Brevet FR2932228A1 — publié le 20091211

La présente invention concerne un moteur à détonations pulsées fonctionnant avec un mélange détonant combustible-air. Ce type de moteur trouve des applications notamment, quoique non exclusivement, dans les domaines aéronautiques spatial et militaire pour équiper des aéronefs, fusées, missiles, etc ... Le déroulement des différentes phases du cycle de fonctionnement du moteur est un point potentiellement critique et, en particulier, la maîtrise des phases d'alimentation et de détonation qui peuvent influer très fortement sur les performances d'un tel moteur. On connaît déjà, par le brevet EP 1 482 162, un moteur à détonations pulsées dont la structure est définie par un tube de flamme fermé à une extrémité par un fond transversal mobile qui fait fonction de mur de 15 poussée et sur lequel prennent appui les produits issus de la détonation du mélange détonant pour engendrer la poussée. Dans ce moteur à détonations pulsées connu, ledit fond transversal mobile se déplace alternativement entre deux positions limites et des moyens élastiques de rappel, de type ressort, agissent sur ledit fond pour 20 le propulser d'une desdites positions limites vers l'autre à la suite d'une compression du ressort. Un tel fond mobile impose alors le fonctionne-ment des deux phases d'alimentation et de détonation du moteur, par sa mobilité, en fermant et ouvrant au moins une lumière d'admission. Cependant, au cours d'un cycle de fonctionnement du moteur 25 composé d'un aller (correspondant à la compression du ressort) et d'un retour du fond mobile (correspondant à la propulsion de ce dernier), le ressort doit faire face à deux contraintes antagonistes : - lors d'un aller, il doit être souple (c'est-à-dire de faible raideur) pour ne pas limiter le mouvement du fond mobile et ne pas pénaliser sa vi- tesse (et donc la fréquence de fonctionnement du moteur) tout en assurant un léger freinage en fin de course de celui-ci ; et - lors du retour, il doit appliquer une force maximale sur celui-ci pour obtenir une bonne mise en vitesse afin de limiter le temps du cycle de fonctionnement. La présente invention a pour objet de perfectionner le moteur à détonations pulsées précité en remédiant à cet inconvénient. A cette fin, selon l'invention, le moteur à détonations pulsées fonc- tionnant avec un mélange détonant combustible-air et comportant : - au moins un tube de flamme à fond transversal mobile par rapport à celui-ci, pour pouvoir occuper une première et une seconde position limite, et fermé par un appui transversal en regard dudit fond mobile ; - des moyens élastiques de rappel agissant sur ledit fond mobile et ap- tes, d'une part, à propulser ce dernier de la première position vers la seconde et, d'autre part, à freiner ce dernier en fin de déplacement de la seconde position vers la première ; au moins un réservoir de combustible ; et - des moyens d'alimentation en combustible de la chambre de combustion dudit tube de flamme ; est remarquable : - en ce que lesdits moyens d'alimentation en combustible comprennent : ^ une chambre de transfert, à volume variable, délimitée par la paroi latérale dudit tube de flamme, par ledit fond mobile et par ledit appui transversal et destinée à recevoir du combustible provenant dudit réservoir ; ^ des moyens de transfert de combustible aptes à transférer du combustible dudit réservoir vers ladite chambre de transfert ; et ^ des moyens d'injection de combustible dans ladite chambre de combustion depuis ladite chambre de transfert ; - et en ce que lesdits moyens élastiques de rappel sont constitués, au moins en partie, par le combustible contenu dans ladite chambre de transfert. Ainsi, la compression du combustible contenu dans la chambre de transfert par le fond mobile permet aux moyens élastiques de rappel de freiner progressivement la course de celui-ci lors de son déplacement de la seconde position vers la première, ce qui a pour effet d'atténuer les varia- 1 o tions de vitesse et les vibrations susceptibles d'être engendrées par un tel moteur facilitant ainsi son intégration dans des cellules aéronautiques. En outre, du fait de la présence de combustible dans la chambre de transfert comprimé par le fond mobile, les moyens élastiques de rappel sont aptes à appliquer une force maximale sur le fond mobile pour obtenir 15 une bonne mise en vitesse lors du déplacement de ce dernier de la première position vers la seconde. On limite ainsi le temps de cycle de fonctionnement du moteur. Dans le cas où les moyens élastiques de rappel sont constitués uniquement par le combustible du réservoir stocké à l'état gazeux ou liquide, 20 le nombre d'éléments mécaniques mis en oeuvre lors du fonctionnement du moteur est réduit, ce qui améliore la robustesse de la structure du moteur. De préférence, lesdits moyens élastiques de rappel comportent en outre au moins un ressort auxiliaire de compression apte à aider à la pro- 25 pulsion dudit fond mobile de la première position vers la seconde et au freinage de ce dernier en fin de déplacement de la seconde position vers la première. Ainsi, l'action du ressort auxiliaire peut se révéler utile lorsque la pression dans la chambre de transfert n'est pas suffisamment élevée pour assurer la propulsion et le freinage dudit fond mobile. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit réservoir étant placé à l'arrière dudit appui transversal coaxialement audit tube de flamme, ledit appui transversal comporte avantageusement lesdits moyens de transfert de combustible permettant ainsi une communication directe du réservoir et de la chambre de transfert. En outre, lesdits moyens de transfert de combustible sont consti- 0 tués soit par au moins un détendeur comportant des ajutages, soit par au moins un carburateur à effet venturi. Ainsi, par exemple, dans le cas où le combustible est stocké à l'état liquide dans le réservoir, les carburateurs peuvent permettre la vaporisation de celui-ci dans la chambre de transfert. 15 De façon avantageuse, au moins une lumière d'admission du mélange détonant étant ménagée dans la paroi latérale dudit tube de flamme : - ledit fond mobile coulisse entre la première position et la seconde position, ce qui correspond à une phase d'alimentation en air, puis en 20 combustible, de la chambre de combustion dudit tube de flamme, puis de la seconde position à la première position, ce qui correspond à la phase de détonation du mélange détonant dans ladite chambre de combustion; ledit fond mobile présente la forme d'un piston à paroi transversale 25 tournée vers ladite chambre de combustion et à jupe latérale coopé- rant avec la paroi latérale dudit tube de flamme ; et - une couronne est solidaire de la paroi transversale dudit piston et coopère avec la paroi latérale dudit tube de flamme pour obturer la-dite lumière d'admission dans la seconde position dudit fond mobile. Selon un exemple de réalisation conforme à l'invention, les moyens d'injection sont tels que : - ils sont constitués par au moins un injecteur prévu sur la paroi latérale dudit tube de flamme et dont un premier orifice débouche au ni- veau de ladite lumière d'admission; - au moins une lumière d'injection est ménagée dans la paroi latérale dudit tube de flamme, ladite lumière d'injection coopérant avec un second orifice dudit injecteur ; - et la jupe latérale dudit piston comprend au moins une fenêtre d'injection, apte à coopérer avec ladite lumière d'injection, lors du déplacement dudit fond mobile de la première position vers la seconde, de manière à permettre l'injection de combustible dans ladite chambre de combustion depuis la chambre de transfert. En variante, lesdits moyens d'injection sont constitués par au moins un clapet anti-retour avec ressort, logé dans la paroi transversale dudit piston, permettant l'injection de combustible dans ladite chambre de combustion lors du déplacement dudit fond mobile de la seconde position vers la première. Par ailleurs, le moteur à détonations pulsées de l'invention corn- prend avantageusement des moyens de blocage temporaire dudit fond mobile lorsqu'il est dans la première position permettant de modifier le fréquence de fonctionnement dudit moteur. Ainsi, en augmentant le temps de rétention du fond mobile en première position, on diminue la fréquence de fonctionnement du moteur (et par conséquent la poussée). Inversement, en limitant le temps de rétention du fond mobile en première position, on peut atteindre un fonctionnement à plein régime dont la fréquence dépend uniquement de la dynamique du piston. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1A est une vue schématique partielle en coupe longitudi- nale d'un mode de réalisation du moteur à détonations pulsées conforme à la présente invention, montrant le fond mobile dans la première position limite. La figure 1B est semblable à la figure 1 A, le fond mobile du moteur étant dans une position intermédiaire entre la première et la seconde posi- tion limite. La figure 1C est analogue à la figure 1A, le fond mobile du moteur occupant la seconde position limite. La figure 2 est une vue schématique partielle en coupe longitudinale d'une variante du mode de réalisation du moteur à détonations pulsées de l'invention représenté sur la figure 1A. Le moteur à détonations pulsées I, représenté schématiquement et partiellement sur les figures 1A à 1 C, comprend de façon connue un tube de flamme 2 cylindrique à axe longitudinal A, un fond transversal 3 logé avec ajustement à l'intérieur du tube de flamme 2 et un réservoir de corn- bustible cylindrique 4 à axe longitudinal A (représenté partiellement) en amont du tube de flamme (à gauche sur les figures). Le tube de flamme 2 est séparé du réservoir de combustible 4 par un appui transversal 5. Le fond transversal 3 délimite, avec la paroi latérale 6 du tube de flamme 2, une chambre de combustion 7, en partie illustrée, apte à rece- voir cycliquement une charge de combustible. II définit un mur de poussée contre lequel s'appliquent les produits de détonation de la charge combustible pour engendrer la poussée. En outre, le fond transversal 3 est monté mobile par rapport au tube de flamme 2 du moteur I et peut se déplacer, par exemple, en coulissant entre deux positions limites. Selon l'invention, la première position limite (figures 1A) correspond à l'alimentation en air, provenant des entrées d'air (non représentées sur les figures), de la chambre de combustion 7 et la seconde position limite (figures 1 C) correspond à la phase de détonation de la charge combustible. Pour cela, comme le montrent les figures 1A à 1 C, des lumières d'admission 8, pour l'admission d'air et de la charge combustible, sont ménagées dans la paroi latérale 6 du tube de flamme 2. Ces lumières d'admission 8 sont dégagées lorsque le fond mobile 3 occupe la première position et obturées quand il occupe la seconde position. En outre, le tube de flamme 2 comprend une chambre de transfert 9 à volume variable, à l'arrière du fond mobile 3, délimitée par la paroi latérale 6 du tube de flamme 2 et par l'appui transversal 5. La chambre de transfert 9 est destinée à recevoir du combustible provenant dudit réservoir 4. De plus, dans la réalisation illustrée, l'appui transversal 5 comporte des moyens de transfert 10 pour permettre, par exemple cycliquement, le transfert du combustible du réservoir 4 vers la chambre de transfert 9. Ces moyens de transfert peuvent être constitués de détendeurs à double effet comportant des ajutages, de venturis, etc ... Le moteur à détonations pulsées I comprend en outre des injecteurs 11 prévus sur la paroi latérale 6 du tube de flamme 2. Ils permettent l'injection de combustible de la chambre de transfert 9 vers la chambre de combustion 7 par l'intermédiaire d'un premier orifice 11A débouchant au niveau des lumières d'admission 8. Pour permettre l'injection de combustible de la chambre de transfert 9 vers la chambre de combustion 7, des lumières d'injection 12 sont pratiquées dans la paroi latérale 6 du tube de flamme 2 afin de coopérer avec un second orifice 11B des injecteurs 11. Le fond mobile 3 se présente structurellement sous la forme d'un piston 13 composé d'une paroi transversale 14 tournée vers la chambre de combustion 7 à jupe latérale 15 coopérant, avec ajustement, avec la paroi latérale 6 du tube de flamme 2. Des fenêtres d'injection 16 sont ménagées dans la jupe latérale 15 du piston 13 pour permettre l'injection 1 o de combustible de la chambre de transfert 9 vers la chambre de combustion 7 par l'intermédiaire des injecteurs 11. Le fond mobile 3 comporte également une couronne 17 solidaire de la paroi transversale 14 du piston 13 et qui coopère, avec ajustement, avec la paroi latérale 6 du tube de flamme 2 pour obturer totalement, d'une part, les lumières d'admission 8 15 lorsque le fond mobile 3 occupe la seconde position et, d'autre part, les lumières d'injection 12 lorsque le fond mobile 3 occupe la première position. Selon l'invention, des moyens élastiques de rappel sont prévus dans la chambre de transfert 9 entre le fond mobile 3 et l'appui transversal 5. 20 Avantageusement, ces moyens élastiques de rappel sont constitués de combustible contenu dans ladite chambre de transfert 9. La force de contre pression engendrée par la compression du combustible siégeant dans la chambre de transfert 9 permet, d'une part, de freiner légèrement le fond mobile 3 en fin de déplacement de la seconde position vers la 25 première position et, d'autre part, de le propulser de sa première position vers sa seconde position Comme le montrent les figures 1A à 1 C, ils peuvent également être couplé avec un ressort auxiliaire de compression 18 (en pointillé sur les figures) disposé entre la face de la paroi transversale 14 du piston 13 et l'appui transversal 5 afin de faciliter la propulsion du fond mobile 3 lorsque la pression dans la chambre de transfert 9 n'est pas suffisante. Une tige de guidage 19 du ressort 18, fixée sur la paroi transversale 14 du piston 13, est associée audit ressort 18. Selon le mode de réalisation, le moteur I comprend également des moyens de blocage temporaire 20 dudit fond mobile 3, lorsqu'il est dans la première position (figures 1A), de manière à modifier la fréquence de fonctionnement du moteur I. Ces moyens de blocage 20, par exemple logés dans la paroi latérale 6 du tube de flamme 2, peuvent être du type 1 o mécanique ou électo-mécanique. Par ailleurs, selon une variante de la réalisation proposée illustrée en figure 2, l'injection de combustible de la chambre de transfert 9 vers la chambre de combustion 7 peut se faire au moyen de clapets anti-retour à ressort 21 logés dans la paroi transversale 14 du piston 13 lors du dépla- 15 cernent du fond mobile 3 de la seconde vers la première position. Comme le montre la figure 2, la jupe latérale 15 du piston 13 ne comprend pas de fenêtre d'injection 16. Aucune lumière d'injection 12 n'est par ailleurs ménagée dans la paroi latérale 6 dudit tube de flamme 2. Le reste de la structure du moteur I est semblable à celle décrite 20 précédemment en relation avec les figures 1A à 1 C. Selon l'invention, le moteur à détonations pulsées I peut fonctionner selon les deux cycles de fonctionnement suivants : - un cycle de fonctionnement en mode admission ouverte ; et - un cycle de fonctionnement en mode admission fermée. 25 Comme le montrent les figures 1A à 1 C, le cycle de fonctionnement en mode admission ouverte d'un tel moteur à détonations pulsées I est le suivant. Tout d'abord, on suppose que le moteur I se trouve initialement dans la configuration, illustrée sur la figure 1A, pour laquelle le fond transversal mobile 3 occupe la première position, à savoir : - les lumières d'injection 12 sont obturées par la couronne 17 du fond mobile 3 ; - les fenêtres d'injection 16 sont obturées par la paroi latérale 6 du tube de flamme 2 ; - du combustible gazeux sous pression est présent dans la chambre de transfert 9. La pression dans la chambre de transfert 9 est supérieure 1 o à la pression atmosphérique (Pt > Patm) ; - les lumières d'admission 8 sont totalement dégagées permettant ainsi le balayage de la chambre de combustion 7 par le flux d'air (symbolisé par la flèche 22) en provenance des entrées d'air. La pression au sein de la chambre de combustion 7 est égale à la pression atmos- 15 phérique (Pc = Patm) ; et - le ressort de rappel 18 est comprimé par le fond transversal mobile 3. Sous l'action de la force de rappel du ressort 18 et de la pression dans la chambre de transfert 9, le fond transversal mobile 3 est déplacé vers l'avant. Simultanément, les fenêtres d'injection 16 et les lumières 20 d'injection 12 s'ouvrent et coopèrent mutuellement. La différence de pression entre la chambre de transfert 9 et la chambre de combustion 7 provoque l'injection de combustible (symbolisée par la flèche 23) dans la chambre de combustion 7 par les injecteurs Il, les lumières d'admission 8 étant dégagées. 25 La poursuite du déplacement vers l'avant du fond mobile 3 provo-que l'obturation des lumières d'admission 8 par l'intermédiaire de la couronne 17, l'injection de combustible dans la chambre de combustion 7 s'achevant légèrement avant que les lumières d'admission 8 ne soient totalement obturées. La diminution de la pression dans la chambre de transfert 9 (Pt Patm). Lorsque la détonation du mélange combustible-air se produit par l'intermédiaire d'un dispositif d'allumage (non représenté sur les figures), la pression augmente fortement dans la chambre de combustion 7, ce qui propulse le fond mobile 3 vers l'arrière (à gauche sur la figure 1 C). Lors de cette phase de recul du fond mobile 3, du combustible gazeux sous pression est transféré du réservoir 4 vers la chambre de transfert 9 par l'intermédiaire des moyens de transfert 10. La diminution du volume de la chambre de transfert 9, associée au transfert de combustible dans celle-ci, provoque l'augmentation de la pression dans la chambre de transfert 9 entraînant, avec l'action de la force de rappel du ressort 18, l'amortissement du fond mobile 3 jusqu'à ce qu'il atteigne de nouveau la première position (figure 1A). Avantageusement, la pression de régulation du détendeur peut être adaptée, par variation de la pression pilote ou du tarage du ressort par déplacement d'une paroi, pour modifier la charge en combustible introduite à chaque cycle dans le volume de transfert 9, donc la pression d'injection et, par conséquent, la poussée. Un nouveau cycle de fonctionnement du moteur I en mode admission ouverte peut alors débuter. Par ailleurs, le cycle de fonctionnement en mode admission fermée d'un tel moteur à détonations pulsées I est le suivant. Tout d'abord, on suppose que le moteur I se trouve initialement dans la configuration, illustrée sur la figure 1 C, pour laquelle le fond mobile 3 occupe la seconde position limite précédemment décrite. On suppose en outre que du combustible est présent dans la chambre de transfert 9 et que des moyens additionnels permettent d'alimenter la chambre de détonation en combustible. Lorsque la détonation du mélange détonant se produit par l'intermédiaire du dispositif d'allumage, la pression augmente fortement dans la chambre de combustion 7, ce qui propulse le fond mobile 3 vers l'arrière (à gauche sur la figure 1C). Lors de cette phase de recul du fond mobile 3, les lumières d'admission 8 et les lumières d'injection 12 s'ouvrent. Sous l'effet de la diminution de volume, la pression dans la chambre de transfert 9 augmente, ce qui provoque l'amortissement progressif du fond mobile 3. La différence de pression entre la chambre de transfert 9 et la chambre de combustion 7 entraîne en outre l'injection de combustible dans cette dernière par l'intermédiaire des injecteurs 11. L'injection s'arrête un peu avant que le fond mobile 3 atteigne la première position. A la différence du mode admission ouverte décrit précédemment, lors de la phase de recul du fond mobile 3 du mode admission fermée, au- cun transfert de combustible du réservoir 4 vers la chambre de transfert 9 n'est effectué, seule l'injection de combustible de la chambre de transfert 9 vers la chambre de combustion 7 est réalisée par l'intermédiaire des injecteurs 1 1 (du combustible étant initialement présent dans la chambre de transfert 9). L'action de la force de rappel du ressort 18 comprimé permet de renvoyer le fond mobile 3 vers l'avant (à droite sur la figure 1A). Lors de ce retour, la dépression créée au sein de la chambre de transfert 9 par le fond mobile 3 provoque une aspiration de combustible contenu dans le réservoir 4 et une pulvérisation de celui-ci dans la chambre de transfert 9 par l'intermédiaire des moyens de transfert 10. Alors qu'il approche de la seconde position (figure 1 C), le fond mobile 3 est amorti puis stoppé, dans la seconde position, par la détonation du mélange détonant présent dans la chambre de combustion 7, ce qui débute ainsi un nouveau cycle de fonctionnement du moteur I. Dans le mode d'admission fermée, le recul du fond mobile 3 vers la gauche fournit le travail d'injection du combustible de la chambre de transfert 9 vers la chambre de combustion 7. REVENDICATIONS1. Moteur à détonations pulsées fonctionnant avec un mélange détonant combustible-air et comportant : au moins un tube de flamme (2) à fond transversal mobile (3) par rap- port à celui-ci, pour pouvoir occuper une première et une seconde position limite, et fermé par un appui transversal (5) en regard dudit fond mobile (3) ; des moyens élastiques de rappel agissant sur ledit fond mobile (3) et aptes, d'une part, à propulser ce dernier de la première position vers la seconde et, d'autre part, à freiner ce dernier en fin de déplacement de la seconde position vers la première ; au moins un réservoir de combustible (4) ; et des moyens d'alimentation en combustible de la chambre de combustion (7) dudit tube de flamme (2) ; caractérisé : ù en ce que lesdits moyens d'alimentation en combustible comprennent : • une chambre de transfert (9), à volume variable, délimitée par la paroi latérale (6) dudit tube de flamme (2), par ledit fond mobile (3) et par ledit appui transversal (5) et destinée à recevoir du combustible pro- venant dudit réservoir (4) ; des moyens de transfert de combustible (10) aptes à transférer du combustible dudit réservoir (4) vers ladite chambre de transfert (9) ; et • des moyens d'injection (Il, 21) de combustible dans ladite chambre de combustion (7) depuis ladite chambre de transfert (9) ; - et en ce que lesdits moyens élastiques de rappel sont constitués, au moins en partie, par le combustible contenu dans ladite chambre de transfert (9). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques de rappel comportent en outre au moins un ressort auxiliaire de compression (18) apte à aider à la propulsion dudit fond mobile (3) de la première position vers la seconde et au freinage de ce dernier en fin de déplacement de la seconde position vers la première. 3. Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, ledit réservoir (4) étant placé à l'arrière dudit appui transversal (5) coaxialement audit tube de flamme (2), ledit appui transversai (5) comporte lesdits moyens de transfert de combustible (10). 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de transfert de combustible (10) sont constitués par au moins un détendeur comportant des ajutages. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 15 caractérisé en ce que lesdits moyens de transfert de combustible (10) sont constitués par au moins un carburateur à effet venturi. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, au moins une lumière d'admission (8) étant ménagée dans la paroi latérale (6) dudit tube de flamme (2) : 20 ledit fond mobile (3), qui coulisse entre la première position et la se- conde position, présente la forme d'un piston (13) à paroi transversale (14) tournée vers ladite chambre de combustion (7) et à jupe latérale (15) coopérant avec la paroi latérale (6) dudit tube de flamme (2) ; et une couronne (17) est solidaire de la paroi transversale (14) dudit piston 25 (13) et coopère avec la paroi latérale (6) dudit tube de flamme (2) pour obturer ladite lumière d'admission (8) dans la seconde position dudit fond mobile (3). 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé : û en ce que lesdits moyens d'injection sont constitués par au moins un injecteur (Il) prévu sur la paroi latérale (6) dudit tube de flamme (2) et dont un premier orifice (11A) débouche au niveau de ladite lumière d'admission (8); en ce qu'au moins une lumière d'injection (12) est ménagée dans la paroi latérale (6) dudit tube de flamme (2), ladite lumière d'injection (12) coopérant avec un second orifice (1 1B) dudit injecteur (Il); et en ce que la jupe latérale (15) dudit piston (13) comprend au moins une fenêtre d'injection (16), apte à coopérer avec ladite lumière d'injection (12), lors du déplacement dudit fond mobile (3) de la première position vers la seconde, de manière à permettre l'injection de combustible dans ladite chambre de combustion (7) depuis la chambre de transfert (9). 8. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection sont constitués par au moins un clapet anti-retour avec ressort (21), logé dans la paroi transversale (14) dudit piston (13), permettant l'injection de combustible dans la-dite chambre de combustion (7) lors du déplacement dudit fond mobile (3) de la seconde position vers la première. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de blocage temporaire (20) dudit fond mobile (3) lorsqu'il est dans la première position.