Brevet FR2924763A1 — publié le 20090612

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un système de tuyères pour moteur-fusée et plus particulièrement un système de tuyères comprenant un groupe de tuyères individuelles. Art antérieur 10 On connaît déjà des exemples de systèmes de tuyères pour moteur-fusée mettant en oeuvre des ensembles de tuyères non axisymétriques de forme rectangulaire, adaptées à un noyau central (encore dénommé "plug"). Un tel type de moteur-fusée à noyau central et ensemble 15 linéaire de tuyères individuelles a notamment été proposé par la société Rocketdyne sous la référence XRS-2200 pour équiper le lanceur monoétage réutilisable dans le cadre du programme X33 de la société Lockeed-Martin, qui est resté à l'état de projet. La Figure 6 montre une vue schématique en perspective d'un tel 20 système de tuyères XRS-2200, resté à l'état de prototype avec un noyau central linéaire 20 auquel sont associées des rangées de tuyères 10 non axisymétriques dont la section de sortie présente une forme rectangulaire. Les moteurs-fusées de ce type présentent certains inconvénients en termes de masse ou de difficultés de refroidissement. 25 Il a par ailleurs été envisagé sur un plan théorique de concevoir un système de tuyères pour moteur-fusée comprenant un noyau central de forme axisymétrique, essentiellement tronconique, et un ensemble de tuyères axisymétriques assemblées autour de ce noyau central. Toutefois, de telles tuyères individuelles axisymétriques créent 30 nécessairement des sauts des écoulements de gaz lorsque ceux-ci quittent le divergent d'une tuyère individuelle pour rejoindre le noyau central. Ces sauts non seulement sont néfastes en terme de performance aérodynamique, mais créent en outre des problèmes de tenue thermique du noyau central, car à l'endroit du recollement des écoulements le long 35 du noyau central, il y a un accroissement des transferts thermiques dus au redressement des écoulements. Pour remédier aux inconvénients de l'art antérieur, on pourrait envisager, comme montré en Figures 7 et 8, de disposer autour d'un noyau central axisymétrique 202 un ensemble de tuyères individuelles 201 qui ne seraient plus axisymétriques mais réalisées comme selon le projet précité de système de tuyères XRS-2200. Dans ce cas, chaque tuyère individuelle 201 comprend un col de tuyère à section circulaire 212 raccordée à une chambre de combustion 211 et un divergent 213 dont la section de sortie 214 présente essentiellement une forme rectangulaire avec des côtés interne et externe 214a, 214b et deux côtés latéraux 214c, 214d. Un tel agencement permet de remédier à certains inconvénients des tuyères axisymétriques, mais ne permet pas d'optimiser l'espace autour du noyau central, ni de traiter le problème de saut des écoulements en sortie des tuyères, sur leur bord interne. Objet et description succincte de l'invention L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre notamment une optimisation de l'espace alloué à des tuyères individuelles autour d'un noyau central axisymétrique, tout en assurant des taux de détente élevés pour les gaz expulsés par les tuyères individuelles et en réduisant les problèmes de tenue thermique du noyau central. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un système de tuyères pour moteur-fusée, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de tuyères individuelles réparties en couronne autour d'un noyau central de forme axisymétrique présentant un axe central, en ce que chaque tuyère individuelle placée à la périphérie du noyau central comprend un col de section circulaire de réception des gaz issus d'une chambre de combustion et un divergent tangent au noyau central, et en ce que le divergent comporte une section de sortie qui présente des premier et deuxième côtés latéraux convergeant radialement vers l'axe central du noyau central, un côté extérieur courbe ayant sa convexité tournée vers l'extérieur et un côté intérieur situé au voisinage du noyau central, lequel côté intérieur présente une dimension plus réduite que la corde définie à partir du côté extérieur courbe. Le côté intérieur situé au voisinage du noyau central peut être rectiligne, mais selon un mode de réalisation particulier avantageux, ce côté intérieur est courbe avec une courbure voisine de celle du noyau central, et ce côté intérieur présente une continuité de pente dans le plan méridien avec le noyau central, c'est-à-dire qu'il y a tangence entre le côté intérieur de la tuyère et le noyau central. Les côtés latéraux radiaux peuvent être rectilignes ou, selon une variante de réalisation, peuvent présenter une certaine courbure plus grande que celle du noyau central. Selon un mode de réalisation particulier, le côté extérieur courbe d'une section de sortie d'une tuyère individuelle présente une courbure constituant une portion d'un cercle concentrique au noyau central. Selon un autre mode de réalisation particulier, le côté extérieur courbe d'une section de sortie d'une tuyère individuelle présente une courbure constituant une portion d'ellipse présentant de plus petits rayons que le noyau central. Selon la présente invention, les tuyères individuelles ont une section de sortie d'allure générale trapézoïdale, dont chacun des contours peut avoir une forme particulière, rectiligne ou curviligne, selon les contraintes d'encombrement, de tenue mécanique des parois, et d'optimisation des écoulements. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de système de tuyères pour moteur-fusée selon l'invention ; - la Figure 2 est une vue partielle de dessus montrant l'agencement de tuyères individuelles autour d'un noyau central dans le mode de réalisation de la Figure 1 ; - les Figures 3 et 4 sont des vues en perspective de variantes de réalisation d'une tuyère individuelle à profil de section circulaire sur une partie externe pouvant être mise en oeuvre dans un système de tuyères pour moteur-fusée selon l'invention ; - la Figure 5 est une vue de dessus d'un mode particulier de réalisation d'un système de tuyères pour moteur-fusée selon l'invention comprenant un noyau central axisymétrique et une couronne de tuyères individuelles selon le mode de réalisation des Figures 3 et 4 ; la Figure 6 est une vue schématique en perspective d'un exemple de système de tuyères de moteur-fusée selon l'art antérieur comprenant un noyau central rectiligne et des rangées de tuyères individuelles à section de sortie rectangulaire - la Figure 7 est une vue schématique en perspective d'un 10 exemple de système de tuyères de moteur-fusée comprenant un noyau central axisymétrique et une couronne de tuyères individuelles à section de sortie essentiellement rectangulaire ; - la Figure 8 est une vue partielle de dessus du système de tuyère de moteur-fusée de la Figure 7, 15 - les Figures 9 et 10 sont des vues en perspective d'un exemple particulier de tuyère individuelle pouvant être mis en oeuvre dans un système de tuyères selon l'invention, et - la figure 11 est une vue schématique montrant les positions relatives d'une tuyère individuelle et d'un noyau central axisymétrique. 20 Description détaillée de modes particuliers de réalisation On voit sur la Figure 1 une vue d'ensemble en perspective d'un système de tuyères de moteur-fusée selon un mode particulier de réalisation de l'invention, avec un noyau central 2 axisymétrique, de forme 25 essentiellement tronconique, autour duquel sont agencées, sous forme de couronne, un ensemble de tuyères individuelles 1 de forme non axisymétrique, mais adaptées de manière à optimiser l'encombrement et éviter que se produisent des sauts d'écoulement des gaz lorsque ceux-ci quittent les tuyères individuelles 1 pour rejoindre la paroi extérieure du 30 noyau central 2, le long de laquelle se produit la détente des gaz issus des tuyères 1. Chaque tuyère individuelle 1 comprend un col de tuyère 12 de forme circulaire raccordé à une chambre de combustion 11, et un divergent 13 se terminant par une section de sortie 14 présentant une allure générale trapézoïdale, chacun des contours 14a à 14d de cette section de sortie 14 pouvant avoir une forme particulière, rectiligne ou curviligne selon les contraintes d'encombrement. La mise en oeuvre de tuyères individuelles 1 qui ne sont pas axisymétriques permet non seulement d'optimiser l'espace alloué aux tuyères autour du noyau central 2 et de réduire les sauts d'écoulement des gaz de combustion lorsque ceux-ci quittent les tuyères 1 et rejoignent le noyau central 2, mais également d'obtenir des taux de détente des gaz dans les tuyères 1 qui sont plus élevés que dans le cas de tuyères axisymétriques. Dans le mode de réalisation des Figures 1 et 2, la section de sortie 14 du divergent 13 de chaque tuyère individuelle 1 présente des côtés latéraux 14c, 14d qui convergent radialement vers l'axe central z du noyau central 2 en formant un angle aigu cc Ces côtés latéraux radiaux 14c, 14d sont de préférence rectilignes mais pourraient présenter une légère courbure. Dans ce cas, le rayon de courbure des côtés radiaux 14c, 14d doit être très grand, par exemple supérieur au rayon de courbure du noyau central. Sur les Figures 1 et 2, on voit que la section de sortie 14 du divergent 13 de chaque tuyère individuelle 1 présente un côté intérieur 14a rectiligne situé au voisinage du noyau central z. Ceci peut simplifier la réalisation. Toutefois, pour éviter tout problème de saut d'écoulement de gaz en sortie des tuyères 1, il est préférable que le côté intérieur 14a situé au voisinage du noyau central 2 soit incurvé avec une courbure voisine de celle du noyau central 2, comme cela sera décrit en référence au mode de réalisation des Figures 3 à 5. Dans le mode de réalisation des Figures 1 et 2, la section de sortie 14 du divergent 13 de chaque tuyère individuelle 1 présente avantageusement un côté extérieur 14b qui présente la forme d'un arc de cercle qui constitue une portion d'un cercle concentrique au noyau central 2 axisymétrique. Ceci permet d'offrir aux écoulements issus des tuyères 1 le maximum d'espace dans un espace annulaire. D'une façon générale, chaque tuyère individuelle 1 présente un col 12 de section circulaire et un divergent 13 dont la section évolue régulièrement pour atteindre la forme souhaitée au niveau de la section de sortie 14 de la tuyère. Cette évolution est calculée selon des critères de performance propulsive ou d'autres contraintes telles que la tenue d'un film de refroidissement par exemple. On peut noter également que la forme trapézoïdale de la section de sortie 14 des tuyères 1 offre des avantages en terme de tenue mécanique des parois par l'effet des multiples courbures qui sont réalisées dans le divergent 13. On notera que la face du divergent 13 d'une tuyère 1 qui est au contact du noyau central 2 est de préférence une surface gauche à double courbure. De façon plus particulière, un premier arc de courbure permet au bord du divergent 13 de la tuyère 1 d'être en contact avec un parallèle au noyau central 2 tandis qu'un second arc de courbure permet à la 0 tuyère d'assurer la continuité de pente dans un plan méridien, avec le noyau central 2, en extrémité de tuyère au niveau de la section de sortie 14. Les figures 9 et 10 illustrent un exemple de tuyère individuelle 301 avec une chambre de combustion 311, un col de 15 tuyère 312 et un divergent 313 présentant une section de sortie 314 comprenant des contours 314a à 314d. La tuyère 301 présente un divergent 313 comprenant une surface gauche à double courbure comme mentionné plus haut, qui se termine par un côté interne 314a qui épouse la forme du noyau central. 20 La relation entre la surface gauche à double courbure et la surface du noyau central est tout d'abord une condition de tangence entre la surface gauche de la tuyère et la surface du noyau central le long du parallèle de contact. Il en résultera un angle de sortie tuyère variable le long du côté 314a dans une fourchette de valeurs compatible d'un 25 écoulement aérodynamique sain. La figure 11 montre un exemple de positionnement d'une tuyère individuelle 1 par rapport à une structure tronconique axisymétrique 2 où l'angle de sortie a2 de la tuyère 1 par rapport à son axe Y n'est pas nécessairement égal à l'angle al entre la surface latérale de la structure 30 tronconique axisymétrique 2 et l'axe Z de cette structure. L'axe Y de chaque tuyère individuelle 1 n'est ainsi pas nécessairement parallèle à l'axe Z de la structure tronconique 2. La condition définissant la position relative des tuyères individuelles 1 et du tronc de cône 2 est la tangence entre les tuyères 1 et 35 le tronc de cône 2 au droit de leur contact. Les Figures 3 à 5 illustrent un mode de réalisation de l'invention qui minimise les effets de coins dans lesquels l'écoulement a tendance à se concentrer et contribue à maintenir un écoulement le plus optimisé possible dans chaque tuyère individuelle 101 coopérant avec un noyau central 102. Dans le cas du mode de réalisation des Figures 3 à le noyau central 102 est axisymétrique, par exemple essentiellement en forme de tronc de cône, comme dans le cas du mode de réalisation des Figures 1 et 2 et les tuyères individuelles 101 non axisymétriques sont réparties en couronne autour du noyau central 102. Sur les Figures 3 à 5, on voit des tuyères individuelles 101 avec un col de tuyère 112 de forme circulaire raccordé d'une part en amont à une chambre de combustion 111 et d'autre part en aval à un divergent 113 se terminant par une section de sortie 114. Le divergent 113 d'une tuyère 101 présente un profil de section elliptique sur la partie externe de la tuyère 101 jusqu'à la section de sortie 114. On notera que l'optimisation d'une tuyère 101 peut nécessiter des profils méridiens de la tuyère qui sont différents dans le plan radial au noyau central 102 et dans le plan orthogonal à celui-ci. La section de sortie 114 peut ainsi présenter une forme qui conserve l'allure générale d'un trapèze, mais le côté extérieur 114b présente une courbure très marquée avec un faible rayon de courbure, bien inférieur au rayon de courbure du noyau central 102 ou à celui des arcs de cercle des côtés 14b du mode de réalisation des Figures 1 et 2. Les côtés latéraux 114c, 114d de la section de sortie 114 des tuyères 101 sont rectilignes et radiaux tandis que le côté interne 114a épouse la courbure du noyau central 102 et évite tout saut d'écoulement des gaz en sortie d'une tuyère, sur son bord interne 114a placé au voisinage du noyau central 102. REVENDICATIONS 1. Système de tuyères pour moteur-fusée, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de tuyères individuelles (1 ; 101) réparties en couronne autour d'un noyau central (2 ; 102) de forme axisymétrique présentant un axe central (z), en ce que chaque tuyère individuelle (1 ; 101) placée à la périphérie du noyau central (2 ; 102) comprend un col (12 ; 112) de section circulaire de réception des gaz issus d'une chambre de combustion (11 ; 111) et un divergent (13 ; 113) tangent au noyau central (2 ; 102), et en ce que le divergent (13 ; 113) comporte une section de sortie (14 ; 114) qui présente des premier et deuxième côtés latéraux (14c, 14d ; 114c, 114d) qui convergent radialement vers l'axe central (z) du noyau central (2 ; 102), un côté extérieur (14b ; 114b) courbe ayant sa convexité tournée vers l'extérieur et un côté intérieur (14a 114a) situé au voisinage du noyau central (2 ; 102), lequel côté intérieur (14a ; 114a) présente une dimension plus réduite que la corde définie à partir du côté extérieur courbe (14b, 114b). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit côté intérieur (114a) situé au voisinage du noyau central (102) est courbe avec une courbure voisine de celle du noyau central (102) et en ce que ledit côté intérieur (114a) présente une continuité de pente dans le plan méridien avec le noyau central (102). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit côté intérieur (14a) situé au voisinage du noyau central (2) est rectiligne. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit côté extérieur courbe (14b) présente une 30 courbure constituant une portion d'un cercle concentrique au noyau central (2). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit côté extérieur courbe (114b) présente une 35 courbure constituant une portion d'ellipse présentant de plus petits rayons que le noyau central (102). 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits côtés latéraux radiaux (14c, 14d ; 114c, 114d) sont rectilignes. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits côtés latéraux radiaux (14c, 14d ; 114c, 114d) présentent une courbure plus grande que celle du noyau central 2 102).