Brevet FR3072732A1 — publié le 20190426

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine de la propulsion et plus particulièrement celui de la propulsion spatiale. L'invention concerne particulièrement une tuyère rotative d'un système de propulsion, typiquement d'un lanceur spatial. ETAT DE LA TECHNIQUE Comme le montre la figure 1, on connaît, notamment, des lanceurs 2 spatiaux pour envoyer et mettre sur orbite un étage supérieur 23 transportant, en son sein, une plusieurs charge(s) utile(s) 6. Pour l'envoi du système 6 dans l'espace et sa mise sur orbite, le lanceur 2 comporte classiquement plusieurs étages, à savoir : - un étage 21 de décollage, comportant des propulseurs 210 d'appoint, à propulsion solide connue ; - un étage 22 inférieur cryogénique comportant un moteur 220, à propulsion liquide connue ; - un étage 23 supérieur cryogénique comportant un moteur 230, à propulsion liquide connue ; et - un composite supérieur composé ici d'une structure de lancement multiple 24 et de un ou plusieurs satellites 6 protégé(s) par une coiffe 13. Comme cela est illustré sur la figure 2, les étages 21 et 22 sont d'abord mis à feu (El) pour le décollage du lanceur 2, et ensuite seul l'étage 22 est conservé (E2) pour la sortie de l'atmosphère terrestre (l'étage 21 se sépare alors de l'étage 22). La coiffe 13 est ensuite séparée (E3) du lanceur 2 étant désormais inutile afin d'alléger le lanceur, puis les étages 22 et 23 sont séparés (E4) avant que l'étage 23 prenne (E5) le relai de la propulsion. Lorsque le moteur 230 de l'étage 23 est coupé et que l'ensemble supérieur formé par l'étage 23 supérieur et le composite supérieur, est orbité, on est dans une phase dite balistique. La ou les charges utiles 6 sont ensuite séparées du lanceur. Durant la phase 30 balistique où se produit ces séparations, l'étage 23 supérieur et le composite supérieur sont orientés dans des directions différentes afin d'assurer la non collision des corps séparés entre eux et avec l'étage supérieur 23. Classiquement, l'étage 23 supérieur utilise, en plus de son système propulsif principal 230, un système de propulsion dit « gaz froid » en ce qu'il utilise la détente 2 de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux pour générer la poussée. Plusieurs tuyères permettent d'évacuer ces gaz détendus afin de guider l'ensemble supérieur (éléments 6, 24, 23, 230 de la figure 2). Cette propulsion gaz froid permet d'exercer des poussées faibles et de courte 5 durée notamment pour effectuer des corrections d'attitude ou d'orbite. Dans certains cas des poussées d'intensité peuvent être requises pour certaines manoeuvres pour lesquelles la poussée avec les gaz froids n'est pas suffisante. L'étage supérieur est alors équipé d'un système propulsif supplémentaire dit « gaz chauds » permettant de réaliser des poussées d'intensités plus importantes. 10 Ces systèmes « gaz chauds » disposent classiquement de tuyères fixes ne permettant de délivrer que des impulsions parallèles à l'axe principal de symétrie de l'étage supérieur 23. PRESENTATION DE L'INVENTION 15 L'invention propose de répondre au besoin ci-dessus mentionné. A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, une tuyère rotative d'un système de propulsion, ledit système de propulsion comprenant une chambre de combustion dans laquelle est réalisée une combustion et d'une ou plusieurs ligne(s) d'échappement conduisant les gaz chauds depuis la chambre de combustion 20 jusqu'à ladite tuyère, les flux de gaz chauds s'écoulant dans la ligne d'échappement selon un axe longitudinal de ladite ligne, la tuyère comprenant : - un dôme configuré pour être disposé en face de la ligne d'échappement des gaz chauds ; - un divergent s'étendant depuis le dôme, le divergent étant configuré pour 25 être disposé tel qu'un axe longitudinal dudit divergent forme un angle non nul avec l'axe longitudinal de la ligne d'échappement ; - un système de liaison configuré pour connecter la tuyère autour de la ligne d'échappement des flux de gaz chauds de manière à permettre la rotation de la tuyère atour de ladite ligne d'échappement. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. Le dôme comporte une partie supérieure destinée à être disposée en face de la ligne d'échappement des gaz chauds et un anneau de liaison du dôme à la ligne 3 d'échappement des gaz chauds, ledit anneau étant configuré pour être disposé autour de la ligne d'échappement des gaz chauds. Le système de liaison comprend un premier roulement à bille configuré pour être disposé autour de la ligne d'échappement de manière à permettre la rotation de 5 la tuyère autour de la ligne d'échappement de gaz chauds. Le système de liaison comprend un second roulement à billes disposé autour du premier roulement à billes de manière à permettre la rotation de la tuyère par rapport au support de ladite tuyère, ledit support étant, de préférence, un étage de lanceur supportant ladite tuyère. 10 L'anneau de liaison du dôme est disposé autour du premier roulement à billes ou entre les premier et deuxième roulements à billes. La tuyère comprend un joint en forme d'anneau disposé entre le dôme et l'anneau de liaison, le joint étant configuré pour assurer l'étanchéité à la pression et à la température de la tuyère au niveau du système de liaison en rotation entre le 15 dôme et la ligne d'échappement. Le joint est en matériau configuré pour résister à des températures jusqu'à 1000°C et à des pressions jusqu'à 10 bars, le joint étant de préférence en Carbone. L'anneau de liaison comprend des dents, la tuyère comprenant un système d'entrainement de ladite tuyère en rotation autour de la ligne d'échappement, ledit 20 système comprenant un moteur et un pignon formant un engrenage avec les dents de l'anneau de liaison. Le divergent forme un angle compris entre 45° et 90° avec l'axe longitudinal de la ligne d'échappement. L'invention concerne également, selon un deuxième aspect, un système de 25 propulsion destiné à être embarqué sur un étage supérieur d'un lanceur, ledit système de propulsion comprenant : une chambre de combustion dans laquelle est réalisée une combustion et dans laquelle s'écoulent des flux de gaz chauds ; une ou plusieurs tuyères rotatives selon l'invention ; - une ou plusieurs ligne(s) d'échappement des gaz chauds disposée(s) entre 30 la chambre de combustion et la ou les tuyère(s), la ligne d'échappement étant configurée pour amener les gaz chauds depuis la chambre de combustion vers la tuyère, les flux de gaz chauds s'écoulant dans la ligne d'échappement selon un axe longitudinal de ladite ligne, la tuyère étant montée à rotation autour la ligne d'échappement des gaz chauds. 4 Et l'invention concerne, selon un troisième aspect, un lanceur spatial comprenant un système de propulsion selon le deuxième aspect de l'invention, le système de propulsion étant monté sur le lanceur spatial. 5 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre les figures 1 et 2 déjà discutées : - la figure 3 illustre un système de propulsion « gaz chauds » selon l'invention ; 10 - les figures 4a à 4d illustrent différentes vues d'une tuyère selon l'invention. Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 La figure 3 illustre l'implantation sur l'étage supérieur 23 d'un système propulsif « gaz chauds ». Celui-ci est composé d'une chambre de combustion 231 dans laquelle est réalisée une combustion, de deux lignes d'échappements 232 terminées par deux tuyères 233 diamétralement opposées permettant d'évacuer les gaz chauds (sur la figure 3 une seule ligne d'échappement et une seule tuyère sont visibles). Comme 20 mentionné en introduction, l'étage 23 supérieur embarque le satellite 6 et comprend un moteur 230, à propulsion liquide connue qui permet d'assurer la poussée principale lors de la phase propulsive (étape E5). Les lignes d'échappement permettent d'amener les gaz chauds depuis la chambre de combustion vers les tuyères 233 rotatives. 25 Les figures 4a, 4b, 4c et 4d illustrent des vues d'une tuyère 233 rotative d'un système de propulsion conforme à celui de la figure 3. La tuyère est fixée à la structure 3 de l'étage 23 doté d'un système propulsif principal 230, d'un système propulsif « gaz froids » et d'un système propulsif « gaz chauds » (constitué par les éléments 231, 232, 233 de la figure 3). 30 A titre d'exemple, les éléments constituant la tuyère peuvent être réalisés dans différents matériaux (Inox, Aluminium, Acier, Titane, autres alliages légers, etc) et selon différents procédés (fonderie, usinage, fabrication additive, etc.). 5 Comme cela est visible sur ces figures, les flux de gaz chauds s'écoulent dans la ligne d'échappement selon un axe A2 longitudinal de cette ligne d'échappement 2. La tuyère comprend un dôme 1 disposé en face de la ligne d'échappement 2 5 des gaz chauds. Le dôme 1 comporte une partie 11 supérieure disposée en face de la ligne d'échappement 2 des gaz chauds et un anneau 12 de liaison du dôme à la ligne d'échappement 2 des gaz chauds. L'anneau 12 de liaison est disposé autour de la ligne d'échappement 2 des gaz chauds. Afin de permettre l'évacuation des gaz chauds, la tuyère comprend un 10 divergent 6 qui s'étend depuis le dôme 1. De manière préférée, mais non limitative, le divergent est disposé de manière telle qu'un axe A6 longitudinal dudit divergent forme un angle compris entre 45° et 90° avec l'axe longitudinal de la ligne d'échappement 2. En d'autres termes, l'axe de circulation des gaz chauds dans la ligne d'échappement 2 en liaison avec la chambre 15 de combustion n'est pas le même que l'axe de circulation des gaz chauds dans le divergent en vue de leur évacuation. La tuyère est rotative en ce qu'elle comprend un système de liaison (constitué par les pièces 4, 5 et 6 sur les figures 4a à 4d) qui permet de connecter la tuyère 10 autour de la ligne d'échappement des flux de gaz chauds de manière à permettre la 20 rotation de la tuyère atour de ladite ligne. Le _système de liaison comprend un premier roulement à bille 5 autour de la ligne d'échappement des gaz chauds de manière à permettre la rotation de la tuyère autour de la ligne d'échappement 2. De manière complémentaire et afin de permettre la rotation de la tuyère par 25 rapport à l'étage supérieur du lanceur 23 (dont la structure est illustrée par l'élément 3), le système de liaison comprend un second roulement à billes 4 disposé autour du premier roulement à billes. Ainsi, l'anneau de liaison 12 du dôme est disposé autour du premier roulement à billes et le cas échéant il est disposé entre les premier et deuxième roulements à 30 billes. Afin d'assurer l'étanchéité entre la ligne d'échappement 2 des gaz chauds et la tuyère 10, elle comprend un joint 60 en forme d'anneau disposé entre le dôme 1 et l'anneau 12 de liaison. 6 Le joint 60 permet d'assurer l'étanchéité à la pression et à la température de la tuyère au niveau du système de liaison en rotation. De manière préférée, le joint est Carbone et est tel qu'il peut résister à des températures allant jusqu'à 1000°C et à des pressions jusqu'à 10 bars. 5 La rotation de la tuyère est avantageusement entrainée en rotation au moyen d'un moteur 9 et d'un pignon 8 formant un engrenage avec l'anneau 12 de liaison qui comprend, à cet effet, REVENDICATIONS1. Tuyère (233) rotative d'un système (23) de propulsion, ledit système de propulsion comprenant une chambre de combustion dans laquelle est réalisée une combustion et d'une ou plusieurs ligne(s) d'échappement (232) conduisant les gaz chauds depuis la chambre de combustion (231) jusqu'à ladite tuyère (233), les flux de gaz chauds s'écoulant dans la ligne d'échappement selon un axe (A2) longitudinal de ladite ligne (2), la tuyère comprenant : - un dôme (1) configuré pour être disposé en face de la ligne d'échappement des gaz chauds ; - un divergent (6) s'étendant depuis le dôme, le divergent étant configuré pour être disposé tel qu'un axe (A6) longitudinal dudit divergent forme un angle non nul avec l'axe longitudinal de la ligne d'échappement (2) ; - un système (4, 5, 6) de liaison configuré pour connecter la tuyère autour de la ligne d'échappement des flux de gaz chauds de manière à permettre la rotation de la tuyère atour de ladite ligne d'échappement. 2. Tuyère selon la revendication 1, dans laquelle le dôme (1) comporte une partie (11) supérieure destinée à être disposée en face de la ligne d'échappement des gaz chauds et un anneau (12) de liaison du dôme à la ligne d'échappement des gaz chauds, ledit anneau étant configuré pour être disposé autour de la ligne d'échappement des gaz chauds. 3. Tuyère selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel le système de liaison comprend un premier roulement à bille (5) configuré pour être disposé autour de la ligne d'échappement de manière à permettre la rotation de la tuyère autour de la ligne d'échappement de gaz chauds. 4. Tuyère selon la revendication 3, dans lequel le système de liaison comprend un second roulement à billes (4) disposé autour du premier roulement à billes de manière à permettre la rotation de la tuyère par rapport au support de ladite tuyère, ledit support étant, de préférence, un étage de lanceur supportant ladite tuyère. 7 8 5. Tuyère selon la revendication 4, en combinaison avec la revendication 1 ou 3, dans laquelle l'anneau (12) de liaison du dôme est disposé autour du premier roulement à billes ou entre les premier et deuxième roulements à billes. 5 6. Tuyère selon l'une des revendications précédentes, comprenant un joint (60) en forme d'anneau disposé entre le dôme (1) et l'anneau (12) de liaison, le joint (60) étant configuré pour assurer l'étanchéité à la pression et à la température de la tuyère au niveau du système de liaison en rotation entre le dôme (1) et la ligne (2) d'échappement. 10 7. Tuyère selon la revendication 6, dans laquelle le joint (60) est en matériau configuré pour résister à des températures jusqu'à 1000°C et à des pressions jusqu'à 10 bars, le joint étant de préférence en Carbone. 15 8. Tuyère selon l'une des revendications précédentes, l'anneau de liaison comprend des dents (71), la tuyère comprenant un système d'entrainement de ladite tuyère en rotation autour de la ligne d'échappement, ledit système comprenant un moteur (9) et un pignon (8) formant un engrenage avec les dents (71) de l'anneau (12) de liaison. 20 9. Tuyère selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le divergent forme un angle compris entre 45° et 90° avec l'axe longitudinal de la ligne d'échappement (2). 10. Système (231, 232, 233) de propulsion destiné à être embarqué sur un étage 25 supérieur (23) d'un lanceur, ledit système de propulsion comprenant : - une chambre (231) de combustion dans laquelle est réalisée une combustion et dans laquelle s'écoulent des flux de gaz chauds ; - une ou plusieurs tuyères rotatives selon l'une des revendications précédentes ; 30 - une ou plusieurs ligne(s) d'échappement (232) des gaz chauds disposée(s) entre la chambre de combustion (231) et la ou les tuyère(s) (233), la ligne d'échappement étant configurée pour amener les gaz chauds depuis la chambre de combustion vers la tuyère, les flux de gaz chauds s'écoulant dans la ligne 9 d'échappement selon un axe longitudinal de ladite ligne (232), la tuyère étant montée à rotation autour la ligne d'échappement des gaz chauds. 11. Lanceur spatial comprenant un système de propulsion selon la revendication 5 précédente, le système de propulsion étant monté sur le lanceur spatial.