Brevet FR3112170A1 — publié le 20220107

Tuyère propulsive de taille réduite avec plusieurs sections débitantes L’invention concerne une tuyère propulsive (1) s’étendant le long d’une direction axiale d’éjection de gaz, comprenant des tuyères élémentaires (3) disposées radialement par rapport à la direction axiale et partiellement fusionnées, lesdites tuyères élémentaires débouchant dans un divergent commun. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Tuyère propulsive de taille réduite avec plusieurs sections débitantes L’invention concerne les tuyères propulsives pour véhicule spatial, tel qu’un lanceur spatial ou un satellite. La tuyère contribue aux performances propulsives d’un moteur. Une tuyère de Laval comprend un convergent, un col et un divergent qui, de par leurs formes, déterminent les performances du moteur par détente des gaz de combustion. Il est souhaitable de disposer de tuyères propulsives à encombrement et masse réduits sans affecter les performances propulsives (poussée délivrée). L’invention concerne une tuyère propulsive s’étendant le long d’une direction axiale d’éjection de gaz, comprenant des tuyères élémentaires disposées radialement par rapport à la direction axiale et partiellement fusionnées, lesdites tuyères élémentaires débouchant dans un divergent commun. L’invention propose de remplacer une tuyère mono-col classique par plusieurs tuyères élémentaires ayant chacune un col de section réduite par rapport à la tuyère mono-col de sorte à diminuer l’encombrement axial de la tuyère propulsive. En conservant d’une part une somme des sections de col des tuyères élémentaires égale à la section de col de la tuyère mono-col et d’autre part une section de sortie du divergent identique, les performances propulsives sont maintenues. En outre, la fusion partielle des tuyères élémentaires et la réunion de leurs écoulements de gaz dans un divergent commun permet de réduire l’encombrement axial de la tuyère propulsive, tout en maîtrisant son encombrement radial. Cela permet également de réduire la masse inerte de la tuyère. Les inventeurs ont en outre constaté que les chocs obliques survenant dans l’écoulement de gaz à la fusion des portions de divergents des tuyères élémentaires ne constituaient pas une perte propulsive car ils ne sont pas rattachés à une paroi, compte-tenu des écoulements supersoniques dans les portions de divergent. On notera qu’une tuyère de Laval mono-col qui serait conçue avec une longueur axiale très réduite par rapport à une tuyère classique (en forme de « pommeau de douche ») permettrait a priori de répondre au problème de l’état de l’art ; toutefois, un tel profil avec de fortes inflexions est très éloigné d’un profil propulsif idéal ou optimisé, et l’expérience montre que le rendement propulsif est extrêmement faible. L’invention présentée ici permet de résoudre le problème en associant des profils propulsifs performants, tels que ceux de la tuyère mono-col classique. Aussi, en présence d’une ablation thermo-chimique des cols pendant le fonctionnement de la tuyère (phénomène généralement présent dans le domaine de la propulsion avec propergols solides), la tuyère de l’invention présente une loi d’ablation (évolution de la section débitante des cols des tuyères élémentaires au cours du tir) plus favorable que la tuyère mono-col classique. En effet, l’augmentation de la section débitante des cols des tuyères élémentaires est plus rapide et accompagne par exemple mieux la variation de quantité de gaz injectée dans la chambre de combustion (variation de la surface à brûler du propergol solide par exemple). Cela permet ainsi d’obtenir une pression de combustion plus constante pendant le fonctionnement. Dans un exemple de réalisation, la tuyère propulsive comprend au moins trois tuyères élémentaires réparties autour de la direction axiale et partiellement fusionnées. Une telle caractéristique participe à améliorer les performances propulsives en permettant d’équilibrer la répartition des tuyères élémentaires autour de l’axe et d’obtenir une poussée centrée. En particulier, la tuyère propulsive peut comprendre une première tuyère élémentaire centrale et des secondes tuyères élémentaires latérales (éventuellement périphériques) réparties autour de la première tuyère élémentaire centrale. Selon un exemple, les axes des secondes tuyères élémentaires latérales peuvent être inclinés par rapport à l’axe de la première tuyère élémentaire centrale. En d’autres termes dans ce cas, les axes des secondes tuyères élémentaires ne sont pas parallèles à l’axe de la première tuyère élémentaire centrale (ces axes forment un angle non nul avec l’axe de la première tuyère élémentaire centrale). Cela permet avantageusement de réduire la perte propulsive associée à l’angle entre les particules de gaz et l’axe de la tuyère (pertes par divergence compte tenu des composantes radiales – et non propulsives – des vitesses d’une partie des gaz). Les axes des secondes tuyères élémentaires peuvent ou non être inclinés vers la tuyère élémentaire centrale. Dans un exemple de réalisation, une pente d’une paroi définissant deux tuyères élémentaires adjacentes peut être décroissante en direction du divergent commun. Une telle caractéristique permet avantageusement de réduire l’inclinaison des écoulements en sortie des tuyères élémentaires, réduisant ainsi les interactions entre ces écoulements dans le divergent commun. Dans un exemple de réalisation, le passage des tuyères élémentaires au divergent commun s’accompagne au moins localement d’un changement de profil de la veine. Une telle caractéristique permet avantageusement de réduire tout risque de décollement non contrôlé du jet lors du fonctionnement en présence d’une pression externe (atmosphère). Dans un exemple de réalisation, le divergent commun comprend une portion à section évolutive définissant une sortie circulaire de la tuyère propulsive. Une telle caractéristique permet avantageusement d’améliorer davantage encore la poussée générée, et de présenter, le cas échéant, une interface optimisée vis-à-vis d’autres éléments du lanceur (étage inférieur par exemple). Dans un exemple de réalisation, les tuyères élémentaires sont réparties sur une nappe non plane et voûtée. Cette disposition permet, d’une part, de réduire les pertes aérodynamiques par divergence comme décrit précédemment, et une forme de voûte améliore, d’autre part, la tenue mécanique de l’ensemble soumis aux pressions de fonctionnement du moteur. L’invention concerne également un moteur-fusée comprenant une tuyère propulsive telle que décrite plus haut. L’invention concerne également un véhicule spatial comprenant un moteur-fusée tel que décrit plus haut. Le véhicule spatial peut être un lanceur spatial, un véhicule d’exploration ou un satellite. Dans le cas où le véhicule spatial est un lanceur spatial, la tuyère propulsive peut être une tuyère de premier étage de lanceur ou bien une tuyère d’étage supérieur, comme une tuyère de deuxième ou de troisième étage de lanceur. Il est d’autant plus avantageux qu’une tuyère d’étage supérieur de lanceur soit d’encombrement et de masses réduits étant donné qu’elle subit en opération une phase de vol plus longue qu’un premier étage, pénalisant ainsi d’autant plus la masse autorisée pour la charge utile. En outre, une telle partie correspond à une portion inter-étages pour laquelle il est généralement souhaitable de minimiser l’encombrement et la masse. En variante, la tuyère propulsive peut être une tuyère de micro-moteur de satellite ou une tuyère d’un véhicule atterrissant. La figure 1 est une vue en perspective d’un exemple de tuyère propulsive selon l’invention présentant trois tuyères élémentaires. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle de la tuyère propulsive de la figure 1. La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, un détail d’une variante de tuyère propulsive selon l’invention. La figure 4 représente, de manière schématique et partielle, un changement local de profil de la veine lors du passage des tuyères élémentaires au divergent commun. La figure 5 représente une autre variante de tuyère propulsive selon l’invention. La figure 6 représente, de manière schématique et partielle, une autre variante de tuyère propulsive selon l’invention. On a représenté aux figures 1 et 2 un premier exemple de tuyère propulsive 1 selon l’invention. La tuyère 1 s’étend le long d’une direction axiale A d’éjection de gaz, qui forme ici un axe longitudinal de la tuyère 1. La tuyère 1 présente en outre une direction radiale R qui est transversale, par exemple perpendiculaire, à la direction axiale A. La tuyère 1 comprend des tuyères élémentaires 3 partiellement fusionnées et disposées radialement par rapport à la direction axiale A. Les tuyères élémentaires 3 sont, dans l’exemple illustré, réparties autour de la direction axiale A. Les tuyères élémentaires 3 s’étendent le long de la direction axiale A. L’exemple des figures 1 et 2 compte trois tuyères élémentaires 3 mais l’invention n’est pas limitée à un nombre particulier de tuyères élémentaires, comme il sera rappelé plus bas. Les tuyères élémentaires 3 peuvent être des tuyères de Laval, ayant chacune un convergent 31, un col 32 définissant un orifice 34 d’éjection de gaz et une portion de divergent 35. Les portions de divergents 35 des tuyères élémentaires 3 débouchent chacune dans une même enceinte, constituant un divergent commun 40 qui définit une seule et même sortie de la tuyère propulsive 1. La tuyère 1 définit la partie arrière d’un moteur-fusée lequel comprend en amont une chambre de combustion 20 connue en soi et non représentée en détails sur les figures. Le moteur-fusée peut être à propulsion solide, à propulsion liquide ou à propulsion hybride. Chacune des tuyères élémentaires 3 est alimentée par le gaz provenant de la chambre de combustion 20, ce dernier étant éjecté au travers de celles-ci et du divergent commun 40 afin de réaliser la propulsion. Les tuyères élémentaires 3 peuvent être en communication avec une même chambre de combustion 20. Les tuyères élémentaires 3 ont chacune un orifice 34 d’éjection de gaz distinct en communication avec la chambre de combustion 20 et débouchant dans une portion de divergent 35. Les orifices 34 sont espacés les uns des autres d’une distance non nulle et ne se recouvrent pas. La tuyère 1 est une tuyère multi-cols, chaque tuyère élémentaire 3 étant associée à un col 32. On a représenté, aux figures 1 et 2 notamment, le cas d’orifices 34 tous présents sur un même plan transversal à la direction axiale A, ici perpendiculaire à cette direction A. On ne sort néanmoins pas du cadre de l’invention lorsque les orifices d’éjection sont décalés le long de la direction axiale. Les orifices 34 sont, dans l’exemple illustré, répartis autour de la direction axiale A. Ils peuvent être régulièrement répartis autour de la direction axiale A, c’est à dire répartis avec un décalage angulaire de 1/n * 360° où n désigne le nombre d’orifices d’éjection 34 de la tuyère propulsive, comme illustré à la figure 1. Les tuyères élémentaires 3 sont fusionnées ou imbriquées partiellement, ce qui leur confère une forme tronquée comme visible à la figure 1, par exemple une forme parabolique tronquée, laquelle correspond à un profil optimisé. D’autres formes sont possibles pour les tuyères élémentaires comme une forme conique tronquée. Les portions de divergent 35 de tuyères élémentaires 3 adjacentes présentent une paroi commune 36 présentant une première face définissant une partie de la portion de divergent 35 d’une première tuyère élémentaire 3 et une deuxième face définissant une partie de la portion de divergent 35 d’une deuxième tuyère élémentaire 3, adjacente à la première tuyère élémentaire. La paroi commune 36 définit en outre un bord commun ou une arête commune 37 aux tuyères élémentaires 3 adjacentes. Les sorties de deux tuyères élémentaires adjacentes peuvent se réunir au bord commun 37, ce bord commun 37 pouvant être situé à l’entrée du divergent commun 40, comme illustré aux figures 1 et 2. Les bords commun 37 entre les tuyères élémentaires 3 adjacentes sont, dans l’exemple illustré, concourants au niveau d’un point d’intersection 38 situé à l’entrée du divergent commun 40. Le divergent commun 40 prolonge les portions de divergents 35 des tuyères élémentaires 3 le long de la direction axiale A. Les portions de divergents 35 débouchent chacune dans le divergent commun 40. Les tuyères élémentaires 3 débouchent de manière indépendante dans le divergent commun 40, c’est-à-dire que les sorties des tuyères élémentaires 3 ne se succèdent pas le long de la direction axiale A jusqu’au divergent commun. Le divergent commun 40 comprend une portion proximale 41 qui est située du côté des tuyères élémentaires 3 et une portion distale 42 qui définit une sortie de la tuyère propulsive, du côté opposé aux tuyères élémentaires 3. Dans l’exemple illustré, la portion proximale 41 présente une section présentant plusieurs lobes et non circulaire, ici en forme de trèfle. Sauf mention contraire, les sections sont prises transversalement à la direction axiale A. La portion distale 42 est ici à section évolutive le long de la direction axiale A de sorte à faire passer la section du divergent commun d’une forme à plusieurs lobes au niveau de la portion proximale 41 à une section circulaire en sortie de la tuyère propulsive 1. La tuyère propulsive 1 peut être fabriquée par prélèvement de matière dans une plaque, par exemple le prélèvement permettant d’obtenir directement la tuyère propulsive ou seulement l’ensemble des tuyères élémentaires 3, cet ensemble étant ensuite lié au divergent commun 40. On ne sort pas du cadre de l’invention si le divergent commun est dépourvu de la portion distale 42 à section évolutive. Dans ce cas, la sortie de la tuyère peut avoir une section à plusieurs lobes, s’arrêtant au niveau de la portion proximale 41. Dans une variante non illustrée, le divergent commun est dépourvu de la portion 42 à section évolutive et les tuyères élémentaires sont inclinées les unes par rapport aux autres de sorte à tendre vers une section de sortie de géométrie circulaire. Comme indiqué plus haut, la tuyère propulsive selon l’invention présente un encombrement réduit par rapport à une tuyère classique mono-col. La poussée d’un moteur dans le vide dépend du produit du débit massique et de la vitesse d’éjection, et de la section de sortie de tuyère, comme indiqué dans la formule suivante : Cette formule peut se réécrire de la manière suivante en faisant intervenir la section au col : En utilisant une section de col réduite, on obtient un profil de veine plus petit et donc une tuyère ayant un encombrement réduit dans la direction axiale. Cette réduction de la section de col s’accompagne néanmoins d’une perte en performance propulsive par rapport à une tuyère mono-col. Ainsi, il est proposé de remplacer la tuyère mono-col par une pluralité de tuyères élémentaires, ayant chacune un col distinct, en conservant constante la section de col c’est-à-dire que la somme des sections de col des tuyères élémentaires demeure égale à la section de col de la tuyère mono-col. L’invention propose en outre de juxtaposer et de partiellement fusionner les tuyères élémentaires en les faisant déboucher dans un divergent commun de sorte à réduire l’encombrement radial. Cela permet également une mutualisation de pièces (par rapport à l’utilisation de plusieurs tuyères élémentaires simplement juxtaposées et non fusionnées), une réduction de la masse et des coûts de fabrication. On vient de décrire, en lien avec les figures 1 et 2, un exemple de tuyère propulsive 1 selon l’invention. On va décrire dans la suite, en lien avec les figures 3 et 4, des détails de variantes de tuyères propulsives. La figure 3 illustre la présence d’une paroi commune 136 à deux tuyères élémentaires 13 adjacentes qui présente une pente décroissante en direction du divergent commun 40. Dans l’exemple de la figure 3, les faces 136a et 136b de la paroi commune 136 définissant les tuyères élémentaires 13 ont chacune une pente décroissante en direction du divergent commun 40, donnant ainsi une forme effilée à la paroi commune 136 en coupe le long de la direction axiale A, par exemple une forme de goutte. Cette décroissance des pentes permet de guider le long de la direction axiale A les écoulements de gaz Ja et Jb issus de tuyères élémentaires 13 adjacentes, réduisant ainsi les interactions entre ces écoulements dans le divergent commun 40. En particulier, les faces 136a et 136b peuvent chacune former avec la direction axiale A, au niveau du divergent commun 40, un angle inférieur ou égal à 40°. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale partielle montrant l’évolution du profil de la veine entre le profil d’une tuyère élémentaire 23 et celui du divergent commun 40. Le passage des tuyères élémentaires 23 au divergent commun 40 s’accompagne ici localement d’un changement de profil de la veine. L’exemple des figures 1 et 2 comprend trois tuyères élémentaires, l’invention n’est néanmoins pas limitée à un nombre particulier de tuyères élémentaires. Ainsi, la figure 5 illustre le cas d’un agencement différent de celui des figures 1 et 2 dans lequel la tuyère propulsive 21 comprend une tuyère centrale 33a autour de laquelle sont présentes six tuyères latérales 33b. De manière similaire à ce qui a été décrit en lien avec les figures 1 et 2, les tuyères élémentaires 33a et 33b sont réunies, fusionnées partiellement et débouchent dans un divergent commun. Du fait de cette fusion partielle, les tuyères élémentaires 33a et 33b, et plus particulièrement leurs portions de divergent, ont une forme tronquée. D’autres variantes sont possibles comme une tuyère ayant seulement deux cols par exemple. D’une manière générale, les études internes menées par les inventeurs ont montré que la dimension axiale de la tuyère avec tuyères élémentaires partiellement fusionnées varie en 1/n 0,5 où n est le nombre de cols mis en œuvre, donc diminue plus le nombre de col est élevé. La figure 6 illustre une autre variante dans laquelle les tuyères élémentaires 43 sont inclinées les unes par rapport aux autres et réparties le long d’une nappe N non plane transverse à la direction axiale A et en forme de voûte. Dans ce cas, les axes des tuyères élémentaires 43 ne sont pas parallèles entre eux. Les tuyères élémentaires 43 se réunissent ensuite dans un divergent commun non représenté. Tuyère propulsive (1 ; 11 ; 21) s’étendant le long d’une direction axiale (A) d’éjection de gaz, comprenant des tuyères élémentaires (3 ; 13 ; 23 ; 33a-33b ; 43) disposées radialement par rapport à la direction axiale et partiellement fusionnées, lesdites tuyères élémentaires débouchant dans un divergent commun (40). Tuyère propulsive (1 ; 11 ; 21) selon la revendication 1, dans laquelle la tuyère propulsive comprend au moins trois tuyères élémentaires (3 ; 13 ;23 ; 33a-33b ; 43) réparties autour de la direction axiale (A). Tuyère propulsive (21) selon la revendication 2, dans laquelle la tuyère propulsive comprend une première tuyère élémentaire (33a) centrale et des secondes tuyères élémentaires (33b) latérales réparties autour de la première tuyère élémentaire centrale. Tuyère propulsive selon la revendication 3, dans laquelle les axes des secondes tuyères élémentaires latérales sont inclinés par rapport à l’axe de la tuyère élémentaire centrale. Tuyère propulsive (11) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle une pente d’une paroi (136) définissant deux tuyères élémentaires (13) adjacentes est décroissante en direction du divergent commun (40). Tuyère propulsive selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le passage des tuyères élémentaires (23) au divergent commun (40) s’accompagne au moins localement d’un changement de profil de la veine. Tuyère propulsive (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le divergent commun (40) comprend une portion (42) à section évolutive définissant une sortie circulaire de la tuyère propulsive. Tuyère propulsive selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les tuyères élémentaires (43) sont réparties sur une nappe (N) non plane et voûtée. Moteur-fusée comprenant une tuyère propulsive (1 ; 11 ; 21) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Véhicule spatial comprenant un moteur-fusée selon la revendication 9. Véhicule selon la revendication 10, dans lequel le véhicule est un lanceur spatial, un véhicule d’exploration ou un satellite.