Brevet FR3056256A1 — publié le 20180323

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un moteur-fusée. Pour des pièces destinées à être utilisées dans le domaine spatial, il est bien connu d'utiliser des matériaux composites thermostructuraux, c'est-à-dire des matériaux composites ayant des propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure et ayant la capacité de conserver ces propriétés à des températures élevées. De tels matériaux thermostructuraux sont notamment les matériaux composites carbone/carbone ou C/C (renfort en fibres de carbone et matrice en carbone) et les matériaux composites à matrice céramique ou CMC, par exemple C/SiC (renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de silicium), C/C-SiC (renfort en fibres de carbone et matrice mixte carbone- carbure de silicium) ou encore SiC/SiC. Une tuyère de moteur-fusée entièrement réalisée en matériau composite est notamment décrite dans le document US 8 615 877. Dans ce document, la tuyère en matériau composite est réalisée en une seule pièce. Si ce type de tuyère présente l'avantage d'être très légère tout en étant mécaniquement résistante, sa fabrication reste délicate. En outre, en cas d'endommagement d'une partie de la tuyère, celle-ci étant monolithique, il faut la changer entièrement. Or, il existe un besoin pour des moteurs-fusées équipés de tuyère allégées avec des coûts de fabrication réduits. Objet et résumé de l'invention A cet effet, la présente invention propose un moteur-fusée comprenant une tuyère d'échappement des gaz issus d'une chambre de combustion, ladite tuyère présentant un axe longitudinal et comprenant un premier tronçon de divergent fixe en matériau composite comportant une extrémité aval, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième tronçon de divergent fixe en matériau composite de section supérieure à celle du premier tronçon de divergent fixe, le deuxième tronçon de divergent s'étendant entre une extrémité amont et une extrémité aval, l'extrémité amont du deuxième tronçon de divergent étant maintenue contre l'extrémité aval du premier tronçon de divergent, et en ce que 3056256 2 l'extrémité amont du deuxième tronçon de divergent comporte un bord annulaire faisant saillie sur la face interne dudit deuxième tronçon en regard de la face externe du premier tronçon de divergent, l'extrémité aval du premier tronçon de divergent comportant un premier épaulement 5 annulaire présent sur la face externe dudit premier tronçon, le bord annulaire du deuxième tronçon de divergent étant maintenu contre le premier épaulement annulaire du premier tronçon par des éléments de fixation amovibles. La fabrication de tuyères selon l'invention est encore simplifiée 10 et rationalisée en ce que, grâce à leur forme simple en cône, les préformes destinées à former les tronçons de divergent peuvent être facilement empilées dans un même four de densification, ce qui permet de réduire le coût de fabrication unitaire d'une tuyère. Ainsi, le divergent de moteur-fusée de la présente invention 15 comprend des tronçons en matériau composite, ce qui permet d'alléger significativement la masse globale de la tuyère. Le tronçon aval de divergent en matériau composite est en outre fixé sur le tronçon amont du divergent par des éléments de fixation amovibles. En cas d'endommagement du tronçon aval de divergent en matériau composite, 20 celui-ci peut être démonté pour être réparé ou remplacé tout en conservant le reste de la tuyère. Selon une caractéristique particulière du moteur-fusée de l'invention, le bord annulaire du deuxième tronçon de divergent est maintenu contre le premier épaulement annulaire du premier tronçon par 25 une pluralité de cales interposées entre l'extrémité libre du bord annulaire présent sur l'extrémité amont du deuxième tronçon de divergent et un deuxième épaulement annulaire présent sur la face externe dudit premier 3 tronçon en amont du premier épaulement annulaire, chaque cale étant fixée sur le premier tronçon de divergent par un organe de serrage de 30 type vis-écrou. On réalise ainsi un appui axial du deuxième tronçon de divergent sur le premier tronçon de divergent qui permet d'assurer une liaison fiable entre les deux tronçons et une transmission de la poussée quelles que soient les charges mécaniques et thermomécaniques 35 auxquelles peut être soumise la tuyère. 3056256 3 Selon un aspect particulier du moteur-fusée de l'invention, chaque cale est en un matériau composite similaire au matériau composite du deuxième tronçon de divergent. Cela permet d'assurer le maintien de l'appui axial entre les deux tronçons à toutes les températures de 5 fonctionnement du moteur-fusée. Le deuxième tronçon de divergent et les cales peuvent être réalisés notamment en matériau composite carbone/carbone. Selon un autre aspect particulier de l'invention, un joint annulaire élastique est interposé entre le bord annulaire présent sur 10 l'extrémité amont du deuxième tronçon de divergent et le premier épaulement annulaire présent sur la face externe du premier tronçon de divergent. Cela permet de rattraper les jeux entre les premier et deuxième tronçons de divergent et d'amortir les charges aérodynamiques. 15 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 20 - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur-fusée selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe montrant la liaison entre les deux tronçons de divergent du moteur-fusée de la figure 1; 25 - la figure 3 est une vue schématique en perspective montrant la liaison entre les deux tronçons de divergent du moteur-fusée de la figure 1. Description détaillée d'un mode de réalisation 30 La figure 1 illustre un exemple de moteur-fusée comprenant une chambre de combustion 14 en matériau métallique constituée d'un col 15 et d'une amorce de divergent 17 à laquelle est rattachée une tuyère 10 d'axe longitudinal ZZ'. La tuyère 10 comprend un premier tronçon 12 de divergent fixe 35 rattaché à l'amorce de divergent 17 de la chambre de combustion 14, le premier tronçon 12 ayant une forme sensiblement tronconique, et un 3056256 4 deuxième tronçon 16 de divergent fixe avec une section supérieure à celle du premier tronçon 12 de divergent fixe, le deuxième tronçon 16 s'étendant suivant l'axe longitudinal ZZ' entre une extrémité amont 161 et une extrémité aval 162. L'extrémité amont 161 du deuxième tronçon de 5 divergent étant maintenue contre l'extrémité aval 121 du premier tronçon 12 de divergent fixe. Les premier et deuxième tronçons 12 et 16 de divergent fixe sont réalisés en matériau composite, ici un matériau céramique carbone/carbone (C/C) qui, de façon connue, est un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en 10 carbone et qui peut éventuellement être muni d'un revêtement comme par exemple un dépôt céramique (exemple SiC). Les figures 2 et 3 montrent la liaison entre l'extrémité aval 121 du premier tronçon 12 de divergent fixe et l'extrémité amont 161 du deuxième tronçon 16 de divergent fixe. L'extrémité amont 161 du 15 deuxième tronçon 16 de divergent comporte un bord annulaire 1610 faisant saillie sur la face interne 16a du deuxième tronçon 16 en regard de la face externe 12b du premier tronçon 12 de divergent. L'extrémité aval 121 du premier tronçon 12 de divergent comporte un premier épaulement annulaire 1210 présent sur la face externe 12b du premier tronçon 12. Le 20 bord annulaire 1610 du premier tronçon 16 de divergent est maintenu contre le premier épaulement annulaire 1210 du premier tronçon 12 par des éléments de maintien amovibles, ici constitués par des cales 18 fixées sur l'extrémité aval 121 du premier tronçon 12. Les cales 18 sont interposées entre l'extrémité axiale 1611 du bord annulaire 1610 présent 25 sur l'extrémité amont 161 du deuxième tronçon 16 de divergent et un deuxième épaulement annulaire 1211 présent sur la face externe 12b du premier tronçon 12 en amont du premier épaulement annulaire 1210. Chaque cale 18 est fixée de manière amovible sur l'extrémité aval 121 du premier tronçon 12 par un organe de serrage 20 constitué ici 30 d'une vis 21 et d'un écrou 22. Chaque vis 21 comporte une tête conique 210 qui est logée dans une fraisure 1212 présente sur la face interne 12a du premier tronçon 12. Les cales 18 réalisent un contact axial entre le deuxième épaulement annulaire 1211 présent sur la face externe 12b du premier 35 tronçon 12 et l'extrémité axiale 1611 du bord annulaire 1610 présent sur l'extrémité amont 161 du deuxième tronçon 16 de divergent. Les cales 18 3056256 5 assurent ainsi le maintien en position axiale du deuxième tronçon 16 de divergent sur l'extrémité aval 121 du premier tronçon 12 de divergent. Les cales 18 sont de préférence réalisées avec le même matériau composite que celui du deuxième tronçon 16 de divergent, ici un 5 matériau composite C/C qui, de façon connue, est un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbone et qui peut éventuellement être muni d'un revêtement comme par exemple un dépôt céramique (exemple SiC). Les premier et deuxième tronçons de divergent et/ou les cales peuvent être également réalisés en matériau 10 composite à matrice céramique (CMC) qui est un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone ou céramique densifié par une matrice au moins partiellement céramique, comme l'un des matériaux composite CMC suivants : - carbone-carbone/carbure de silicium (C/C-SiC) correspondant à 15 un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone et densifié par une matrice comprenant une phase carbone et une phase carbure de silicium, - carbone-carbure de silicium (C/SiC) qui est un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbure de silicium, 20 - carbure de silicium-carbure de silicium (SiC/SiC) correspondant à un matériau formé d'un renfort en fibres de carbure de silicium densifié par une matrice en carbure de silicium - matériau CMC de type oxyde/oxyde correspondant à un matériau formé d'un renfort en fibres d'oxyde réfractaire, par exemple des 25 fibres à base d'alumine A1203, densifié par une matrice en oxyde réfractaire. REVENDICATIONS1. Moteur-fusée comprenant une tuyère (10) d'échappement des gaz issus d'une chambre de combustion (14), ladite tuyère (10) présentant un axe longitudinal (ZZ') et comprenant un premier tronçon (12) de divergent fixe comportant une extrémité aval, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième tronçon (16) de divergent fixe en matériau composite de section supérieure à celle du premier tronçon (12) de divergent fixe, le deuxième tronçon (16) de divergent s'étendant entre une extrémité amont (161) et une extrémité aval (162), l'extrémité amont (161) du deuxième tronçon (16) de divergent étant maintenue contre l'extrémité aval (121) du premier tronçon (12) de divergent, et en ce que l'extrémité amont du deuxième tronçon de divergent comporte un bord annulaire (1610) faisant saillie sur la face interne (16a) dudit deuxième tronçon en regard de la face externe (12b) du premier tronçon (12) de divergent, l'extrémité aval (121) du premier tronçon de divergent comportant un premier épaulement annulaire (1210) présent sur la face externe (12b) dudit premier tronçon, le bord annulaire (1610) du deuxième tronçon (16) de divergent étant maintenu contre le premier épaulement annulaire (1210) du premier tronçon (12) par des éléments de fixation amovibles. 2. Moteur-fusée selon la revendication 1, dans lequel le bord annulaire (1610) du deuxième tronçon (16) de divergent est maintenu contre le premier épaulement annulaire (1210) du premier tronçon (12) par une pluralité de cales (18) interposées entre l'extrémité libre (1611) du bord annulaire (1610) présent sur l'extrémité amont (161) du deuxième tronçon (16) de divergent et un deuxième épaulement annulaire (1211) présent sur la face externe (12b) dudit premier tronçon en amont du premier épaulement annulaire (1210), chaque cale (18) étant fixée sur le premier tronçon de divergent par un organe de serrage (20) de type vis-écrou. 3. Moteur-fusée selon la revendication 2, dans lequel chaque cale (18) est en un matériau composite similaire au matériau composite du deuxième tronçon (16) de divergent. 3056256 7 4. Moteur-fusée selon la revendication 3, dans lequel le deuxième tronçon (16) de divergent et les cales (18) sont en matériau composite carbone/carbone. 5 5. Moteur-fusée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel un joint annulaire élastique (22) est interposé entre le bord annulaire (1610) présent sur l'extrémité amont (161) du deuxième tronçon (16) de divergent et le premier épaulement annulaire (1210) présent sur 10 la face externe (12b) du premier tronçon (12) de divergent.