Domaine de l'invention.

La présente invention a pour objet un allumeur acoustique et un procédé d'allumage d'un mélange d'ergols dans la chambre de combustion d'un moteur-fusée à ergols liquides.

Art anteneur.

On connaît déjà divers types d'allumeurs acoustiques utilisés dans le domaine spatial pour I'allumage de mélanges d'ergols alimentant la chambre de combustion d'un moteur-fusée à ergols liquides.

Ainsi, le document de Brevet SU-A-1 255 818 décrit déjà un exemple d'allumeur acoustique qui est représenté sur la figure 2. Dans un tel allumeur acoustique, une chambre cylindrique 1 de précombustion comporte sur l'une de ses faces principales une tuyère d'injection 3 à l'intérieur de laquelle est placé un injecteur 4 d'alimentation en ergol combustible, lequel injecteur 4 est placé selon l'axe de la tuyère d'injection 3. Un résonateur acoustique 5 creux est placé à travers la seconde face principale de la chambre de précombustion 1, en regard de la tuyère d'injection 3. Le résonateur acoustique 5 comporte une première partie tronconique convergente à partir de l'ouverture d'entrée et une deuxième partie cylindrique de manière à définir une cavité qui se termine par une paroi de fond de la partie cylindrique. Des orifices de sortie 2 de la chambre de précombustion 1 permettent le passage du mélange enflammé après allumage vers une chambre aval 11 qui communique par au moins un orifice de sortie 21 avec une chambre de combustion principale d'un moteur-fusée.

Le fonctionnement d'un allumeur acoustique tel que celui représenté sur la figure 2 fonctionne de la manière suivante : un composant gazeux, par exemple un oxydant, est introduit sous pression dans la tuyère d'injection 3 et subit une accélération. Dans le mme temps, un autre composant, le combustible, est introduit dans l'injecteur 4. L'ensemble de la tuyère d'injection 3 et de l'injecteur 4 assure ainsi la formation d'un mélange d'ergols dans la chambre de précombustion 1. Une partie du mélange pénètre dans la cavité du

résonateur acoustique 5 et y demeure. Les ondes de choc créées provoquent réchauffement de la partie du mélange située dans le résonateur acoustique 5.

Le mélange prend feu lorsqu'il a atteint la température d'allumage. La flamme sort de la cavité du résonateur acoustique, provoque I'allumage de tout le mélange dans la chambre de précombustion 1, puis s'échappe par les orifices de sortie 2 vers la chambre aval 11 qui communique elle-mme par un orifice de sortie 21 avec la chambre de combustion principale du moteur-fusée, non représentée.

Les allumeurs acoustiques de I'art antérieur ne sont pas optimisés du point de vue de leur fonctionnement ni de leur géométrie. En particulier, dans un allumeur acoustique tel que celui représenté sur la figure 2, il circule à travers les orifices 2 et la chambre aval 11, avant I'allumage, un courant gazeux froid qui est en contact avec la paroi externe du résonateur acoustique 5. Ceci contribue à réduire le développement de chaleur à l'intérieur du résonateur acoustique 5 et conduit à augmenter le temps nécessaire à I'allumage. La stabilité de la combustion n'est pas très bonne et compte tenu de la faible température initiale du composant gazeux, I'allumage ne présente pas la fiabilité souhaitable.

On connaît encore par le document du Brevet SU-A-1 657 883 un allumeur acoustique ou allumeur dynamique à gaz qui est illustré sur la figure 3 et dans lequel le gaz combustible et l'agent oxydant sont injectés dans une chambre de précombustion 10 par un injecteur 4 et une tuyère d'injection 3 concentriques disposés en regard d'un résonateur acoustique 5 monté sur une paroi opposée de la chambre de précombustion 1, le mélange gazeux s'échappant de la chambre de précombustion par au moins un orifice 20 situé latéralement par rapport à 1'ensemble d'injection de gaz 3,4 et au résonateur acoustique 5. Le fonctionnement de cet allumeur acoustique est amélioré du fait que l'injecteur 4 de gaz combustible débouche dans la partie convergente de la tuyère d'injection 3, en amont de la sortie de cette tuyère d'injection 3, ce qui favorise l'homogénéisation du mélange et accroît la stabilité du processus d'allumage. L'allumeur acoustique de la figure 3 ne présente toutefois toujours pas une fiabilité suffisante et notamment ne permet pas de réduire au maximum le temps nécessaire à I'allumage.

Objet et description succincte de l'invention.

La présente invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus, et en particulier à réaliser un allumeur acoustique présentant une plus grande intensité d'oscillations dues aux ondes de choc, des pertes thermiques plus réduites au niveau du résonateur acoustique et, d'une façon générale, un fonctionnement optimisé plus stable et plus fiable que les dispositifs existants, qui contribue en particulier à réduire le temps nécessaire à I'allumage.

Ces buts sont atteints grâce à un allumeur acoustique (figure 1) pour I'allumage d'un mélange d'ergols dans la chambre de combustion d'un moteur- fusée à ergols liquides, comprenant une chambre de précombustion cylindrique comprenant une paroi cylindrique et des première et deuxième parois d'extrémité, une tuyère d'injection d'ergols débouchant dans la chambre de précombustion à travers la première paroi d'extrémité par un orifice de diamètre minimum dnl un injecteur d'ergol combustible disposé à t'intérieur de ladite tuyère selon I'axe de celle-ci, au moins un orifice de sortie de diamètre minimum df, ménagé dans la paroi cylindrique, et un résonateur acoustique définissant une cavité débouchant dans la chambre de précombustion en regard de la tuyère, à travers la deuxième paroi d'extrémité, par une ouverture de diamètre dR, caractérisé en ce que le résonateur acoustique est entouré par un carter qui définit autour du résonateur acoustique une chambre auxiliaire fermée dont l'intérieur n'est en communication qu'avec la chambre de précombustion par au moins un conduit.

Selon une caractéristique préférentielle, le résonateur acoustique présente, à partir de son ouverture, une partie convergente essentiellement tronconique prolongée par une partie cylindrique de diamètre interne dc fermée par une paroi de fond essentiellement parallèle à la deuxième paroi d'extrémité de la chambre de précombustion, et la paroi de la partie cylindrique du résonateur acoustique est réalisée en un matériau métallique présentant une <BR> <BR> <BR> conductivité thermique k qui est inférieure à 25 W/m. °C, l'épaisseur 8 de ladite paroi cylindrique étant inférieure à 0,1 dc.

Avantageusement, la partie convergente du résonateur acoustique présente un angle de convergence y compris entre 10 et 24° et la partie cylindrique du résonateur acoustique présente un diamètre interne dc compris

entre 0,15 et 0,35 fois le diamètre dR de l'ouverture du résonateur acoustique et une longueur Ic comprise entre une et trois fois le diamètre dR de cette ouverture.

Selon un mode de réalisation optimisé, la chambre de précombustion présente un diamètre dCh supérieur à 2,2 dn, la distance A entre l'orifice de la tuyère et l'ouverture du résonateur acoustique est comprise entre 1,5 dn et 3,2 dn le diametre dR de l'ouverture du résonateur acoustique est compris entre 1,1 dn et 1,6 dnt et le diamètre minimum df de l'orifice de sortie est compris entre 2,0 dn/4n et 2,8 dn/4n, où n représente le nombre d'orifices de sortie et dn représente le diamètre de l'orifice de la tuyère.

De préférence, l'extrémité aval de l'injecteur d'ergol combustible est située dans une partie convergente de la tuyère.

L'invention a également pour objet un procédé d'allumage à I'aide d'un allumeur acoustique selon l'invention, caractérisé en ce qu'il consiste dans une première étape à introduire sous pression un gaz neutre à travers la tuyère de telle sorte qu'une partie au moins du jet de gaz neutre détendu à la sortie de la tuyère est introduite dans le résonateur acoustique par l'ouverture pour tre échauffée par les oscillations dues aux ondes de choc jusqu'à une température qui permette I'allumage d'un mélange d'ergols introduit lors d'une deuxième étape, et dans cette deuxième étape, lorsque ladite température est atteinte, à introduire un ergol oxydant à travers la tuyère et un ergol combustible à travers l'injecteur pour former avec le gaz neutre un mélange d'ergols qui pénètre à l'intérieur du résonateur acoustique pour prendre feu au contact des gaz chauds et créer une flamme assurant ensuite I'allumage du mélange d'ergols dans 1'ensemble de la chambre de précombustion.

Le gaz neutre peut tre de t'azote ou, de préférence, de I'hélium.

A titre d'exemple, I'ergol oxydant peut tre de l'oxygène et l'ergol combustible peut tre de t'hydrogène.

Selon un mode particulier de réalisation, lors de la deuxième étape, I'ergol oxydant et l'ergol combustible sont injectés simultanément respectivement à travers la tuyère et l'injecteur.

Selon un autre mode de réalisation particulier de réalisation, lors de la deuxième étape, t'ergol oxydant et l'ergol combustible sont injectés en alternance respectivement à travers la tuyère et l'injecteur.

Brève description des dessins.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un allumeur acoustique conforme à la présente invention, -la figure 2 est une vue, en coupe axiale, d'un premier type d'allumeur de I'art antérieur et -la figure 3 est une vue, en coupe axiale, d'un deuxième type d'allumeur de I'art antérieur.

Descnption détaxée de modes particuliers de realisation.

On se référera à la figure 1 sur laquelle est représenté un exemple d'allumeur acoustique selon l'invention. Cet allumeur acoustique comprend une chambre cylindrique 1 de précombustion comportant une paroi cylindrique 111 et des parois d'extrémité essentiellement planes 112,113. Un ou plusieurs orifices de sortie 102 présentant chacun un diamètre minimum df, sont ménagés dans la paroi cylindrique 111. Une tuyère 103 d'injection d'ergois débouche dans la chambre de précombustion 101, à travers la paroi 112, par un orifice 131 de diamètre minimum dn Un tube 104 d'injection d'un ergol combustible est disposé à l'intérieur de la tuyère 103, selon I'axe de celle-ci et présente une extrémité aval 141 située dans la partie convergente 132 de la tuyère 103. Un résonateur acoustique 105 définit une cavité débouchant dans la chambre 101, à travers la paroi 113, par une ouverture 151 de diamètre dr Le fait que l'extrémité du tube 104 formant injecteur se termine à l'intérieur de la tuyère 103, au niveau de la partie convergente 132, et en retrait par rapport à l'orifice 131, permet d'effectuer un meilleur mélange de gaz avant I'allumage et évite de perturber la structure des ondes de choc créées avant I'allumage entre la tuyère 103 et le résonateur 105. La position en retrait de l'extrémité aval de l'injecteur 104 permet en outre d'éviter un allumage discontinu ou l'apparition d'explosions au sein de la chambre 101.

Les ondes de choc créées au sein du résonateur acoustique 105 creux sont d'autant plus intenses que ce résonateur présente, à partir de son ouverture 151, une partie convergente 152 essentiellement tronconique, prolongée par une partie cylindrique 153, de diamètre interne dc, fermée par une paroi de fond 154 essentiellement parallèle aux parois d'extrémité 112, 113, de la chambre 101.

Selon l'invention, le fonctionnement du résonateur acoustique 105 est amélioré, du fait que celui-ci est entouré par un carter 106 qui définit autour du résonateur 105 une chambre auxiliaire 160 fermée dont l'intérieur n'est en communication qu'avec la chambre de précombustion 101 par un ou plusieurs conduits 107 de faible section. Un espace libre est ménagé dans la chambre auxiliaire 160 entre la paroi de celle-ci et la paroi extérieure du résonateur 105.

Le carter 106 empche que la chaleur créée au sein du résonateur 105 soit dissipée vers 1'environnement extérieur. Le ou les conduits 107 permettent aux oscillations acoustiques de pénétrer à l'intérieur du carter 106, ce qui permet un échauffement du gaz additionnel ayant pénétré dans l'espace libre entre la paroi du carter 106 et celle du résonateur 105. Ceci conduit à réduire le temps nécessaire à l'allumage.

La partie cylindrique 153 du résonateur 105 est réalisée en un <BR> <BR> <BR> matériau métallique présentant une conductivité thermique x qui est inférieure à 25 W/m. °C. L'épaisseur de la paroi de cette partie cylindrique 153 est de préférence inférieure à 0,1 dc où dc est le diamètre interne de la partie cylindrique 153. L'utilisation de parois métalliques favorise la réflexion des ondes de choc et accroît la résistance mécanique aux efforts exercés de façon cyclique. Le choix d'une épaisseur réduite et d'une faible conductivité thermique permet de diminuer t'énergie nécessaire pour échauffer les parois avant l'instant d'allumage et empche l'apparition d'un flux de chaleur significatif le long du résonateur entre le fond chaud de la partie cylindrique 153 du résonateur 105 et l'ouverture d'entrée froide 151 de la partie convergente 152 du résonateur 105.

Ceci contribue à réduire le temps nécessaire à l'allumage.

Le temps nécessaire à I'allumage est d'autant plus réduit que les caractéristiques géométriques du résonateur 105 sont optimisées. Ainsi, il a été observé qu'en pratique les oscillations dues aux ondes de choc à l'intérieur du résonateur 105 sont intensifiées si l'on adopte les valeurs suivantes pour les différents paramètres définissant le résonateur 105 :

-angle de convergence y de la partie convergente 152 compris entre 10 et<BR> <BR> <BR> <BR> 24°.

-diamètre inteme de la partie tubulaire cylindrique 153 compris entre 0,15dretO, 35dr.

-longueur de la partie tubulaire cylindrique 153 comprise entre dr et 3 d où dr désigne le diamètre de l'ouverture d'entrée 151 du résonateur 105.

Par ailleurs, les oscillations des ondes de choc dans le résonateur 105 sont favorisées si l'on adopte pour les divers paramètres définissant la structure d'ensemble de I'allumeur, des valeurs déterminées de la façon suivante : -le diamètre dCh de la chambre de précombustion 101 est supérieur à 2,2 dn. <BR> <BR> <BR> <P>-la distance A entre l'orifice 131 de la tuyère 103 et l'ouverture 151 du résonateur 105 est comprise entre 1,5 dn et 3,2 dn.

-le diamètre dr de l'ouverture 151 du résonateur 105 est compris entre 1,1 dn et 1, 6 dn et -le diamètre minimum df de l'orifice de sortie 102 est compris entre 2,0 d/,/n et 2,8 dn Nn. où n représente le nombre d'orifices de sortie 102 et dn représente le diamètre de l'orifice 131 de la tuyère 103.

L'invention conceme encore un procédé d'allumage et de production de flamme à I'aide d'un allumeur acoustique du type décrit plus haut, lequel procédé contribue à la fois à réduire le temps nécessaire avant l'apparition de I'allumage et à prolonger et stabiliser l'inflammation produite au moment de l'allumage.

Selon ce procédé, dans une première étape, on introduit sous pression un gaz neutre à travers la tuyère 103 de telle sorte qu'une partie au moins du jet de gaz neutre détendu à la sortie de la tuyère 103 est introduite dans le résonateur 105 par l'ouverture 151 pour tre échauffée très fortement par les oscillations dues aux ondes de choc.

Dans une deuxième étape, on injecte en plus du gaz neutre un ergol oxydant à travers la tuyère 103 et un ergol combustible à travers l'injecteur 104.

Ce mélange de gaz s'enflamme aux contacts des parois chaudes du résonateur

et du gaz neutre échauffé, et crée une flamme qui se propage dans la chambre de précombustion 101, puis par passage à travers le ou les orifices de sortie 102, le jet de flamme est dirigé vers la chambre de combustion principale (non représentée) pour assurer I'allumage de t'ergol principal d'un moteur-fusée.

La mise en oeuvre d'un gaz neutre diminue la température de la combustion et permet ainsi d'augmenter la durée de vie de l'injecteur 104 ainsi que la durée et la stabilité de la flamme créée.

Le gaz neutre peut tre constitué par exemple par de I'azote ou de préférence par de t'hélium qui permet de réduire de façon plus sensible le temps nécessaire avant l'allumage.

Lors de la deuxième étape de la mise en oeuvre du procédé, selon un premier mode de réalisation, l'ergol oxydant, tel que de l'oxygène et l'ergol combustible tel que de l'hydrogène, sont injectés simultanément respectivement à travers la tuyère 103 et l'injecteur 102.

Selon un autre mode de réalisation, lors de cette deuxième étape, I'ergol oxydant et l'ergol combustible sont injectés en alternance respectivement à travers la tuyère 103 et l'injecteur 102.