Brevet FR2933743A1 — publié le 20100115

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif d'injection de biergol liquide ou liquide/gaz à forte modulation de débit avec vitesse d'injection stable, disposé à une extrémité amont de la paroi d'une chambre de combustion d'un moteur-fusée et comprenant un premier canal d'alimentation en un premier ergol à partir d'un premier réservoir et un deuxième canal d'alimentation en un deuxième ergol à partir d'un deuxième 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 36. 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 fixe 36 et une pièce mobile 34 coaxiale. 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. L'architecture d'un système tel que celui de la Figure 2 conduit à une résultante des deux nappes d'ergol qui est orientée vers la paroi de la chambre de combustion. Ceci impose de définir un diamètre de chambre relativement important, mais malgré cela, la durée de vie de la chambre est dégradée. 30 Dans les dispositifs de l'art antérieur, la conception de type "pintie" ne permet pas l'implantation d'un allumeur central. 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 avec allumeur central, qui soit adapté à l'injection de biergol, présente une conception simplifiée et permette une modulation du débit d'injection (avec un petit débit à l'allumage et une forte variation ensuite) tout en assurant une pulvérisation et un bon mélange et en augmentant la durée de vie de la chambre de combustion. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un Dispositif d'injection de biergol liquide ou liquide/gaz à débit modulable, disposé à une extrémité amont de la paroi d'une chambre de combustion d'un moteur-fusée et comprenant un premier canal d'alimentation en un premier ergol à partir d'un premier réservoir et un deuxième canal d'alimentation en un deuxième ergol liquide à partir d'un deuxième réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend des premier et deuxième canaux annulaires concentriques de mise en vitesse reliés respectivement aux premier et deuxième 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 en formant chacun un angle prédéfini de manière à créer en sortie une première nappe du premier ergol liquide injecté et une deuxième nappe du deuxième ergol liquide injecté, les premières et deuxièmes nappes créant un impact entre elles selon une couronne de pulvérisation ou un mélange par friction 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. Selon un mode particulier de réalisation, le premier canal annulaire de mise en vitesse présente par rapport à un axe parallèle à l'axe de la chambre un premier angle al qui est différent du deuxième angle a2. formé par le deuxième canal annulaire de mise en vitesse par rapport à un axe parallèle à celui de la chambre. Bien que les premier et deuxième angles ai et az puissent également être égaux, ces angles sont avantageusement différents dans les cas fréquents où les premières et deuxièmes sections d'injection annulaire doivent être différentes. Les premier et deuxième angles ai et a2 peuvent en particulier être choisis de telle manière que la résultante des première et deuxième nappes formées soit orientée plutôt vers le centre de la chambre de combustion. Par ailleurs dans le cas où le dispositif d'injection comprend un premier canal d'alimentation en un premier ergol liquide et un deuxième canal d'alimentation en un deuxième ergol gazeux, il est préférable que les premier et deuxième canaux annulaires de mise en vitesse forment chacun par rapport à un axe parallèle à l'axe de la chambre, un angle ai, a2 inférieur à 30°, Des angles a2 fermés permettent de se rapprocher d'une injection coaxiale, c'est-à-dire d'une configuration qui favorise le mélange par friction des deux ergols plutôt que l'impact. 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 en forme de couronne comprend une section pilote soumise aux effets du débit de fluide dans le premier 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. La présente invention repose sur une technologie basée sur l'association d'un système de modulation de débit des ergols et d'une pulvérisation et/ou d'un mélange dont la résultante de l'orientation des canaux d'injection est sensiblement dans l'axe de la chambre, et sans saillies importantes. L'élément élastique peut être constitué par un ressort calibré ou 35 par un ensemble de rondelles Belleville. 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. Selon une caractéristique particulière, les troisième et 5 quatrième parois de révolution peuvent être tronconiques avec la grande base tournée du côté de la chambre de combustion. Selon un mode de réalisation avantageux, les canaux d'alimentation en premier et deuxième ergols sont définis par un corps en forme de cloche comprenant une couronne d'appui fixée par des vis sur 10 l'extrémité amont 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. 15 Le dispositif est conçu de manière à permettre l'obtention de 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 jupe ou 20 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 jupe ou 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 des biergols, 25 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 des ergols est nul, ce qui permet une meilleure 30 réactivité en cas d'allumages successifs et évite aussi l'intrusion de corps étrangers. Le système est simple sur le plan mécanique et très compact. Le fond de la chambre de combustion est peu exposé à d'importantes recirculations du fait de l'orientation "axiale" et "sans saillie" 35 de l'injection. La pulvérisation s'effectue par projection des ergols 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 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 allumeur. Le dispositif selon l'invention est applicable à tout moteur-fusée 10 à forte modulation de poussée et réallumable. 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 15 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 biergol selon un mode particulier de réalisation de l'invention, et 20 - 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. Description détaillée de modes de réalisation préférentiels 25 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 biergol selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté partiellement une chambre de combustion 9 délimitée par une paroi 90 dont une extrémité amont est 30 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 92 tels que des vis. Le corps 1 définit un premier canal 62 d'alimentation d'un premier ergol liquide qui est en communication avec un premier 35 réservoir (non représenté) à travers un tore 61. Le corps 1 définit également un second canal 64 d'alimentation d'un second ergol liquide, qui est en communication avec un second réservoir (non représenté) à travers un tore 63. Les canaux 62, 64 peuvent comprendre chacun plusieurs canaux en parallèle répartis sur une zone annulaire du corps 1 et formés par des perçages débouchant respectivement dans des parties annulaires concentriques, 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 une partie annulaire du premier canal 62 d'injection. La surface de révolution fixe 94 présente 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 solidarisation avec le corps 1 à l'aide d'un écrou 11. 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 la partie annulaire du deuxième canal 64 d'injection. 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 par la colonne centrale du corps 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 35 corps 1 d'autre part. Des premiers perçages 62 formant canaux d'alimentation en premier ergol sont formés dans une partie tubulaire externe du corps 1. Des deuxièmes perçages 64 formant canaux d'alimentation en deuxième ergol sont formés dans une partie tubulaire interne du corps 1. Une face 53 de la pièce mobile 5 définit une section pilote soumise aux variations de débit d'ergol circulant dans le canal d'alimentation extérieur 62, ces variations de débit évoluant sensiblement comme la pression. Selon une variante, il est à noter que cette section pilote pourrait, d'une manière similaire, être soumise aux variations du débit d'ergol circulant dans le canal intérieur 64. 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 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 et forment une pointe relativement fine. 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 à la partie annulaire du premier canal d'alimentation 62 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 directement à la partie annulaire du second canal d'alimentation 64 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 premier ergol 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, les premier et second ergols éjectés 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 et un mélange 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 du premier ergol 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 premier fluide circulant dans les premiers canaux d'alimentation 62 alimente le premier canal de mise en vitesse 41 et le second fluide circulant dans les deuxièmes canaux d'alimentation 64 alimente le deuxième canal de mise en vitesse 42, les premier et deuxième canaux de mise en vitesse 41, 44 formant chacun un angle prédéfini al, a2 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, puis le mélange. 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. L'angle al du canal de mise en vitesse 41 peut être différent de l'angle a2 du canal de mise en vitesse 42 par rapport à un axe parallèle à celui de la chambre (comme représenté sur la figure 1), en particulier pour permettre d'ajuster les sections d'injection 31 et 32 au besoin. En particulier, si l'angle al de la figure 1 est inférieur à l'angle a2, la résultante des deux nappes formées peut être orientée plutôt vers le centre de la chambre 9. 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 [a pièce 5 mobile en translation parallèlement à l'axe de la chambre 9. Les tores 61, 63 peuvent être rapportés sur le corps 1. Compte tenu de l'hyperstaticité du système, une bonne 10 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 15 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. 20 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, en particulier pour la régularité des nappes injectées et pour un excellent contact des surfaces à l'obturation, contrairement aux dispositifs de l'art antérieur. 25 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 un orifice de passage 74 30 pouvant recevoir par exemple un allumeur central. 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 35 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 biergol liquide ou liquide/gaz à débit modulable, disposé à une extrémité amont (91) de la paroi (90) d'une chambre de combustion (9) d'un moteur-fusée et comprenant un premier canal (61, 62) d'alimentation en un premier ergol à partir d'un premier réservoir et un deuxième canal (63, 64) d'alimentation en un deuxième ergol liquide à partir d'un deuxième réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend des premier et deuxième canaux annulaires concentriques (41, 42) de mise en vitesse reliés respectivement aux premier et deuxième canaux d'alimentation (61, 62 ; 63, 64) 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 en formant chacun un angle prédéfini (al, a2) de manière à créer en sortie une première nappe du premier ergol liquide injecté et une deuxième nappe du deuxième ergol liquide injecté, les premières et deuxièmes nappes créant un impact entre elles selon une couronne de pulvérisation ou un mélange par friction 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 d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier canal annulaire de mise en vitesse (41) présente par rapport à un axe parallèle à l'axe de la chambre un premier angle (ai) qui est différent du deuxième angle (a2) formé par le deuxième canal annulaire de mise en vitesse (42), par rapport à un axe parallèle à celui de la chambre. 3. Dispositif d'injection selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier canal (61) d'alimen- tation en un premier ergol liquide et un deuxième canal (62) d'alimentation en un deuxième ergol gazeux, et en ce que les premier et deuxième canaux annulaires de mise en vitesse (41, 42) forment chacun par rapport à un axe parallèle à l'axe de la chambre un angle (al, a2) inférieur à 30°. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 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). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pièce mobile (5) en forme de couronne comprend une section pilote (53) soumise aux effets du débit de fluide dans le premier canal d'alimentation (62, 61) 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). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément élastique est constitué par un ressort calibré (8) ou par un ensemble de rondelles Belleville. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, 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). 30 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, 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). 35 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les canaux (61, 62, 63, 64) d'alimentation en premier et deuxième ergols sont définis par un corps (1) en forme de cloche comprenant une couronne 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 (5). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la première paroi de révolution fixe (94) est définie par une portion en saillie en forme de jupe ou 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 jupe ou de lèvre d'une pièce fixe (7) rapportée sur ladite extrémité amont (91) de la paroi (90) de la chambre de combustion (9). 11, Dispositif selon la revendication 4, 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.