Brevet FR3002981A1 — publié le 20140912

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des propulseurs destinés à délivrer une poussée pour le pilotage d'engins aérospatiaux tels que des missiles, des lanceurs ou encore des satellites, en utilisant le principe de propulsion par réaction ou par éjection de gaz. Elle vise plus précisément les tuyères à col fixe équipant des propulseurs à propergol solide. Un propulseur à propergol solide est principalement constitué d'une enveloppe renfermant un bloc de poudre (propergol), d'un allumeur et d'une tuyère à divergent fixe. Le bloc de poudre est percé par un canal situé dans l'axe du propulseur qui sert de chambre de combustion. L'allumeur met le feu à la poudre à une extrémité de l'enveloppe et la combustion du propergol se propage de l'avant vers l'arrière du propulseur. La poudre brûle à une vitesse prédéfinie en produisant des gaz de combustion qui sont expulsés par la tuyère. La section de col de la tuyère permet de réguler la combustion du bloc de poudre de manière à maintenir la pression souhaitée dans la chambre de combustion tout en produisant la poussée attendue. Aussi, dans le cas d'un propulseur délivrant une poussée à débit unique, la section de col de la tuyère est unique et prédéterminée en fonction du niveau de poussée souhaité. Cependant, le recours à une section de col unique n'est pas adapté à un propulseur ayant deux régimes de fonctionnement (typiquement un fonctionnement à haut débit et un fonctionnement à bas débit). Pour pallier un tel inconvénient, il est connu de munir la tuyère d'une section de col variable. En pratique, un pointeau mobile en translation est logé à l'intérieur de la tuyère. La position de ce pointeau dans l'écoulement des gaz de combustion permet de déterminer la section de passage des gaz qui sortent de la tuyère et ainsi d'ajuster la section d'éjection des gaz au régime de fonctionnement du propulseur. Cependant, les tuyères à section de col variable connues de l'art antérieur ne permettent pas d'optimiser le coefficient de poussée à la fois lors d'une phase de fonctionnement à un niveau de pression élevé dans le propulseur (correspondant à un régime de fonctionnement à haut débit) et lors d'une phase de fonctionnement à un niveau de pression plus faible dans le propulseur (correspondant à un régime de fonctionnement à bas débit). Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant d'adapter la section de col d'une tuyère de propulseur à un débit pouvant varier d'un haut débit à un bas débit. Ce but est atteint grâce à un pointeau mobile pour tuyère à section de col variable de propulseur d'engin aérospatial, comprenant une tige cylindrique destinée à coulisser à l'intérieur d'un logement cylindrique de la tuyère, la tige se terminant, à une extrémité arrière, par un nez ayant un diamètre décroissant, le nez de la tige étant apte à venir en butée axiale contre un col du logement de la tuyère formant siège, et dans lequel, conformément à l'invention le nez de la tige comprend au moins deux rainures axiales ménagées à sa périphérie externe pour permettre le passage de gaz lorsque le nez est en butée axiale contre le col du logement de la tuyère. Le pointeau selon l'invention permet de définir deux modes de fonctionnement du col de la tuyère, à savoir un premier mode de fonctionnement à haut débit dans lequel le nez du pointeau est en retrait axial par rapport au col et un second mode de fonctionnement à bas débit dans lequel le nez du pointeau est en butée axiale contre le col. Dans le premier mode de fonctionnement, la section de passage des gaz de combustion qui sortent de la tuyère est maximale. Dans le second mode de fonctionnement, la section de passage des gaz de combustion est réduite aux seules rainures ménagées dans le nez du pointeau. Cette section de passage n'est cependant pas nulle et permet d'ajuster la section d'éjection des gaz à un régime de fonctionnement à bas débit du propulseur. De la sorte, un tel pointeau permet d'optimiser le coefficient de poussée à différentes phases de fonctionnement du propulseur correspondant à différents niveaux de pression dans celui-ci. 3002 981 3 De plus, lorsqu'il est dans la position en butée axiale contre le col, un tel pointeau présente une bonne tenue à la chaleur des gaz de combustion. En effet, la surface d'échange thermique avec les gaz est relativement importante, ce qui favorise la dissipation de la chaleur et un 5 échauffement moindre du pointeau conduisant à une très faible érosion. Enfin, le pointeau selon l'invention permet de disposer d'une tuyère relativement insensible à l'échauffement des pièces qui la constitue quel que soit le mode de fonctionnement du propulseur. En effet, pour le mode de fonctionnement à haut débit, le col de la tuyère est classique, 10 tandis que pour le mode de fonctionnement à bas débit, le plaquage du nez du pointeau sur le col conduit à un réglage de la section d'éjection des gaz qui est indépendant de la structure qui maintient le pointeau et le col. Le nez de la tige du pointeau peut présenter une forme de cône. Alternativement, le nez peut se terminer par une partie en forme de 15 cylindre ayant un diamètre inférieur à celui de la tige. De préférence, les rainures du nez de la tige sont régulièrement espacées les unes des autres. De préférence également, le nez de la tige comprend trois rainures espacées de 120° les unes des autres. L'invention a aussi pour objet une tuyère à section de col 20 variable de propulseur d'engin aérospatial, comprenant un logement cylindrique présentant, au niveau d'une extrémité arrière, un col de diamètre d'ouverture inférieur au diamètre du logement, et un pointeau tel que défini précédemment, ledit pointeau étant apte à coulisser à l'intérieur du logement entre une position avant de fonctionnément à haut 25 débit dans laquelle le nez du pointeau est en retrait axial par rapport au col du logement et une position arrière de fonctionnement à bas débit dans laquelle le nez du pointeau est en butée axiale contre le col du logement. L'invention a encore pour objet un propulseur d'engin 30 aérospatial comprenant une tuyère à section de col variable tel que définie ci-dessus. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 35 ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un propulseur équipé d'un pointeau conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective du pointeau de la figure 1; - les figures 3A et 3B sont des vues du pointeau des figures 1 et 2 dans ses deux positions de fonctionnement ; et - les figures 4A et 4B sont des vues d'un pointeau selon une 10 variante de réalisation de l'invention dans ses deux positions de fonctionnement. Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à tout propulseur d'engin aérospatial (tel 15 qu'un missile, un lanceur ou un satellite) fonctionnant sur le principe de propulsion par réaction ou par éjection de gaz. La figure 1 représente de façon très schématique un exemple non limitatif d'application de l'invention à un propulseur 10 à propergol solide. Bien entendu, l'invention s'applique également aux propulseurs 20 utilisant un propergol sous d'autres formes (liquide, solide ou hybride). De façon connue, le propulseur 10 représenté sur la figure 1 comprend principalement une enveloppe externe 12 de forme sensiblement cylindrique à l'intérieur de laquelle est ménagé un logement 14 également de forme cylindrique. 25 Au niveau d'une extrémité avant du propulseur, le logement 14 contient du propergol se présentant par exemple sous la forme d'un bloc de poudre 16 qui s'étend vers l'avant (selon un axe longitudinal X-X du propulseur). Le bloc de poudre 16 est percé par un canal 18 situé dans l'axe 30 longitudinal X-X du propulseur, ce canal servant de chambre de combustion. Un allumeur 20 monté à l'extrémité avant du logement 14 permet, sous commande, de mettre le feu à la poudre. La combustion du propergol se propage de l'avant vers l'arrière dans le logement 14 du propulseur et les gaz de combustion sont évacués 35 par une tuyère 22 à divergent fixe disposée à l'extrémité arrière du propulseur. 3002 981 5 Le propulseur comprend également un pointeau 24 mobile à l'intérieur du logement 14. Ce pointeau comprend une tige cylindrique 26 de diamètre inférieur à celui du logement. Le pointeau est apte à coulisser axialement à l'intérieur du logement, sa position dans l'écoulement des 5 gaz de combustion permettant de déterminer la section de passage des gaz qui sortent de la tuyère 22. La tige 26 du pointeau peut être réalisée dans différents matériaux tels que notamment en matériau composite, et en particulier en matériau composite à matrice céramique ou en matériau composite réfractaire, ou en métal, et en particulier en tungstène. Au niveau de son extrémité arrière, la tige 26 du pointeau se termine par une partie 28 ayant un diamètre décroissant formant un profil concave aérodynamique appelé « nez ». Ce nez est apte à venir en butée axiale contre un col géométrique 30 du logement délimitant l'ouverture de sortie des gaz de combustion. Le col 30, qui présente un diamètre d'ouverture inférieur au diamètre du logement, fait office de siège pour le nez 28 du pointeau. Dans le mode de réalisation des figures 1, 2, 3A et 3B, le nez 28 du pointeau 24 présente une forme de cône. Le déplacement du pointeau 24 à l'intérieur du logement 14 selon une direction parallèle à l'axe longitudinal X-X du propulseur est commandé au moyen d'un actionneur 32, par exemple électromécanique, pyrotechnique, pneumatique, ou encore pyrotechnique/pneumatique. Ce déplacement peut être réversible ou irréversible. Sur commande de cet actionneur 32, le pointeau se déplace dans le logement du propulseur d'une position avant dite de fonctionnement à haut débit dans laquelle le nez 28 est en retrait axial par rapport au col 30 du logement (figures 1, 3A et 4A) à une position arrière dite de fonctionnement à bas débit dans laquelle le nez est en butée axiale contre le col du logement (figures 3B et 4B). Conformément à l'invention, le nez 28 du pointeau comprend au moins deux rainures axiales 34 qui sont ménagées à sa périphérie externe (figure 2) pour permettre le passage de gaz lorsque le nez est en butée axiale contre le col 30 du logement. Dans les exemples de réalisation représentés sur les figures 1, 2, 3A-3B et 4A-4B, les rainures 34 sont plus précisément délimitées 3002 981 6 chacune circonférentiellement entre deux languettes 36 en saillie par rapport à la surface externe du nez. Ainsi, lorsque le pointeau est déplacé dans la position arrière de fonctionnement à bas débit, les languettes 26 en saillie viennent en butée axiale contre le col 30, permettant aux gaz de 5 combustion d'être évacués en empruntant les rainures 34 pratiquées entre ces languettes. De préférence, les rainures 34 du nez du pointeau sont régulièrement espacées les unes des autres (par rapport à l'axe longitudinal X-X du propulseur). Ces rainures sont au moins au nombre 10 de deux et sont de préférence au nombre de trois avec un espacement circonférentiellement entre deux rainures adjacentes de 120°. Par ailleurs, le nombre et la section de passage de chaque rainure sont prédéfinis de sorte à calibrer le débit de gaz évacué par la tuyère lorsque le pointeau est en position arrière de fonctionnement à bas 15 débit. Les figures 4A et 4B illustrent un autre mode de réalisation du pointeau 24' conforme à l'invention dans lequel le nez 28' du pointeau se termine par une partie 38' en forme de cylindre ayant un diamètre inférieur à celui du col 30. Les autres caractéristiques du pointeau restent 20 identiques à celles du mode de réalisation précédemment décrit, et en particulier la présence sur le nez de rainures 34 formées entre des languettes 36 en saillie. REVENDICATIONS1. Pointeau mobile (24; 24') pour tuyère à section de col variable de propulseur d'engin aérospatial, comprenant une tige (26) cylindrique destinée à coulisser à l'intérieur d'un logement cylindrique (14) de la tuyère, la tige se terminant, à une extrémité arrière, par un nez (28; 28') ayant un diamètre décroissant, le nez de la tige étant apte à venir en butée axiale contre un col (30) du logement de la tuyère formant siège, caractérisé en ce que le nez de la tige comprend au moins deux rainures 10 (34) axiales ménagées à sa périphérie externe pour permettre le passage de gaz lorsque le nez est en butée axiale contre le col du logement de la tuyère. 2. Pointeau selon la revendication 1, dans lequel le nez (28) de 15 la tige (26) présente une forme de cône. 3. Pointeau selon la revendication 1, dans lequel le nez (28') de la tige se termine par une partie (38') en forme de cylindre ayant un diamètre inférieur à celui de la tige. 20 4. Pointeau selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les rainures du nez de ta tige sont régulièrement espacées les unes des autres. 25 5. Pointeau selon la revendication 4, dans lequel le nez de la tige comprend trois rainures espacées de 120° les unes des autres. 6. Tuyère à section de col variable (22) de propulseur d'engin aérospatial, comprenant : 30 un logement cylindrique (14) présentant, au niveau d'une extrémité arrière, un col (30) de diamètre d'ouverture inférieur au diamètre du logement, et un pointeau (24; 24') selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ledit pointeau étant apte à coulisser à 'Intérieur du 35 logement entre une position avant de fonctionnement à haut débit dans laquelle le nez du pointeau est en retrait axial par rapport au col dulogement et une position arrière de fonctionnement à bas débit dans laquelle le nez du pointeau est en butée axiale contre le col du logement. 7. Propulseur (10) d'engin aérospatial comprenant une tuyère à section de col variable (22) selon la revendication 6.