annulaire de mise en vitesse et la première section d'injection annulaire sont délimités d'une part par une première paroi de révolution fixe située au niveau de ladite extrémité amont et d'autre part par une deuxième paroi de révolution solidaire d'une pièce mobile en translation par rapport à ladite première paroi de révolution fixe, le deuxième canal annulaire de mise en vitesse et la deuxième section d'injection annulaire sont délimités d'une part par une troisième paroi de révolution fixe située au niveau de ladite extrémité amont et d'autre part par une quatrième paroi de révolution solidaire de ladite pièce mobile en translation par rapport auxdites première et troisième parois de révolution fixes. La pièce mobile comprend une section pilote soumise aux effets du débit de fluide du monoergol dans le canal d'alimentation et agissant contre l'action d'un élément élastique dimensionné pour un déplacement de la pièce mobile en position d'ouverture lorsqu'un effort prédéterminé est exercé sur la section pilote. L'élément élastique peut être constitué par un ressort calibré ou 10 par un ensemble de rondelles Belleville. La présente invention repose sur une technologie basée sur l'association d'un système de modulation de débit d'un monoergol et d'une pulvérisation de celui-ci par l'impact de deux nappes dont la résultante de l'orientation des canaux d'injection est sensiblement dans l'axe de la 15 chambre et sans saillie importante. Selon un mode particulier de réalisation, les première et deuxième parois de révolution sont tronconiques avec la petite base tournée du côté de la chambre de combustion. De façon similaire, les troisième et quatrième parois de 20 révolution peuvent être tronconiques avec la grande base tournée du côté de la chambre de combustion. Selon une caractéristique particulière, la pièce mobile en translation par rapport aux première et troisième parois de révolution fixes comprend une pluralité d'orifices radiaux pour permettre l'alimentation du deuxième canal de mise en vitesse à partir d'un canal d'alimentation commun alimentant directement le premier canal de mise en vitesse. Selon un mode de réalisation avantageux, des trous d'alimentation en monoergol sont définis par un corps en forme de cloche comprenant une couronne d'appui fixée par des vis sur l'extrémité amont 25 de la paroi de la chambre de combustion et une pluralité de parois cylindriques de guidage coaxiales pour assurer le guidage de la pièce mobile, le positionnement d'une pièce centrale de centrage de la troisième paroi de révolution fixe, et l'étanchéité entre ledit corps et la pièce mobile. Le dispositif est conçu de manière à permettre l'obtention de 30 sections d'injection régulières sur tout le périmètre et une obturation quasi-parfaite. Selon un mode de réalisation particulier, la première paroi de révolution fixe est définie par une portion en saillie en forme de lèvre de l'extrémité amont de la paroi de la chambre de combustion et la troisième paroi de révolution fixe est définie par une portion en saillie en forme de lèvre d'une pièce fixe rapportée sur ladite extrémité amont de la paroi de la chambre de combustion. D'une manière générale, l'invention permet, pour du monoergol, une modulation du débit d'injection, avec un petit débit à l'allumage et une forte variation ensuite, grâce à une section d'injection variable qui permet une vitesse d'injection relativement stable. L'injecteur peut être obturé complètement dans le plan d'injection lorsque le débit de monoergol est nul, ce qui évite une combustion dans les cavités de l'injecteur, des résidus de combustion, voire des explosions compte tenu de la nature de certains ergols. Le système est simple sur le plan mécanique et très compact, avec un seul canal d'alimentation en ergol. Le fond de la chambre de combustion est peu exposé à d'importantes recirculations du fait de l'orientation "axiale" et sans saillie de l'injection, notamment dans le cas de l'intégration d'une tige d'obturateur. La pulvérisation s'effectue par projection de l'ergol avec une résultante des axes d'injection de l'ergol qui est orientée au voisinage de l'axe de la chambre, ce qui évite un éventuel ruissellement à la paroi de la chambre de combustion et une altération rapide de celle-ci due à la combustion. Par ailleurs, le dispositif d'injection est facilement adaptable et une pièce centrale servant à définir une section d'injection peut être facilement interchangeable. De plus, un espace libre au centre du dispositif d'injection permet d'introduire un obturateur de col ou un allumeur par exemple. Le dispositif selon l'invention est applicable à tout moteur-fusée à forte modulation de poussée. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description suivante de modes particuliers de réalisation, faite à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif d'injection de monoergol selon un mode particulier de réalisation 5 de l'invention, et - la Figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif connu d'injection de biergol muni d'une pièce mobile pour moduler le débit d'injection d'un ergol. 10 Description détaillée de modes de réalisation préférentiels Si l'on se réfère à la figure 1, on voit une représentation schématique en coupe longitudinale d'un exemple de dispositif d'injection de monoergol selon l'invention. 15 Sur la figure 1, on a représenté partiellement une chambre de combustion 9 délimitée par une paroi 90 dont une extrémité amont est repérée par la référence 91. Un corps 1 en forme de cloche comporte une base en forme de couronne qui est fixée sur la paroi de fond 91 par des éléments de liaison 20 92 tels que des vis. Le corps 1 définit des trous d'alimentation d'ergol liquide qui sont en communication avec un réservoir à travers un espace défini par un deuxième corps 11 fixé par des vis ou boulons 12 sur le corps en cloche 1 et peut comprendre plusieurs canaux en parallèle répartis sur une zone annulaire du corps 1 et débouchant sur un espace 25 annulaire au niveau de la paroi de fond 91. La paroi 91 de fond de chambre présente une portion en saillie 93 en forme de jupe ou de lèvre qui présente une symétrie de révolution et définit une surface de révolution fixe 94 sur la face tournée vers le canal 41 de mise en vitesse. La surface de révolution fixe 94 présente 30 avantageusement une forme tronconique avec sa petite base tournée vers l'intérieur de la chambre de combustion 9. Le corps 1 en forme de cloche présente une cavité centrale dans laquelle est insérée une pièce centrale fixe 7 qui peut présenter par exemple une partie tubulaire 71 munie d'un filetage permettant une 35 solidarisation avec le corps 1. La pièce centrale 7 peut présenter un épaulement 75 qui vient en butée contre le corps 1 pour positionner de façon précise la pièce centrale 7 dont la partie tournée vers la chambre 9 comprend une portion en saillie 72 en forme de jupe ou de lèvre qui présente une symétrie de révolution et définit une surface de révolution fixe 73 sur la face tournée vers le canal 41 de mise en vitesse. La surface de révolution fixe 73 présente avantageusement une forme tronconique avec sa grande base tournée vers l'intérieur de la chambre de combustion 9. Les portions en saillie fixes intérieure 72 et extérieure 93 forment chacune une pointe du côté de leur partie terminale libre qui est située dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la chambre. Une pièce mobile 5 de forme annulaire est coaxiale à la pièce mobile fixe 7 et à des parties tubulaires cylindriques du corps 1. La pièce mobile 5 disposée dans un logement annulaire du corps 1 entre deux parties tubulaires de ce corps est guidée en translation selon la direction de l'axe de la chambre 9. Des joints d'étanchéité 51, 52 sont disposés entre la pièce mobile 5 d'une part et les parois cylindriques des parois tubulaires du corps 1 d'autre part. Les trous 6 d'alimentation en ergol ou les divers canaux en parallèle sont formés dans la partie tubulaire externe du corps 1. Des orifices radiaux 61 sont formés dans la pièce mobile 5 pour permettre au monoergol de circuler des deux côtés de la partie aval de la pièce mobile 5. Une face 53 de la pièce mobile 5 définit une section pilote soumise aux variations de débit d'ergol circulant dans la partie annulaire du canal 6 d'alimentation, ces variations de débit évoluant sensiblement comme la pression. La face arrière de la pièce mobile 5 est soumise à l'action d'un élément élastique tel qu'un ressort 8 qui est interposé entre le corps fixe 1 30 et la pièce mobile 5. Un canal 15 assure l'évacuation des fluides parasites vers l'extérieur lors de la montée de la pièce mobile 5. La partie terminale avant de la pièce mobile 5 qui est tournée vers la chambre de combustion 9 présente deux surfaces de révolution 54, 55 qui présentent avantageusement une forme tronconique. 35 La surface de révolution 54 constitue une surface tronconique extérieure avec sa petite base tournée vers la chambre de combustion 9 tandis que la surface de révolution 55 constitue une surface tronconique intérieure avec sa grande base tournée vers la chambre de combustion 9 et située, comme la petite base de la surface tronconique 54, dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la chambre de combustion. Un premier canal annulaire 41 de mise en vitesse relié directement aux canaux d'alimentation 6 et débouchant en sortie par une première section d'injection annulaire 31 est délimité par la surface de révolution fixe 94 et par la surface de révolution mobile 54. De façon similaire, un deuxième canal annulaire 42 de mise en vitesse relié aux canaux d'alimentation 6 par l'intermédiaire des orifices 61, et débouchant en sortie par une deuxième section d'injection annulaire 32 est délimité par la surface de révolution fixe 73 et par la surface de révolution mobile 55. Le ressort 8 est dimensionné de manière à pousser la pièce mobile 5 en position de fermeture des sections d'injection d'ergol 31, 32 dans le plan de sortie de l'injecteur lorsque le débit de monoergol est nul, et à provoquer l'ouverture de ces sections 31, 32 d'injection d'ergol lorsque le débit d'ergol agissant sur la section pilote 53 produit un effet prédéterminé sur le ressort 8. La pièce centrale 7, qui est démontable, confère une modularité qui permet une adaptation de la forme et de l'angle d'inclinaison de la surface de révolution intérieure fixe 73. A la sortie des canaux concentriques de mise en vitesse 41, 42 orientés de façon convergente en formant un angle prédéfini, le monoergol éjecté par les sections de sortie 31, 32 concentriques se présente sous la forme de deux nappes qui vont créer entre elles un impact selon une couronne de pulvérisation à une distance prédéterminée de l'extrémité amont 91 formant le fond de la chambre de combustion et au voisinage de l'axe de la chambre de combustion. Les effets sur la section pilote 53 de la variation de débit qui évolue sensiblement comme la pression commandent la translation de la pièce mobile 5 qui induit elle-même une variation des première et deuxième sections d'injection annulaire 31, 32. Le fluide circulant dans le canal d'alimentation 6 alimente le premier canal de mise en vitesse 41 et, par les orifices 61, le deuxième canal de mise en vitesse 42, les premier et deuxième canaux de mise en I vitesse 41, 44 formant un angle prédéfini pour définir deux nappes annulaires d'ergol liquide injecté et un impact de qualité entre ces deux nappes injectées provoquant la pulvérisation au niveau de cet impact. La résultante des premier et deuxième canaux de mise en vitesse 41, 42 est orientée parallèlement à l'axe de la chambre de combustion 9 ou même légèrement vers le centre de cette chambre. L'impact des deux nappes se fait sur une couronne et à distance du fond 91 de la chambre avec une résultante dans l'axe de la chambre et en limitant les recirculations. Le corps 1 en forme de cloche est usiné en une seule phase avec notamment une partie tubulaire centrale qui sert à positionner la pièce centrale 7 de centrage et à guider la pièce 5 mobile en translation parallèlement à l'axe de la chambre 9. Compte tenu de l'hyperstaticité du système, une bonne concentricité est garantie pour assurer à la fois : - le guidage de la pièce mobile 5, - l'étanchéité avec la surface extérieure de la pièce mobile 5, - le centrage long de la pièce 7 de centrage de la lèvre intérieure 72 qui contribue à définir le canal intérieur 42 de mise en vitesse, en coopération avec la pièce mobile 5, - le centrage court du corps 1 et l'appui plan de la couronne de base de ce corps 1 sur la plaque de fond de la chambre 91 qui, par sa partie en saillie 93, contribue à définir le canal extérieur 41 de mise en vitesse, en coopération avec la pièce mobile 5. Le fait de minimiser l'empilage des pièces et de réaliser l'usinage de cylindres longs dans une même phase est une garantie de bon fonctionnement. Par ailleurs, le fait que l'extrémité libre de la pièce mobile 5 soit relativement fine permet de minimiser les effets de pression de la chambre 9 sur le ressort 8 ou un élément élastique équivalent tel qu'un empilement de rondelles Belleville. On a représenté sur la Figure 1 une tige centrale 13 qui est mobile axialement sous l'action d'un ressort 14 et peut servir par exemple à commander l'obturation sélective du col de la chambre de combustion 9. Dans ce cas, la pièce 7 de centrage qui est insérée dans le corps 1 et solidaire de celui-ci comprend une portion 74 qui assure un premier 8 guidage court de la tige centrale mobile 13 par rapport au corps fixe 1. Un autre guidage court est situé dans la chambre de combustion, pour constituer un guidage long en combinaison avec le premier guidage court. Au centre de l'injecteur, à la place de la tige d'obturateur, il peut être implanté un allumeur. Naturellement, diverses modifications et adjonctions peuvent être apportées sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, par exemple, la paroi de fond de chambre 91 de même que la paroi latérale 90 de la chambre 9 peuvent comporter un revêtement de protection, non représenté sur la Figure 1. Le dispositif est également adaptable à un pilotage en force. Dans ce cas, la section pilote 53 et le ressort 8 sont supprimés et la pièce mobile 5 est couplée à un actionneur, par exemple de type mécanique, hydraulique ou électrique, par l'intermédiaire d'une pluralité de tiges qui passent au travers du corps 1, en fond de gorge, par une pluralité de trous. REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection de monoergol liquide à forte modulation du débit avec une vitesse d'injection stable, obturable pour extinction et réallumage, disposé à une extrémité amont (91) de la paroi (90) d'une chambre de combustion (9) d'un moteur-fusée et comprenant au moins un canal (6') d'alimentation en monoergol à partir d'un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend des premier et deuxième canaux annulaires concentriques (41 ; 42) de mise en vitesse reliés aux canaux d'alimentation (6, 6') et débouchant en sortie respectivement par des première et deuxième sections d'injection annulaire (31 ; 32), situées dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la chambre, les premier et deuxième canaux annulaires concentriques (41, 42) étant orientés de façon convergente avec une résultante sensiblement dans l'axe de la chambre en formant un angle prédéfini de manière à créer en sortie deux nappes de monoergol liquide injecté créant un impact entre elles selon une couronne de pulvérisation à une distance prédéterminée de l'extrémité amont (91) formant le fond de la chambre de combustion (9) et au voisinage de l'axe de la chambre de combustion (9). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier canal annulaire de mise en vitesse (41) et la première section d'injection annulaire (31) sont délimités d'une part par une première paroi de révolution fixe (94) située au niveau de ladite extrémité amont (91) et d'autre part par une deuxième paroi de révolution (54) solidaire d'une pièce (5) mobile en translation par rapport à ladite première paroi de révolution fixe (94), en ce que le deuxième canal annulaire de mise en vitesse (42) et la deuxième section d'injection annulaire (32) sont délimités d'une part par une troisième paroi de révolution fixe (73) située au niveau de ladite extrémité amont (91) et d'autre part par une quatrième paroi (55) de révolution solidaire de ladite pièce mobile (5) en translation par rapport auxdites première et troisième parois de révolution fixes (94, 73). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce mobile (5) comprend une section pilote (53) soumise aux effets dudébit de fluide du monoergol dans le canal d'alimentation (6) et agissant contre l'action d'un élément élastique (8) dimensionné pour un déplacement de la pièce mobile (5) en position d'ouverture lorsqu'un effort prédéterminé est exercé sur la section pilote (53). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément élastique est constitué par un ressort calibré (8) ou par un ensemble de rondelles Belleville. 10 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les première et deuxième parois de révolution (94, 54) sont tronconiques avec la petite base tournée du côté de la chambre de combustion (9). 15 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les troisième et quatrième parois de révolution (73, 55) sont tronconiques avec la grande base tournée du côté de la chambre de combustion (9). 20 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la pièce (5) mobile en translation par rapport aux première et troisième parois de révolution fixes (94, 73) comprend une pluralité d'orifices radiaux (61) pour permettre l'alimentation du deuxième canal (42) de mise en vitesse à partir d'un canal d'alimentation (6) 25 commun alimentant directement le premier canal (41) de mise en vitesse. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que des trous (6) d'alimentation en monoergol sont définis par un corps (1) en forme de cloche comprenant une couronne 30 d'appui fixée par des vis (92) sur l'extrémité amont (91) de la paroi (90) de la chambre de combustion (9) et une pluralité de parois cylindriques de guidage coaxiales pour assurer le guidage de la pièce mobile (5), le positionnement d'une pièce centrale (7) de centrage de la troisième paroi de révolution fixe et l'étanchéité entre ledit corps (1) et la pièce mobile 35 (5).5 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la première paroi de révolution fixe (94) est définie par une portion en saillie en forme de lèvre de l'extrémité amont (91) de la paroi (90) de la chambre de combustion (9) et la troisième paroi de révolution fixe (73) est définie par une portion en saillie en forme de lèvre d'une pièce fixe (7) rapportée sur ladite extrémité amont (91) de la paroi (90) de la chambre de combustion (9). 10. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce mobile (5) est couplée à un actionneur par l'intermédiaire d'une pluralité de tiges qui passent au travers du corps (1), en fond de gorge, par une pluralité de trous.