Brevet FR2974151A1 — publié le 20121019

La présente invention concerne un élément d'injection d'un mélange de deux ergols dans une chambre de combustion, plus particulièrement conçu pour un moteur fusée avec au moins une chambre de combustion du type comprenant un injecteur regroupant un ou une pluralité de tels éléments d'injection. L'invention concerne plus particulièrement un perfectionnement apporté à un tel élément d'injection, dans sa partie aval où s'effectue le mélange des deux ergols, afin de faciliter l'allumage de ce mélange. Le document de brevet FR 2 712 030 Al décrit un injecteur de deux ergols dans une chambre de combustion de moteur fusée comprenant une structure d'alimentation où les deux ergols alimentent une pluralité d'éléments d'injection agencés parallèlement les uns aux autres, dans une configuration axisymétrique sur la surface d'une structure dite « plaque d'injection », circulaire, faisant partie de l'injecteur. Une telle plaque d'injection peut ainsi être associée à un assez grand nombre d'éléments d'injection, par exemple jusqu'à une centaine ou plus, conjuguant leur débit unitaire pour fournir le débit global du moteur. Dans cet injecteur de l'état de la technique, chaque élément d'injection comprend un premier conduit pour l'injection du premier ergol, et un deuxième conduit pour l'injection du deuxième ergol, le deuxième conduit étant annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit. Dans le présent contexte on entend par « conduit annulaire » un conduit dont une coupe radiale fait apparaître une section débitante annulaire, tandis que par « conduit tubulaire » on entend un conduit à la section pleine. En outre, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens d'écoulement des ergols. Ainsi, les ergols étant injectés dans la chambre de combustion à travers des conduits coaxiaux des éléments d'injection de l'injecteur de FR 2 712 030 Al, les turbulences provoquées dans les couches limites entre les débits concentriques et adjacents peuvent assurer un mélange homogène des deux ergols par cisaillement dans leur écoulement. Toutefois, à partir de ce concept de base, dans lequel le premier conduit est tubulaire, on rencontre des difficultés à faire évoluer les paramètres géométriques pour augmenter la puissance individuelle dudit élément d'injection sans dégrader la qualité de l'injection et de la combustion. En outre, pour initier la réaction entre les deux ergols, il est normalement nécessaire d'intégrer un dispositif d'allumage dans la chambre de combustion. Pour cela, il a été proposé d'intégrer le dispositif d'allumage dans la plaque d'injection, par exemple centralement ou en remplacement d'un des éléments d'injection, ou latéralement dans la chambre de combustion. Dans les deux cas, l'encombrement du dispositif d'allumage représente un inconvénient pour le dimensionnement de la chambre de combustion. La présente invention vise à remédier à ces deux inconvénients. En outre, la présente invention vise aussi à réduire la distance entre, d'une part la zone de mélange des ergols et d'autre part zone de dépôt d'énergie permettant l'allumage, afin d'assurer un allumage régulier, reproductible et fiable. Ces buts sont atteints grâce au fait que, dans un élément d'injection suivant au moins un mode de réalisation, le premier conduit est aussi annulaire, entourant un corps central de l'élément d'injection, ledit corps central comprenant un dispositif d'allumage du mélange. Grâce à ces dispositions, on peut réduire la section de passage du premier ergol circulant dans le premier conduit en jouant sur le diamètre du corps central. Par conséquent, même si on augmente les sections de passage de tous les conduits pour augmenter la puissance d'un tel élément d'injection, il est possible de faire en sorte que la vitesse de l'ergol circulant dans le premier conduit, annulaire, ne diminue pas, toutes choses égales par ailleurs. La qualité de l'injection et de la combustion peut ainsi être maintenue de manière indépendante au dimensionnement de l'élément d'injection. En outre, l'intégration du dispositif d'allumage dans le corps central facilite son intégration dans l'injecteur, sans encombrement supplémentaire, et avec une flexibilité dans son positionnement liée à la distribution des éléments d'injection sur la surface de la plaque d'injection. En particulier, ledit dispositif d'allumage peut comprendre une cavité dans le corps central, apte à être mise en communication avec une source de fluide chaud, et débouchant sur un orifice sur une surface externe du corps central pour injecter le fluide chaud dans la chambre de combustion. Ainsi, l'apport énergétique nécessaire pour déclencher l'ignition du mélange d'ergols peut être apporté au mélange par ce jet de fluide chaud. La source de fluide chaud peut être, par exemple, un dispositif pyrotechnique, c'est-à-dire, comportant une charge d'ergol solide, ou une torche. On entend par torche, dans ce contexte, un dispositif configuré pour chauffer un fluide à très haute température. En particulier, le fluide peut être chauffé dans la torche par réaction chimique, en particulier par décomposition catalytique, par résonance acoustique, ou par des moyens électromagnétiques. Le fluide chaud ainsi généré par la torche peut prendre la forme d'un gaz chaud ou d'un plasma. Alternativement, toutefois, le dispositif d'allumage peut être configuré pour apporter directement une énergie d'allumage au mélange d'ergols, par exemple par une décharge électrique et/ou un laser focalisé. Afin d'encore améliorer le mélange des deux ergols en aval, un élément d'injection suivant au moins un mode de réalisation comporte en outre un troisième conduit, configuré pour injecter aussi le premier ergol, ledit troisième conduit étant annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits et extérieurement adjacent au deuxième conduit. Ainsi, un double cisaillement de l'écoulement du deuxième ergol entre un débit intérieur et un débit extérieur du premier ergol peut résulter en une encore meilleure homogénéisation du mélange. L'invention concerne également un injecteur comportant un ou plusieurs éléments d'injection tels que décrits ci-dessus, une chambre de combustion comportant un tel injecteur, ainsi qu'un moteur fusée comportant une telle chambre de combustion. Par « chambre de combustion » on entend, dans le présent contexte, non seulement une chambre de combustion principale mono-élément d'un moteur fusée, mais aussi, entre autres, un ou plusieurs éléments d'une chambre de combustion multiéléments, une préchambre de moteur à combustion étagée, ou un générateur de gaz pour, par exemple, l'actionnement d'une turbopompe d'alimentation en ergols. L'invention concerne égarement un procédé d'allumage d'un mélange d'au moins un premier ergol et un deuxième ergol dans une chambre de combustion, dans lequel lesdits premier et deuxième ergols sont injectés séparément dans la chambre de combustion par un élément d'injection comprenant au moins un premier et un deuxième conduits annulaires coaxiaux, le premier ergol étant injecté à travers du premier conduit, et le deuxième ergol étant injecté à travers le deuxième conduit, extérieurement adjacent au premier conduit, lesdits premier et deuxième ergol se mélangeant par des turbulences entre les deux ergols en aval desdits premier et deuxième conduits ; et dans lequel le mélange est allumé par un dispositif d'allumage incorporé dans un corps central de l'élément d'injection, ledit corps central étant entouré par le premier conduit. En particulier, dans au moins un mode de réalisation d'un tel procédé, le dispositif d'allumage allume le mélange par injection, dans la chambre de combustion, d'un fluide chaud provenant d'une source de fluide chaud, à travers une cavite dans le corps central qui débouche sur un orifice sur une surface externe du corps central. Alternativement, toutefois, le dispositif d'allumage peut allumer le mélange par apport directe d'énergie, par exemple sous forme de décharge électrique ou laser. Dans au moins un mode de réalisation, le premier ergol est aussi injecté par un troisième conduit annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits et extérieurement adjacent au deuxième conduit. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de deux modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un moteur fusée à ergols 25 liquides la figure 2 est une coupe longitudinale d'un élément d'injection suivant un premier mode de réalisation ; la figure 3 est une coupe longitudinale d'un élément d'injection suivant un deuxième mode de réalisation ; 30 la figure 4 est une coupe longitudinale d'un élément d'injection suivant un troisième mode de réalisation ; et la figure 5 est une coupe longitudinale d'un élément d'injection suivant un quatrième mode de réalisation. Un moteur fusée 1 à ergols liquides, en particulier à ergols liquides 35 cryogéniques, est illustré schématiquement sur la figure 1. Ce moteur fusée 1 comporte un réservoir 2 pour le premier ergol, un réservoir 3 pour le deuxième ergol, un générateur de gaz 4 alimenté par les premier et deuxième ergols, une turbopompe 5 actionné par les gaz de combustion provenant du générateur de gaz 4, une chambre de combustion principale 6 alimentée en ergols par la turbopompe 5, et une tuyère convergente-divergente 7 pour l'éjection propulsive des gaz de combustion générés dans la chambre de combustion principale 6. Afin d'obtenir une combustion efficace tant dans le générateur de gaz 4 que dans la chambre de combustion principale 6, ces composants comportent des organes d'injection des ergols permettant d'obtenir un 10 mélange et une distribution homogènes des ergols. Typiquement, ces organes d'injection prennent la forme d'injecteurs comprenant une plaque d'injection dans laquelle sont distribués plusieurs éléments d'injection des deux ergols selon une configuration axi-symétrique. Sur la figure 2, on a représenté la partie terminale d'un élément 15 d'injection 201 à structure tri-coaxiale pour l'injection et le mélange de deux ergols El, E2. L'élément d'injection 201 présente un axe de symétrie X, lequel est aussi l'axe principal d'écoulement des ergols El, E2. La façon dont les différentes parties constitutives de cet élément d'injection sont agencées les unes par rapport aux autres et maintenues dans leurs 20 positions respectives tout en étant connectées aux deux circuits d'alimentation des ergols El, E2, n'est pas représentée. L'élément d'injection 201 comprend, dans sa partie terminale, trois parois tubulaires 202,203,204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier, un deuxième et un troisième conduits 25 206,207,208 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire plus externe 204 et les parois intermédiaires 202,203. La paroi externe 204 peut être part de la plaque d'injection elle-même, et les parois intermédiaires 202,203 pourraient être intégrées dans un seul corps uni en 30 amont. Le premier et le troisième conduits 206, 208 sont configurés pour l'injection du premier ergol El, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206 et à l'intérieur du troisième conduit 208, est configuré pour l'injection du deuxième ergol 35 E2. Le premier et le deuxième ergols El, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, les cisaillements à l'intérieur et à l'extérieur du flux annulaire du deuxième ergol E2 dans le retrait RE, produisent des turbulences dans les flux des deux ergols E1,E2 assurant un mélange homogène des deux ergols E1, E2. En outre, comme les trois conduits 206, 207 et 208 sont annulaires, le dimensionnement de l'élément d'injection 201 peut facilement être adapté au débit total d'ergols requis. Le corps central 205 comporte un dispositif d'allumage comprenant une cavité interne 209 en communication avec la surface externe 210 du corps central 205 à travers un orifice 211 oblique. La cavité interne 209 est aussi connectée à une source de fluide chaud (non illustrée). Cette source de fluide chaud peut être un dispositif pyrotechnique avec une charge d'ergol solide, ou bien une torche alimenté en fluide. Le fluide d'alimentation de la torche peut être au moins un ergol, et en particulier au moins un des ergols El et E2, le chauffage s'effectuant ainsi par une réaction chimique, comme, par exemple une décomposition catalytique d'un ergol dans la torche. Le fluide d'alimentation peut toutefois être aussi un fluide inerte, tel que par exemple l'hélium, et être chauffé dans la torche par des moyens acoustiques ou électromagnétiques. En particulier dans ce deuxième cas, ce fluide pourrait même être chauffé jusqu'à l'état de plasma. Ainsi, pour déclencher le fonctionnement d'une chambre de combustion comportant un injecteur avec une pluralité d'éléments d'injection dont au moins un élément d'injection 201 tel que celui illustré sur la figure 2, d'abord on commence à injecter lesdits premier et deuxième ergols El, E2 dans la chambre de combustion, le premier ergol El étant injecté à travers des premier et troisième conduits 206, 208, et le deuxième ergol E2 étant injecté à travers le deuxième conduit 207. Dans le retrait RE, en aval des conduits 206,207 et 208, lesdits premier et deuxième ergol se mélangent par des turbulences entre les deux ergols El, E2. Pour allumer ce mélange, la source de fluide chaud connectée au dispositif d'allumage dans le corps central 205 est activée, et ainsi le fluide chaud, en particulier gaz chaud ou plasma, circulant à travers la cavité interne 209 et l'orifice 211 est injecté dans la chambre de combustion obliquement au mélange des ergols E1,E2, énergisant ce mélange et provoquant son ignition. Bien que le premier mode de réalisation concerne un élément d'injection avec un dispositif d'allumage par injection de fluide chaud, le même concept peut aussi être appliqué avec des dispositifs d'allumage par apport direct d'énergie au mélange d'ergols. Ainsi, dans un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 3, le corps central 205 comprend un dispositif d'allumage direct du mélange, sous forme d'une électrode 212 connectée à une source électrique B. Un pôle opposé de la source électrique B est connecté à la paroi externe 204 de manière à générer une décharge électrique S traversant le mélange des ergols E1,E2 afin d'apporter directement une énergie d'allumage à ce mélange et provoquer son ignition. Les éléments restants de l'élément d'injection 201 illustré ont sensiblement les mêmes caractéristiques et fonctions que ceux du premier mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence sur le dessin. Dans un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 4, le corps central 205 comprend aussi un dispositif d'allumage direct du mélange, sous forme, dans ce cas, d'une fenêtre transparente 213 entre la surface externe 210 et une cavité interne 209 du corps central, et une source laser (non illustrée), située dans ce corps central et arrangé pour émettre, à travers cette fenêtre 213, un rayon laser focalisé L afin d'apporter directement l'énergie d'allumage au mélange des ergols El, E2 et provoquer son ignition. Les éléments restants de l'élément d'injection 201 illustré ont aussi sensiblement les mêmes caractéristiques et fonctions que ceux du premier mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence sur le dessin. Bien que les modes de réalisation précédents concernent des éléments d'injection tri-coaxiaux, le même concept peut aussi être appliqué à des éléments d'injection coaxiaux simples. Ainsi, dans un quatrième mode de réalisation illustré sur la figure 5, l'élément d'injection 201 comprend, dans sa partie terminale, deux parois tubulaires 202, 204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier et un deuxième conduits 206,207 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire externe 204 et la paroi intermédiaire 202. La paroi 204 peut être intégrée dans la plaque d'injection elle-même. Le premier conduit 206 est configuré pour l'injection du premier ergol El, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Le premier et le deuxième ergols El, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, le cisaillements entre les flux annulaires des deux ergols El, E2 dans le retrait RE produisent des turbulences assurant un mélange homogène des deux ergols El, E2. En outre, comme les deux conduits 206, 207 sont annulaires, le dimensionnement de l'élément d'injection 201 peut facilement être adapté au débit total d'ergols requis. Comme dans le premier mode de réalisation, le corps central 205 comporte un dispositif d'allumage comprenant une cavité interne 209 en communication avec la surface externe 210 du corps central 205 à travers un orifice 211 oblique. La cavité interne 209 est aussi connectée à une source de fluide chaud (non illustrée). Ainsi, pour déclencher le fonctionnement d'une chambre de combustion comportant un injecteur avec une pluralité d'éléments d'injection dont au moins un élément d'injection 201 suivant ce deuxième mode de réalisation, d'abord on commence à injecter lesdits premier et deuxième ergols El, E2 dans la chambre de combustion, le premier ergol El étant injecté à travers des premier et troisième conduits 206, 208, et le deuxième ergol E2 étant injecté à travers le deuxième conduit 207. Dans le retrait RE, en aval des conduits 206,207 et 208, lesdits premier et deuxième ergol se mélangent par des turbulences entre les deux ergols El, E2. Pour allumer ce mélange, la source de fluide chaud connectée au dispositif d'allumage dans le corps central 205 est activée, et ainsi le fluide chaud circulant à travers la cavité interne 209 et l'orifice 211 est injecté dans la chambre de combustion obliquement au mélange des ergols E1,E2, énergisant ce mélange et provoquant son ignition. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant â des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par exemple, des dispositif d'allumage par apport direct d'énergie, tels que ceux des deuxième et troisième modes de réalisation, peuvent aussi être utilisés dans des éléments d'injection coaxiaux simples comme celui illustré par le quatrième mode de réalisation. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.