Brevet FR2923269A1 — publié le 20090508

Tuyère propulsive de détente d'un jet supersonique de gaz La présente invention concerne une tuyère propulsive de détente d'un jet supersonique de gaz de combustion, comprenant une jupe dans laquelle les gaz de combustion sont détendus avant d'être éjectés vers un milieu ambiant extérieur à la jupe sensiblement suivant l'axe de la tuyère. Une telle tuyère équipe usuellement les moteurs de fusées opérant dans l'atmosphère, ou bien encore les avions, et de manière générale tout engin qui nécessite une poussée ou une force d'avancement, par détente supersonique de gaz de combustion en milieu ambiant fluide. Une telle détente supersonique est notamment obtenue grâce à un profil de jupe, le jet de gaz épousant ce profil lors de sa détente dans la jupe. Le profil de jupe permettant d'obtenir une telle détente est un profil divergent. Usuellement, les jupes sont sensiblement tronconiques, c'est-à-dire qu'elles présentent une forme sensiblement à symétrie de révolution autour d'un axe allant en s'évasant de l'entrée des jupes vers les sorties des jupes. Sous l'action de phénomènes physiques, la jupe peut être endommagée. On a notamment constaté que le phénomène de décollement du jet supersonique à l'intérieur de la jupe de la tuyère peut entraîner la destruc- tion de cette dernière. Un tel phénomène se produit si la pression statique de l'écoulement des gaz, en sortie de tuyère, est inférieure à une valeur critique de l'ordre du tiers de la pression du milieu environnant. Dans un tel cas, le jet supersonique de gaz n'est plus capable de suivre correctement le profil interne de la jupe, et on assiste à un phénomène de décollement de jet au voisinage des parois internes de la jupe, à partir de l'extrémité de la jupe. La figure 1, qui est une vue de coupe partielle d'une tuyère 1 en soi classique, montre un tel phénomène de décollement. La tuyère 1 comporte une jupe 3 de forme sensiblement tronconique. Au voisinage de l'entrée 10 de la tuyère 1, le jet de gaz 9 introduit dans la tuyère suit partiellement le profil interne de la jupe 3 comme l'illustrent en particulier les flèches 11. La pression statique de l'écoulement des gaz 9, en sortie 12 de la tuyère 1, étant inférieure au tiers de la pression du milieu environnant 13, ce dernier tend à rentrer dans la tuyère 1. Ce phénomène est illustré par les flèches 15 sur la figure 1. Sous l'action du milieu ambiant, les couches � frontières � du jet de gaz 9 (c'est-à-dire les couches qui se trouvent à proximité de la paroi interne de la jupe de la tuyère) se décollent de la paroi interne de la jupe 3 et s'orientent, dans un premier temps, vers le centre de la tuyère, comme l'illustrent les flèches 17. il en résulte une déflexion des lignes de courant du jet de gaz super- sonique. Dans un second temps, l'orientation des couches frontières du jet de gaz 9 se stabilise et le jet de gaz 9 s'oriente vers une direction sensiblement parallèle à l'axe X de la tuyère 1, comme indiqué par les flèches 19. Ce décollement du jet de gaz fragilise la partie de la tuyère située entre la zone de la jupe à partir de laquelle le jet de gaz 9 se décolle jusqu'à l'extrémité de la jupe en sortie 12. En effet, le contact entre les couches superficielles du jet de gaz 9 et du milieu ambiant entrant dans la tuyère est à l'origine de charges dynamiques et thermiques suffisamment importantes pour générer une onde de choc, pouvant mener jusqu'à la destruction de la jupe de la tuyère. L'invention permet de pallier cet inconvénient et contribue ainsi à préserver la jupe de la tuyère. Elle concerne à cet effet une tuyère propulsive de détente d'un jet su-personique de gaz, comprenant une jupe divergente dans laquelle les gaz de combustion sont détendus avant d'être éjectés vers un milieu ambiant extérieur à la jupe sensiblement suivant l'axe de la tuyère. La tuyère selon l'invention est remarquable en ce que la jupe comporte : - au moins un canal d'amené d'un fluide au voisinage de son extrémi- té libre, - des moyens de collecte annulaire du fluide autour de la jupe, ledit au moins un canal débouchant dans les moyens de collecte, - et des moyens d'évacuation du fluide collecté sous forme d'un écoulement secondaire accéléré suivant une direction qui suit sensiblement l'axe de la tuyère. Ainsi réalisée, la tuyère permet de créer un écran au voisinage de son extrémité qui empêche le passage de l'air ambiant dans la tuyère, ce passage d'air étant à l'origine du décollement du jet supersonique. En effet, et concrètement, les moyens qui collectent le fluide autour de la jupe suivant un anneau, combinés aux moyens d'évacuation, génèrent un manchon de fluide à forte quantité de mouvements (autrement dit, le fluide est accéléré) venant entourer l'extrémité de la jupe faisant barrière au passage du milieu ambiant dans la tuyère. Avantageusement, on prévoit que les moyens de collecte collectent le fluide suivant un anneau continu autour de la jupe. De cette façon, le manchon généré par la combinaison des moyens de collecte et d'évacuation ne présente aucune ouverture dans laquelle pourrait s'infiltrer le milieu ambiant, ce qui garantit l'efficacité du manchon de fluide à empêcher la pénétration du milieu ambiant dans la jupe de la tuyère. Suivant des modes de réalisation de la tuyère selon l'invention, cette dernière présente les caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison - L'écoulement secondaire est supersonique ; - Les moyens de collecte comportent une goulotte périphérique à la jupe dans laquelle débouche ledit au moins un canal. De cette manière, les moyens de collecte assurent une collecte uniforme et continue tout autour de la jupe, c'est-à-dire sans aucun obstacle ; - La goulotte comporte deux parois latérales en saillie par rapport à la paroi de la jupe, entre lesquelles le fluide est collecté ; - Les deux parois sont venues de matière avec la jupe pour leur conférer une meilleure résistance ; - Ledit au moins un canal est ménagé dans la paroi de la jupe ; - Ledit au moins un canal est relié à la goulotte par au moins un pas-sage ménagé dans la paroi de la jupe ; - Les moyens d'évacuation comprennent des moyens déflecteurs pour diriger le flux collecté dans les moyens de collecte vers l'extrémité de la jupe ; - Les moyens déflecteurs comportent une paroi sensiblement concen- trique par rapport à la paroi de la jupe ; - Les moyens déflecteurs sont solidaires des moyens de collecte ; - Les moyens d'évacuation comportent des moyens de détente du fluide collecté par les moyens de collecte ; - Les moyens de détente comportent une chambre de détente corn- prenant une entrée communiquant avec les moyens de collecte et une sortie au voisinage de l'extrémité de la jupe, la chambre présentant une section dont la largeur est croissante de l'entrée vers la sortie - L'entrée est une ouverture de passage du fluide des moyens de collecte vers la chambre, l'ouverture de passage présentant une section apte à générer un écoulement supersonique du fluide dans la chambre ; - La chambre présente une paroi de détente progressive du fluide ; - La paroi de détente présente un profil en cuvette partielle apte à assurer une détente progressive et continue du flux de fluide ; - Les moyens de détente sont réalisés solidaires des moyens de col- lecte ; - La paroi de la jupe comporte plusieurs canaux longitudinaux uniformément répartis autour de l'axe de la jupe. L'invention sera davantage comprise à la lumière d'un mode de réalisation qui va maintenant être présenté, en faisant référence aux figures an- nexées parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un tuyère selon un état de la technique, - la figure 2 est une vue en coupe partielle d'une tuyère selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un agrandissement d'une zone IV de la tuyère illustrée en figure 3, et la figure 4 est une vue de dessous de la tuyère illustrée en figure 1. La figure 2 montre une tuyère 21 qui présente une entrée 23 dans la-quelle est éjecté un jet de gaz 25. Les gaz contenus dans le jet 25 sont ceux qui sont éjectés après avoir été brûlés dans une chambre à combustion d'un réacteur qui n'a pas été représenté pour simplifier la lecture des figures. Dans le cadre du présent exemple où la tuyère est une tuyère pour fusée opérant dans l'atmosphère, le jet de gaz 25 résulte de la combustion d'hydrogène. La tuyère 21 comporte une jupe 27 dont la forme générale est tronco- nique. La jupe 27 de la tuyère 21 comporte des canaux 29 conçus pour y faire circuler un fluide de refroidissement, et ménagés dans l'épaisseur de la paroi 31 de la jupe 27. Les canaux 29 sont réalisés suivant une direction longitudinale, et sont uniformément répartis autour de l'axe de la tuyère 21. Le fluide de refroidissement est de préférence un gaz. Dans le cadre du présent exemple, ce gaz est l'hydrogène qui sert de carburant pour la fusée. L'hydrogène est ainsi prélevé directement dans les réservoirs. La jupe 27 présente, au voisinage de son extrémité 32, une goulotte 33 sensiblement annulaire et ménagée à l'extérieur de sa paroi 31, qui a pour fonction de collecter le fluide de refroidissement circulant dans les canaux 29 à travers la paroi 31 de la jupe 27 (voir figure 3). Pour ce faire, l'intérieur de la goulotte 33 est relié aux canaux 29 par plusieurs passages 35 ménagés dans l'épaisseur de la paroi 31. Chacun des passages 35 relie un canal 29 à la goulotte 33. Les passages 35 ont pour fonction d'amener le fluide circulant dans les canaux 29 jusque dans la goulotte 33 où il est collecté. Le fluide est injecté dans la goulotte 33 sous une pression au minimum de l'ordre de trois à quatre fois la pression atmosphérique. La goulotte 33 est réalisée par deux parois 37 et 39 faisant saillie par rapport à la surface de la jupe 27 et venues de matière avec la jupe 27, pour assurer une meilleure résistance de la goulotte 33. Les deux parois 37 et 39 ainsi formées délimitent un canal annulaire autour de la jupe, ce canal annulaire étant continu. Le liquide ainsi collecté dans le canal annulaire de la goulotte 33 forme alors un anneau continu autour de la jupe. Il devra être entendu que la section de l'anneau n'est pas forcément circulaire. La paroi 37 de la goulotte 33 est solidaire d'une paroi déflectrice cir- conférentielle 41 adjacente. Comme on peut le voir en particulier sur la figure 3, la paroi déflectrice 41 et la paroi 37 de la goulotte sont solidaires par un côté 43, la paroi déflectrice 41 et la paroi 37 formant sensiblement un angle droit. Plus particulièrement, la paroi déflectrice 41 est réalisée sous la forme d'un élément tubulaire de section circulaire et concentrique par rapport à la jupe 27 extérieurement à celle-ci (voir figure 4). Ainsi, le fluide collecté dans la goulotte 33 est conduit vers l'extérieur de la jupe en étant dirigé suivant une direction qui suit le profil extérieur de la jupe 27. La paroi 39 de la goulotte 33 présente une extrémité arrondie 45 formant également le bord d'une demi-cuvette 47, adjacente à la goulotte 33, et réalisée dans la paroi 31 de la jupe. La demi-cuvette 47 fait face à la paroi déflectrice 41, et présente une forme concave. La demi-cuvette 47 et la paroi déflectrice 41 délimitent ainsi une chambre 49. La chambre 49 présente ainsi, d'une part, une entrée 51 délimitée entre l'extrémité arrondie 45 de la paroi 39 et la paroi déflectrice 41, et d'autre part, une sortie 53 débouchant dans le milieu ambiant, au voisinage de l'extrémité de la jupe. L'entrée 51 présente une section de dimensions telles qu'elle est apte à générer un écoulement supersonique dans la chambre 49, c'est-à- dire un écoulement dont la vitesse est supérieure à la vitesse du son local. Pour générer un tel écoulement, les dimensions de l'entrée 51 doivent être suffisamment petites pour que le flux de fluide collecté, maintenu sous une pression d'au minimum deux fois la pression atmosphérique, atteigne une vitesse au moins égale à MACH 1 en pénétrant dans la chambre. La forme concave de la demi-cuvette 47 assure à la chambre 49 une section dont la largeur est croissante de l'entrée 51 à la sortie 53. La forme de la chambre 49 s'ouvrant ainsi sur le milieu ambiant 55 permet une détente supersonique du flux de fluide de refroidissement. De plus, la forme concave de la demi-cuvette 47 constitue une paroi de détente progressive du flux de fluide de refroidissement, comme le mon- trent les flèches 57 sur la figure 3. La direction du flux de fluide de refroidissement suit ainsi une direction sensiblement parallèle à celle de l'axe de la tuyère. Comme l'illustre la figure 1, la tuyère selon l'invention permet non seulement la détente du jet de gaz 25, mais également la détente du flux de fluide constituant un flux secondaire 59 qui vient entourer la jupe 27 . Le flux secondaire 59 est éjecté dans le milieu ambiant en formant un manchon à forte quantité de mouvement de protection faisant écran entre le milieu ambiant et le jet de gaz 25. Grâce à la collecte et à l'évacuation continues, c'est-à-dire sans obs-tacle d'aucune sorte autour de la jupe, le manchon formant écran ne pré-sente aucune faille ou ouverture à travers laquelle le milieu ambiant peut pénétrer. Le flux de gaz 25 peut ainsi librement suivre le profil de la jupe 27 de la tuyère. En empêchant ainsi le décollement de jet de gaz 25, les performances de la tuyère sont améliorées, d'une part grâce à l'intervention d'un flux secondaire, et d'autre part grâce au fait que le jet suit de façon optimale le profil interne de la jupe 27. On comprend clairement de la description qui précède comment la combinaison des moyens de collecte et des moyens d'évacuation permettent d'empêcher l'infiltration du milieu ambiant dans la tuyère. II devra toutefois être entendu que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui est décrit et représenté. Notamment, le fluide amené dans la goulotte pourrait ne pas être un fluide de refroidissement. Par exemple, il pourrait être un fluide amené par un conduit extérieur à la jupe qui ne contribuerait pas au refroidissement de cette dernière. De plus, le fluide amené dans la goulotte pourrait être un autre fluide que l'hydrogène et pourrait également être différent du fluide servant de carburant à l'engin équipé d'une tuyère selon l'invention. Par ailleurs, la goulotte de collecte réalisée à part de la jupe et pour-5 rait être rapportée sur la jupe. Enfin, la paroi déflectrice 41 pourrait présenter une forme différente. Elle pourrait notamment présenté un galbe, c'est-à-dire une forme sensible-ment concave qui suivrait le profil de la paroi 47 en forme de demi cuvette. REVENDICATIONS 1- Tuyère propulsive (21) de détente d'un jet supersonique de gaz (25), comprenant une jupe (27) divergente dans laquelle les gaz de combustion (25) sont détendus avant d'être éjectés vers un milieu ambiant (55) ex-térieur à ladite jupe (27) sensiblement suivant l'axe (X) de la tuyère (21), caractérisé en ce que la jupe (27) comporte : - au moins un canal (29) d'amené d'un fluide au voisinage de son extrémité libre (32), - des moyens (33, 37, 39) de collecte annulaire dudit fluide autour de ladite jupe (27), ledit au moins un canal (29) débouchant dans lesdits moyens de collecte, - et des moyens (51, 41, 47, 49) d'évacuation dudit fluide collecté sous forme d'un écoulement secondaire accéléré suivant une direction (57) qui suit sensiblement l'axe (X) de la tuyère (21). 2- Tuyère selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit écoulement secondaire est supersonique. 3- Tuyère selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de collecte (33, 37, 39) collectent le fluide suivant un anneau continu autour de la jupe (27). 4- Tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de collecte comportent une goulotte (33) périphérique à la jupe (27) dans laquelle débouche ledit au moins un canal (29). 5- Tuyère selon la revendication 4, caractérisée en ce que la goulotte comporte deux parois latérales (37, 39) en saillie par rapport à la paroi (31) de la jupe (27), entre lesquelles ledit fluide est collecté. 6- Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que les deux dites parois (37, 39) sont venues de matière avec ladite jupe (27). 7- Tuyère selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins un canal est ménagé dans la paroi de la jupe. 8- Tuyère selon la revendication 7 combinée à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ledit au moins un canal (29) estrelié à ladite goulotte par au moins un passage (35) ménagé dans la paroi (31) de ladite jupe (27). 9- Tuyère selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'évacuation comprennent des moyens déflecteurs (41) pour diriger le flux collecté dans lesdits moyens de collecte (33) vers l'extrémité (32) de ladite jupe (27). 10- Tuyère selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens déflecteurs comportent une paroi (41) sensiblement concentrique par rapport à la paroi (31) de la jupe (27). 11- Tuyère selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que les moyens déflecteurs (41) sont solidaires des moyens de collecte (37). 12 û Tuyère selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'évacuation comportent des moyens de détente (47, 49) du fluide collecté par lesdits moyens de collecte (33, 37, 39). 13-Tuyère selon la revendication 12, caractérisée en ce que les moyens de détente comportent une chambre de détente (49) comprenant une entrée (51) communiquant avec les moyens de collecte (33) et une sortie (53) au voisinage de l'extrémité (32) de ladite jupe (27), ladite chambre (49) présentant une section dont la largeur est croissante de l'entrée (51) vers la sortie (53). 14- Tuyère selon la revendication 13, caractérisée en ce que ladite entrée (51) est une ouverture de passage du fluide des moyens de collecte (33) vers ladite chambre (49), ladite ouverture de passage présentant une section apte à générer un écoulement supersonique dudit fluide dans ladite chambre (49). 15- Tuyère selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que la chambre (49) présente une paroi (47) de détente progressive dudit fluide. 16- Tuyère selon la revendication 15, caractérisée en ce que ladite paroi de détente (47) présente un profil en cuvette partielle apte à assurer une détente progressive et continue dudit flux de fluide.17- Tuyère selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisée en ce que les moyens de détente (47) sont réalisés solidaires des moyens de collecte (39). 18- Tuyère selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que la paroi de la jupe comporte plusieurs canaux longitudinaux (29) uniformément répartis autour de l'axe de la jupe.