FR2518173A1 - Dispositif d'alimentation en propergol pour un systeme de propulsion - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF D'ALIMENTAION EN PROPERGOL COMPRENANT UN GENERATEUR DE GAZ OU UNE CHAMBRE DE COMBUSTION 18, EN PARTICULIER POUR UN SYSTEME DE PROPULSION A FAIBLE DUREE DE COMBUSTION, UNE CHAMBRE DE RESERVE DE PROPERGOL 16 DELIMITEE PAR UN PISTON DIFFERENTIEL 20 DONT LA PLUS GRANDE FACE EST SOLLICITEE PAR LA PRESSION DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION 18 ET DONT LA PLUS PETITE FACE REFOULE LE OU LES ERGOLS DE LA CHAMBRE 16, PENDANT LE FONCTIONNEMENT, HORS DE CELLE-CI POUR LES ENVOYER DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION 18, LES DEUX CHAMBRES 16 ET 18 ETANT CONTIGUES, LEUR PAROI DE DELIMITATION COMMUNE ETANT FORMEE AU MOINS PARTIELLEMENT PAR LE PISTON DIFFERENTIEL 20, DES TROUS D'INJECTION 34, 36 FAISANT COMMUNIQUER LES DEUX CHAMBRES 16 ET 18.

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif d'alimentation en propergol comprenant un générateur de gaz propulsif ou une chambre de combustion, en particulier pour un système de propulsion à faible duree de combustion, et une chambre de réserve de propergol pour un ou-plusieurs ergols, en particulier deux ergols liquides, stockés séparément, la chambre de réserve de propergol étant délimitée par un piston différentiel dont la face plus grande est sollicitée par la pression dans la chambre de combustion et dont la face plus petite agit sur le ou les ergols et refoule ces derniers pendant le fonctionnement hors de la chambre de réserve de propergol pour les envoyer dans la chambre de combustion.

Dans le cas de dispositifs d'alimentation en propergol pour des systèmes de propulsion à faible durée de combustion et à forte densité de puissance, tels qu'ils sont utilisés en particulier pour la propulsion sans recul de projectiles effilés agissant uniquement par énergie cinétique ou de projectiles de mortier et qui doivent fournir des accélérations extrêmement élevées de l'ordre de 1000 g et davantage pendant une durée de combustion de par exemple O,1 s ou moins, la combustion est difficile à contrôler en cas d'utilisation de propergols solides et le propergol solide doit être stocké dans la-chambre de combustion de manière à offrir une grande surface de combustion et doit, pour des raisons de solidité, être positionnée par des supports particuliers, ce qui implique un volume comparativement élevé pour la chambre de combustion, la mise en oeuvre de moyens de construction importants et surtout un poids élevé.

Dans le cas de systèmes de propulsion à propergols liquides, une difficulté consiste par contre dans l'alimentation et la combustion des propergols car llensemble du propergol doit, en l'espace d'une fraction de seconde, être pompé de la ou des chambres de réserve de propergol dans la chambre de combustion et réagir dans cette dernière, ce qui impliquerait, si on voulait réaliser une telle alimentation avec des systèmes d'alimentation en propergol connu du type décrit ci-dessus, la mise en oeuvre d'un appareillage import tant qui aurait des répercussions défavorables sur le poids et le volume total.

Le but de la présente invention est de créer un dispositif d'alimentation en propergol, en particulier pour des systèmes de propulsion à propergol liquide à faible durée de combustion et à densité de puissance élevée, permettant d'obtenir, malgré une construction extrêmement simple et un volume et un poids réduites, des vitesses de combustion extrêmement élevées et, par conséquent, des valeurs d1accélé- ration importantes. Le dispositif d'alimentation en propergol doit en outre assurer une régulation de pression automatique dans le générateur de gaz propulsif ou la chambre de combustion, sans que cela exige des dispositifs de régulation particuliers.

Ce but est atteint, selon l'invention, par un dispositif d'alimentation en propergol du type décrit ci-dessus, caractérisé par le fait que la chambre de réserve de propergol et la chambre de combustion sont directement contiguës et présentent une paroi de délimitation commune formée au moins partiellement par le piston différentiel et que la paroi de délimitation est traversée par un ou plusieurs trous d'injection pour le ou les ergols, lesquels trous font communiquer la chambre de réserve avec la chambre de combustion.

Les trous d'injection sont avantageusement ménagés dans le piston différentiel lui-même et en vue d'assurer un volume de refoulement élevé et de permettre une construction particulièrement simple, le piston différentiel est monte mobile en translation dans un récipient cylindrique subdivisé par le piston en deux chambres dont l'une constitue la chambre de combustion et l'autre la chambre de réserve et que le piston différentiel comporte, en vue de la réduction de la superficie de l'une de ses deux faces, une ou plusieurs tiges de piston traversant la chambre de réserve.

Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, des perturbations qui se produisent sinon-dans le déroulement de la combustion, par suite des vitesses de combustion élevées, éventuellement même dans le cas d'ergols liquides réagissant de façon spontanée et stockés séparément dans la chambre de réserve, sont empêchées avec certitude par l'utilisation d'une charge d'allumage ayant la même durée de combustion que le propergol, un tel agencement assurant une combustion correcte même en cas d'utilisation, en tant que propergol, d'un monergol de préférence liquide ou d'un propergol liquide multiergolique, non hypergolique, stocké sous forme de mélange dans la chambre de réserve.

Afin d'obtenir une répartition fine des ergols introduits dans la chambre de combustion, ce qui est nécessaire en vue d'assurer la combustion extremement.rapide du propergol, l'injection du propergol liquide s'effectue avantageusement au moyen de jets s'écrasant les uns sur les autres et à cet effet, les axes de chaque fois plusieurs trous d'injection sont dirigés sur un point d'intersection commun situé à distance fixe du piston différentiel dans la chambre de combustion, la charge d'allumage étant de préférence montée sur le piston différentiel en vue d'assurer une mise à feu certaine des jets et étant reliée à la chambre de combustion par des canaux de sortie de gaz dirigés sur le ou les points d'intersection précités.

Afin d'établir dans la chambre de combustion, après l'allumage, d'abord la pression nécessaire pour l'injection du propergol, ladite chambre est obturée du côté de sortie de préférence par une membrane claquable se rompant sous une pression prédéterminée. De même, les trous d'injection sont avantageusement obturés par une membrane détruite lors de l'allumage sous l'action de la pression et/ou de la chaleur, ce qui empêche d'une manière simple du point de vue mécanique une pénétration prématurée du propergol dans la chambre de combustion.

Dans le cas d'un système de propulsion à faible durée de combustion et à forte densité de puissance, en particulier pour des projectiles agissant par énergie cinétique, comportant une tuyère de poussée faisant suite à la chambre de combustion, la chambre de réserve de propergol est de préfé- rence disposée coaxialement à la chambre de combustion en précédant cette dernière dans le sens de vol, ce qui procure au projectile une grande finesse et offre en même temps la possibilité de raccorder la tuyère de poussée directement à la sortie de la chambre de combustion sans avoir à intercaler des canaux de gaz de combustion. Pour certaines applications, un autre agencement spacial de la chambre de réserve de propergol et de la chambre de combustion peut cependant être avantageux.Dans le cas d'un système de propulsion d'un projectile contenant un barreau agissant par énergie cinétique, ce dernier est de préférence disposé, en vue de posséder un appui particulièrement favorable, sur une tige de piston traversant la chambre de réserve de propergol et fixée coaxialement au piston différentiel; pour permettre le logement du barreau précité sous un faible encombrement, ce dernier constitue avantageusement une partie éjectable de la tige de piston, laquelle partie traverse la chambre de réserve lorsque cette dernière est pleine, ou bien la tige de piston se présente sous la forme d'un tube de guidage creux, recevant le barreau cinétique et présentant à son extrémité arrière une charge propulsive pour post-accélérer.

le barreau cinétique en fin de combustion du propergol, .ce qui améliore encore l'effet du projectile et assure d'une manière simple une précision d'impact élevée au barr-eau cinétique.

Dans le dispositif conforme à l'invention d'alimentation en propergol, le propergol parvient, sous l'action du piston différentiel, parla voie la plus courte et sans utilisation d'organes supplémentaires de commande ou de régulation de -la chambre de réserve de propergol directement dans la chambre de combustion; par comparaison avec des dispositifs connus dans lesquels la chambre de réserve et la chambre de combus t'on sont constituées par des réservoirs haute pression séparés dans l'espace et doivent être exécutées avec une forte épaisseur sur toutes' les parois de délimitation, on obtient ainsi une économie de poids considérable du fait que la chambre de réserve et la chambre de combustion présentent, suivant l'invention, une paroi de délimitation commune sollicitée uniquement par la pression différentielle entre les deux chambres, laquelle paroi est en outre de préférence formée complétement par le piston différentiel nécessaire de toute façon.L'injection directe du propergol permet, sous une construction très simple, un déroulement sans retard de la réaction, avec des pertes de pression réduites et une débit Relevé de propergol, lequel est régulé automatiquement, sans dispositifs auxiliaires particuliers, à une valeur correspondant à une pression prédéterminée dans la chambre de combustion. Le dispositif conforme à l'invention d'alimentation en propergol convient parfaitement pour des-appli cations exigeant des puissances de propulsion élevées, de courte durée, et en même temps une construction, compacte et légère, à savoir en particulier pour des systèmes de propulsion à faible durée de combustion et à densité de puissance élevée pour des projectiles agissant par énergie cinétique, des projectiles de mortier ou des projectiles à charge creuse, par exemple pour la défense anti-chars.

En se référant au dessin annexé, on va décrire ci-après plus en détail deux exemples de réalisation non limitatifs de l'objet de l'invention; sur ce dessin
la fig. 1 représente schématiquement un dispositif d'alimentation en propergol conforme à l'invention, en combinaison avec un projectile agissant par énergie cinétique;
la fig. 2 est une vue à plus grande échelle, partiellement en coupe, du dispositif d'alimentation de la fig. 1;
la fig. 3 est un diagramme montrant la régulation automatique d'un dispositif d'alimentation suivant l'invention;
la fig. 4 représente, de façon analogue à la fig. 1, un autre exemple de réalisation de l'invention.

Les fig. 1 et 2 illustrent un projectile agissant par énergie cinétique 2 comportant un dispositif d'alimentation en propergol 4. Le projectile 2 comprend une enveloppe extérieure 6 cylindrique se raccordant à la pointe du projectile à un carénage conique (ogive) 8 et à l'extrémité arrière du projectile & une tuyère de poussée 10. L'espace annulaire 14 situé dans la partie avant du projectile 2 entre un tube de passage 12 et l'enveloppe extérieure 6 ou le carénage 8 sert à recevoir des dispositifs auxiliaires, par exemple le dispositif de guidage. Le diamètre extérieur de l'enveloppe extérieure 6 correspond au calibre du dispositif de lancement du projectile.

Le dispositif d'alimentation en propergol 4 se trouvant dans la partie arrière de l'enveloppe cylindrique extérieure 6 comprend une chambre de réserve de propergol 16 et une chambre de combustion 18 débouchant dans la tuyère de poussée 10, les deux chambres 16, 18 étant directement contiguës et séparées l'une de l'autres par une paroi de délimitation réalisée sous la forme d'un piston différentiel 20 monté coaxialement à l'axe du projectile,. de façon mobile en translation en direction de la pointe du projectile, dans le cylindre extérieure 6, son étanchéité vis-a-vis du cylindre 6 étant assurée par un joint torique 22.La surface de pression F1 plus grande du piston différentiel 20, laquelle correspond au diamètre du piston, est sollicitée par la pression dans la chambre de combustion, tandis que la surface de pression F2 plus petite, réduite à une surface annulaire entre le diamètre extérieur du piston 20 et une tige de piston 24 disposée de façon coaxiale sur ce piston, délimite la chambre de réserve 16. La tige de piston 24 traverse la chambre de réserve 16 et son extrémité avant est guidée dans le tube de passage 12, l'étanchéité de la chambre de réserve 16 étant assurée par un > joint torique 28 situé entre la paroi de fond 26 de la chambre 16 et la tige de piston 24.

La section avant de la tige de piston 24 constitue le barreau cinétique 30 relié à la section arrière de la tige de piston en passant par une charge d'éjection 32.

Un grand nombre de trous borgnes 34 sont ménagés dans le piston différentiel 20, ces trous débouchant vers la chambre de réserve 16 et étant répartis de façon sensiblement uniforme sur la petite surface de piston F2. Ces-trous borgnes 34 communiquent avec la chambre de combustion 18 chacun par un canal d'injection étroit 36, chaque fois plusieurs canaux d'injection 36 étant dirigés ensemble sur un point d'intersection 38 commun situés à distance fixe du piston différentiel 20 dans la chambre de combustion 18, de sorte que les jets de liquide injectés dans la chambre de combustion 18 par les canaux d'injection 36 se rencontre aux points d'intersection 38 ot ils s'écrasent les uns sur les autres, ce qui assure une répartition fine du propergol dans la chambre de combustion 18. Les canaux d'injection 36 sont initialement obturés par une feuille de recouvrement 40 susceptible d'être détruite sous l'action de la pression ou de la chaleur, et la chambre de combustion 18 est initialement obturée, du côté de la tuyère de poussée, par une membrane claquable 42 se rompant sous une pression prédéterminée.

Dans le piston différentiel 20 est en outre formée une chambre intérieure 44 qui s'étend partiellement dans la tige de piston 4 et qui contient une charge d'allumage solide 46 susceptible d'être mise à feu à partir d'un détonateur primaire 48 central, pyrotechnique, à allulage électrique.

La chambre intérieure 44 est fermée par une pièce de distribution 50 comportant un bouchon 52 par lequel passent des lignes électriques non représentées allant au détonateur primaire 48. La pièce de distribution 50 comporte plusieurs canaux de sortie de gaz 54 dont les axes passent chaque fois par un point d'intersection 38 des canaux d'injection 36, de sorte que les gaz d'allumage chauds de la charge d'allumage solide 46 sortent par la pièce de distribution 50 en direction des points d'intersection 38, radialement vers l'exté- rieur, dans la chambre de combustion 18.

La chambre de réserve 16 est remplie d'un propergol liquide constitué soit par un monergol, soit par un mélange d'ergols non hypergolique. En tant que propergol liquide, on peut utiliser, entre autres, du nitrate d'isopropyle, du nitrate d'isopropyle additionné de nitrate de diéthylèneglycol en solution, du nitrate d'isopropyle avec d'autres additifs de sensibilisation ou de flegmatisation, un mélange de dioxane, d'acide nitrique et d'eau, un mélange de nitrométhane, d'acide nitrique et d'eau, ou un mélange d'hydrazine, de nitrate d'hydrazine et d'eau.

Lors de l'allumage, la charge.d'allumage solide 46 est mise à feu par le détonateur primaire 48, après quoi les gaz d'allumage chauds pénètrent dans la chambre de combustion 18 et y produise une augmentation de pression, de sorte que la colonne de propergol dans la chambre de réserve 16 se trouve mise sous pression en passant par le piston différentiel 20 jusqu'≈ce que la feuille de recouvrement 40 soit détruite et que le propergol liquide puisse pénétrer par les trous borgnes 48 et les canaux d'injection 36 dans la chambre de combustion 18 pour y être allumé par les gaz d'allumage chauds. Lors de l'allumage du propergol liquide, la pression dans la chambre de combustion 18 augmente jusqu'à ce que la membrane claquable 42 se rompe et dégage la section d'échappement de la tuyère de poussée 10.Ensuite, le système de propulsion fonctionne jusquià ce que tout le propergol soit consommé. La quantité de matière de la charge d'allumage solide 46 est choisie de manière que cette charge brtzle pendant toute la phase de propulsion. Cette quantité de matière est comprise entre environ 2 et 5% de la quantité de propergol liquide. Après la combustion du propergol, le barreau cinétique 30 est séparé par le dispositif d'éjection 32 de la partie restante de la tige de piston 24 et quitte le t)rojecttle 2 par le tube de passage 12. La durée de combustion s'élève à 0,1 s ou moins, I'agencement étant conçu de manière à permettre des accélérations de 1000 g et davantage avec une pression dans la chambre de combustion comprise entre 200 et 800 bars.

En se référant au diagramme de la fig. 3 sur lequel on a porté le débit massique m en fonction de la pressioxi Pc dans a chambre de comLustion, on va décrire la régulation automatique de poussée du dispositif. Par l'action de la pression Pc dans la chambre de combustion, laquelle pression agit sur la grande surface F1 du piston 20, il s'établit dans la chambre de réserve 16 une pression plus élevée déterminée par la petite surface F2 du piston différentiel.

Tant que le projectile ne Subit pas d'accélération, cette pression de liquide PT slélè;Ese à PT = '----F2
Sous l'action des forces d'accélération, la pression PT varie légèrement, à savoir de l'ordre de 5%. La différence de pression PT - Pc est la surpression par laquelle le propergol liquide est envoyé dans la chambre de combustion -18.

On sait que la quantité de propergol-injectée dans la chambre de combustion 18 est définie par la relation

cette quantité étant représentee sur la fig. 3 par la courbe
A en fonction de la pression dans la chambre de combustion, tandis que la quantité de gaz s'échappant de- la chambre de combustion 18 par la tuyère de poussée lO est une fonction approximativement linéaire de la pression dans la chambre de combustion et suit donc approximativement la relation * oopc (droite B sur la fig. 3). Cette relation permet d'obtenir une régulation automatique de la pression Pc dans la chambre de combustion et du débit m au point d'intersection C des deux courbes A et B.Selon la puissance de propulsion exigée, il est doncwpossible de donner à la pression Pc dans la chambre de combustion une valeur prédéterininée optimale. La section droite du col de la tuyère de poussee 10 et la taille nécessaire des trous et canaux d'injection 34, 36 sont déterminées en fonction du débit massique m au point de fonctionnement C. Le dispositif d'alimentation 4 dispose donc d'une régulation automatique de poussée, de pression et de débit au point de fonctionnement C.

Le projectile representé sur la fig. 4 présente sensiblement la même structure et le même mode de fonctionnement que le projectile suivant les fig. 1 et 2, et les parties correspondantes des deux projectiles possèdent les mêmes références. Cependant, dans l'exemple de réalisation de la fig. 4, la chambre de réserve 16 est subdivisée par une douille annulaire 56 fixée au piston différentiel 20 de façon coaxiale à l'axe du projectile et à la tige de piston 24, en deux chambres 58 et 60 séparées l'une de l'autre, les trous d'injection 34, 36 situés radialement à l'extérieur communiquant avec la chambre 58 et les trous d'injection 34, 36 situés radialement à l'intérieur communiquant avec la chambre 60, de sorte que le dispositif d'alimentation 4 peut fonctionner avec un propergol liquide hypergolique dont les deux ergols sont stockés séparément chacun dans l'une des deux chambres 58, 60 de la chambre de réserve 16. La douille 56 traverse la paroi de fond 26 comportant ici un système d'étanchéité 62 et est poussée pendant la combustion, conjointement avec la tige de piston 24, par le piston différentiel 20, dans la partie avant du projectile 2. Au lieu de la douille 56, on peut également prévoir un soufflet.

La tige de piston 24 est réalisée, dans sa partie avant, sous la forme d'un tube de guidage 64 creux, renfermant le barreau cinétique 30 et à l'extrémité arrière du barreau 30 se trouve une charge propulsive 66 qui est allumée en fin de combustion du propergol et éjecte ainsi le barreau 30 du tube de guidage 64 en lui imprimant une post-accélération supplémentaire.

Par ailleurs, la structure et le mode de fonctionnement du projectile 2 suivant la fig. 4 sont les mêmes que pour le projectile de l'exemple de réalisation des fig. 1 à 3.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'alimentation en propergol comprenant un générateur de gaz ou une chambre de combustion, en particulier pour un système de propulsion à faible durée de combustion, et une chambre de réserve de propergol pour un ou plusieurs ergols, en particulier deux ergols liquides, stockés séparément, la chambre de réserve de propergol-étant délimitée par un piston différentiel dont la plus grande face est sollicitée par la pression dans la chambre de combustion et dont la plus petité face agit sur le ou les ergols et refoule ces derniers pendant le fonctionnement hors de la chambre de réserve de propergol pour les envoyer dans la chambre de combustion, caractérisé par le fait que la chambre de réserve de propergol (16) et la chambre de combustion (18) sont directement contiguës et présentent une paroi de délimitation commune formée au moins partiellement par le piston différentiel (20) et que ladite paroi de délimitation est traversée par un ou plusieurs trous d'injection (34, 36) pour le ou les ergols, lesdits trous faisant communiquer la chambre de réserve avec la chambre de combustion.

2. Dispositif d'alimentation en propergol suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les trous d'injection (34, 36) sont ménagés dans le piston différentiel (20).

3. Dispositif d'alimentation en propergol suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le piston différentiel (20) est monté mobile en translation dans un récipient (6) cylindrique, subdivisé par le piston enjeux chambres dont l'une constitue la chambre de combustion (18) et l'autre la chambre de réserve (16) et.que le-piston différentiel comporte une ou plusieurs tiges de piston (24) traversant la chambre de réserve, pour réduire la superficie de l'une de ses faces.

4. Dispositif d'alimentation en propergol suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une charge d'allumage (46) ayant la même durée de combustion que le propergol.

5. Dispositif d'alimentation en propergol suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'en vue de l'injection du propergol liquide au moyen de jets à écrasement, chaque fois plusieurs trous d'injection (34, 36) sont dirigés sur un point d'intersection commun (38) situé à distance fixe du piston différentiel (20) dans la chambre de combustion (18).

6. Dispositif d'alimentation en propergol suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que la charge d'allumage (46) est montée sur le piston différentiel (20) et communique avec la chambre de combustion (18) par les canaux de sortie des gaz (54) dirigés sur le ou les points d'intersection précités (38).

7. Dispositif d'alimentation en propergol suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la chambre de combustion (18) est obturée, côté sortie, par une membrane claquable (42) se rompant sous une pression prédéterminée.

8, Dispositif d'alimentation en propergol suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les trous d'injection (34, 36) sont obturés par une membrane (40) susceptible d'être détruite lors de 1'allumage sous l'action de la pression et/ou de la chaleur.

9. Dispositif d'alimentation en propergol suivant l'une quelconque des revendications précédentes, pour un système de propulsion à faible durée de combustion avec une tuyère de poussée faisant suite à la chambre de combustion, caractérisé par le fait que la chambre de réserve de propergol (16) est disposée coaxialement à la chambre de combustion (18) et en avant de cette dernière dans l.e sens de vol.

10. Dispositif d'alimentation en propergol sùivant la revendication 9, caractérisé par le fait qu'en cas d'utilisation du système de propulsion à faible durée de combustion pour un projectile avec un barreau effilé agissant par énergie cinétique (2), le barreau cinétique (30) est disposé sur une tige de piston (24) fixée de façon coaxiale au piston différentiel (20) et traversans la chambre de réserve de propergol (16).

11. Dispositif d'alimentation en propergol suivant la reYendicatlon 10, caractérisé par le fait que le barreau cinétique (30) constitue une partie de la tige de piston (24) qui est éjectable de cette dernière par une charge propulsive et traverse la chambre de réserve (16) lorsque cette dernière est pleine.

12. Dispositif d'alimentation en propergol suivant la- revendication 10, caractérisé par le fait que la section de la tige de piston (24) située à l'avant dans le sens de-vol et traversant la chambre de réserve (16) lorsque cette dernière est pleine est réalisée sous la forme d!un tube de guidage (64) creux, recevant le barreau cinétique (30) et x l'extrémité arrière duquel est prévue une charge prppulsive (66) servant à imprimer une post-accélration au barreau cinétique en fin de combustion du propergol.

13. Dispositif d'alimentation en propergol suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le propergol est constitue par un monergol liquide ou par un mélange non hypergolique de plusieurs ergols.