La présente invention concerne les statoréacteurs et, plus spécia- lement, les statoréacteurs dits mixtes, c'est-à-dire ceux dans lesquels la combustion passe d'une vitesse subsonique à une vitesse supersonique dans la mme chambre de combustion.

De tels statoréacteurs sont utilisés pour la propulsion d'aéronefs, tels que des missiles par exemple, et ils utilisent comme combustible un hydrocarbure jusqu'à une vitesse de vol de Mach 8 environ, puis de l'hy- drogène à un nombre de Mach supérieur.

Les chambres de combustion de ces statoréacteurs mixtes sont soumises à des conditions de fonctionnement très sévères, puisqu'elles subissent des flux thermiques pouvant s'élever jusqu'à 10 MW/m2. De tels flux thermiques, dans une section fermée comme celle d'une chambre de combustion, conduisent à des températures très élevées (supérieures à 2500°C) qu'aucun matériau d'emploi courant ne peut supporter, surtout sous quelques bars de pression et dans un flux de gaz chauds encore oxy- dants.

Par ailleurs, du point de vue de la performance du statoréacteur, plus le nombre de Mach de vol augmente, plus il est important de limiter les pertes thermiques à la paroi. Celles-ci représentent en effet une part de plus en plus grande de l'énergie dégagée par la combustion et réduisent donc sensiblement la poussée.

Toutes ces raisons conduisent à équiper la paroi des chambres de combustion des statoréacteurs mixtes avec des structures refroidies par circulation d'un fluide de refroidissement constitué par le combustible lui- mme. L'énergie perdue par les gaz chauds dans la chambre au voisinage des parois est ainsi, pour une grande partie, captée par le combustible de

refroidissement. Celui-ci s'échauffe, se décompose éventuellement et l'énergie qu'il a emmagasinée est restituée à l'écoulement propulsif lors de son injection comme combustible chaud dans ladite chambre. Dans le cas d'un hydrocarbure, la température et la nature des composés ainsi injectés peuvent faciliter en outre l'allumage et le processus de combustion.

Les solutions mises en oeuvre de façon connue (voir par exemple les documents FR-A-2 744 174, FR-A-2 782 378 et FR-A-2 774 432) pour un tel refroidissement régénératif de calories consistent à réaliser les structures refroidies sous forme de panneaux (métalliques la plupart du temps) équipés de canaux dans lesquels circule le combustible de refroi- dissement.

La réalisation de ces panneaux nécessite : - l'usinage des canaux dans lesdits panneaux, et - le brasage, le soudage, l'électrodéposition, la projection par plasma,... d'une plaque sur lesdits panneaux pour fermer le circuit.

Dans le cas d'une structure métallique, la température de la paroi chaude ne doit pas dépasser 1000°C. De ce fait, compte tenu des flux thermiques en présence, et du débit de combustible imposé par les per- formances du statoréacteur et la mission de l'aéronef, il est nécessaire de disposer d'un système efficace et complexe : - canaux de petites dimensions, - espace inter-canal le moins grand possible pour limiter les ponts thermi- ques et les risques de point chauds, - adjonction de barrière thermique supplémentaire, - amélioration des échanges thermiques dans les canaux (rugosités, forme étudiée, obstacles, treillis composé de fils entremlés,...).

Etant donné leurs températures maximales admissibles plus éle- vées (environ 1800K), l'utilisation de matériaux composites thermostruc- turaux du type C/SiC ou C/C permet de réduire les flux thermiques à éva-

cuer. Ces matériaux composites sont donc particulièrement intéressants à utiliser dans le cas où le débit ou les caractéristiques frigorifiques du com- bustible sont limitées. En effet, un hydrocarbure ne peut guère évacuer plus de 4 à 5 MJ/kg (à condition qu'il se décompose de façon endother- mique, sinon il se limite à 1 MJ/kg) alors que l'hydrogène atteint une va- leur de 15 MJ/kg.

Les marges liées à l'utilisation d'un matériau composite ther- mostructural permettent d'avoir une structure avec des canaux plus gros et éventuellement moins nombreux. Une telle technologie peut donc s'ap- pliquer aux parois des différents constituants d'un statoréacteur mixte.

Cependant, dans tous les cas, la fabrication des canaux dans le matériau composite pose de nombreux problèmes, tels que : - usinage assez difficile du carbure de silicium ; -collage ou brasage d'une seconde plaque sur les canaux, avec des tem- pératures pouvant dépasser 1000°C et des pressions internes de 30 à 150 bars ; - mise en place entre les mailles de la préforme composite de tuyaux, par exemple en tungstène, formant les canaux (cf. US-A-5 583 895).

Par ailleurs, les statoréacteurs mixtes n'ayant généralement pas une forme de révolution, mais étant au contraire prismatiques, et devant présenter une section de passage évolutive, il en résulte des difficultés supplémentaires liées à l'utilisation de canaux : pour bien refroidir les pa- rois de largeur variable, un agencement particulier doit tre défini, avec une évolution des largeurs, des espacements, du nombre des canaux. Un tel système, associant des canaux de géométrie variable et des affluents, est complexe à concevoir et à fabriquer.

En outre, l'assemblage étanche de panneaux pour constituer la structure prismatique de ces statoréacteurs soulève des difficultés techni- ques importantes.

Enfin, on remarquera que le document US-3 279 194 décrit un moteur de propulsion par réaction dans lequel du combustible est utilisé comme fluide de refroidissement de double-parois.

La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et elle concerne un statoréacteur de structure sim- ple, pouvant tre réalisé en une seule pièce, ou en un nombre limité de pièces, sans usinage de canaux pour circulation de fluide de refroidisse- ment.

A cette fin, selon l'invention, le statoréacteur ayant un corps allongé comportant : - à l'une des extrémités dudit corps, une entrée pour un flux de combu- rant ; - en partie intermédiaire dudit corps, une chambre de combustion, qui est pourvue d'au moins un injecteur de combustible et dans le coeur de la- quelle sont effectués le mélange comburant-combustible et la combus- tion dudit mélange, la paroi de ladite chambre de combustion étant constituée au moins en partie par une peau interne disposée du côté dudit coeur et par une peau externe espacée de ladite peau interne en ménageant avec elle un espace intermédiaire et ledit combustible ali- mentant ledit injecteur transitant, au moins en partie, par ledit espace intermédiaire pour refroidir ladite paroi ; et - à l'autre extrémité dudit corps, une tuyère d'échappement canalisant les gaz de combustion sortant du coeur de ladite chambre de combus- tion, est remarquable en ce que : -ladite peau interne est réalisée au moins en partie en un matériau composite thermostructural, qui est poreux pour ledit combustible tra- versant ledit espace intermédiaire ; et

- la porosité de ladite peau interne est réglée pour que la proportion dudit combustible traversant ladite peau interne soit comprise entre 5% et 15% de la quantité totale de combustible apportée audit statoréacteur.

Ainsi, dans le statoréacteur de la présente invention, le combusti- ble utilisé pour le refroidissement circule dans ledit espace intermédiaire, ce qui évite l'usinage de canaux dans la ou les parois correspondantes. De plus, une partie dudit combustible utilisé pour le refroidissement traverse ladite peau interne poreuse et passe dans le coeur de la chambre de com- bustion, où il participe à la combustion, tout comme le combustible injecté par les injecteurs. De plus, le combustible traversant la peau interne po- reuse a pour effet d'écarter les gaz de combustion de cette peau interne et donc de réduire sensiblement la traînée de frottement desdits gaz de combustion contre ladite peau interne. Il en résulte une sensible améliora- tion des performances du statoréacteur. Ainsi, dans le statoréacteur de la présente invention, le combustible utilisé pour le refroidissement non seu- lement récupère des calories de la combustion, mais encore améliore les performances dudit statoréacteur.

On remarquera que, dans le statoréacteur de la présente invention, on utilise les matériaux composites--à matrice carbone ou à matrice cé- ramique--non seulement pour leurs propriétés mécaniques et de résis- tance thermique bien connues, mais encore pour leur porosité intrinsèque, qui est généralement plutôt considérée comme un inconvénient, comme cela est décrit dans le document US-A-5 583 895.

Grâce aux excellentes propriétés mécaniques et de résistance thermique des matériaux composites, le statoréacteur conforme à la pré- sente invention peut présenter une masse très réduite par rapport aux sta- toréacteurs métalliques connus. Grâce à la porosité de ces matériaux composites, on peut réaliser une peau poreuse simple, bien que présentant une grande résistance à la chaleur. De façon connue, la porosité de ladite

peau peut tre adaptée, à toute valeur désirée, lors de la densification de la matrice du matériau composite qui la constitue. Bien entendu, un tel ajustement de la porosité permet de régler la proportion de combustible de refroidissement qui traverse ladite peau interne poreuse pour abaisser la traînée de frottement à l'intérieur du coeur de la chambre de combustion.

De préférence, ladite peau externe est également constituée d'un matériau composite thermostructural. Dans ce cas, si cela se révèle né- cessaire, ladite peau externe peut tre rendue étanche aux liquides et aux gaz, par exemple par application d'un revtement approprié.

Dans un mode de réalisation préféré, lesdites peaux interne et ex- terne de matériau composite thermostructural sont reliées l'une à l'autre par une pluralité d'entretoises filiformes de matériau composite ther- mostructural traversant ledit espace intermédiaire, sans l'obturer.

Bien que le statoréacteur et la chambre de combustion conformes à la présente invention puissent présenter toutes formes désirées, par exemple de révolution autour d'un axe longitudinal, il est avantageux que : - la chambre de combustion soit constituée d'une seule pièce de forme générale prismatique, dans laquelle les parois sont toutes solidaires les unes des autres et forment une surface fermée. Par exemple, ladite chambre de combustion comporte quatre parois deux à deux opposées, lui conférant une section fermée rectangulaire ; ou -ladite chambre de combustion ait une forme générale prismatique et soit constituée de deux pièces, avec au moins l'une desdites parois mobile par rapport à l'ensemble des autres qui sont solidaires les unes des autres. Par exemple, ladite chambre de combustion comporte qua- tre parois deux à deux opposées, trois desdites parois étant solidaires les unes des autres en formant une goulotte à section en forme de U, tandis que la quatrième paroi est montée mobile à l'intérieur de ladite goulotte.

Avantageusement, lesdites extrémités dudit corps de statoréac- teur, formant respectivement l'entrée du flux de comburant et la tuyère d'échappement des gaz de combustion, sont constituées de matériau composite thermostructural et sont solidarisées de ladite chambre de combustion. Lesdites extrémités dudit corps de statoréacteur peuvent mme ne former qu'une seule pièce de matériau composite thermostructu- ral, dans laquelle est incorporée ladite chambre de combustio. n conforme à la présente invention.

Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut tre réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.

La figure 1 montre, en vue en perspective schématique avec arra- chement partiel, un exemple de réalisation du statoréacteur conforme à la présente invention.

La figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique sui- vant la ligne II-II de la figure 1.

La figure 3 est une vue en coupe transversale schématique suivant la ligne III-III de la figure 1.

La figure 4 est une vue en coupe schématique partielle, à échelle agrandie, de la paroi de la chambre de combustion du statoréacteur des figures 1 à 3, illustrant l'alimentation de ce dernier en combustible.

La figure 5 est un diagramme illustrant la variation de l'impulsion spécifique en fonction de la quantité de combustible passant à travers la peau interne de la chambre de combustion.

Les figures 6A à 6G illustrent schématiquement, sans souci d'échelle, un mode de réalisation de la chambre de combustion du stato- réacteur des figures 1 à 3, les figures 6B à 6G correspondant à la ligne de coupe transversale T-T de la figure 6A.

Les figures 7A à 7D illustrent schématiquement, à plus grande échelle, les étapes de procédé permettant de passer de l'état de la figure 6E à l'état de la figure 6G, la figure 7A correspondant à la ligne de coupe VIIA-VIIA de la figure 6E et la figure 7D à la ligne de coupe VIID-VIID de la figure 6G. Sur ces figures 7A à 7D, à des fins de clarté, les deux tron- çons de fil de chaque point de piquage sont représentés très espacés l'un de l'autre, mais il va de soi que, en réalité, ils sont proches l'un de l'autre.

Les figures 8 et 9 illustrent schématiquement, en coupe longitudi- nale et en coupe transversale, respectivement, un exemple de réalisation du statoréacteur des figures 1 à 3, après réalisation de la chambre de combustion conformément à la présente invention.

La figure 10 illustre schématiquement, en coupe transversale, une variante de réalisation de la chambre de combustion du statoréacteur conforme à la présente invention.

Le statoréacteur à géométrie variable pour aéronef, conforme à la présente invention et illustré schématiquement par les figures 1 à 3, com- porte un corps de statoréacteur allongé 1 constitué de quatre parois 2 à 5, deux à deux opposées. Les deux parois latérales opposées 2 et 3 sont planes et parallèles entre elles.

La paroi supérieure 4 est solidaire des deux parois latérales 2 et 3 et l'ensemble des parois 2,3 et 4 forme une goulotte renversée à section en U rectangulaire. La paroi supérieure 4 présente longitudinalement la forme générale d'un V ouvert à angle obtus. Elle comporte un flanc avant 6 et un flanc arrière 7, inclinés l'un par rapport à l'autre et reliés par une arte en pan coupé 8. Comme cela est illustré par les figures, les flancs avant 6 et arrière 7 peuvent chacun, en pratique, comporter des facettes légèrement inclinées les unes par rapport aux autres.

Des injecteurs de combustible 9 sont disposés au voisinage de l'arte 8, en étant suspendus à la paroi supérieure 4.

La paroi inférieure 5, dont la longueur est inférieure à la longueur de la paroi supérieure 4, présente également la forme générale d'un V ouvert à angle obtus. Elle est logée dans la goulotte formée par les parois 2,3 et 4 et inversée par rapport à la paroi supérieure 4. Elle comporte un flanc avant 11 et un flanc arrière 12, inclinés l'un par rapport à l'autre et reliés par une arte 13.

Ainsi, dans le statoréacteur des figures 1 à 3, entre les parois laté- rales 2 et 3 : - la chambre de combustion 14 est formée, en partie intermédiaire du corps 1, entre, d'une part, le flanc arrière 7 de la paroi supérieure 4 et, d'autre part, la partie du flanc avant 11 de la paroi inférieure 5, en re- gard dudit flanc arrière 7 ; - l'entrée 15 de comburant (air) est formée, à l'une des extrémités du corps 1, entre le flanc avant 6 de la paroi supérieure 4 et la partie du flanc avant 11 de la paroi inférieure 5, en regard dudit flanc avant 6 ; et - la tuyère d'échappement 16 est formée, à l'autre extrémité du corps 1, entre le flanc arrière 7 de la paroi supérieure 4 et le flanc arrière 12 de la paroi inférieure 5.

Par ailleurs, la paroi inférieure 5 du statoréacteur 1 est montée mobile, de façon non représentée, entre lesdites parois latérales 2 et 3 pour pouvoir permettre de faire varier de façon progressive la géométrie de la chambre de combustion 14, de l'entrée de comburant 15 et de la tuyère 16, afin d'adapter le statoréacteur aux conditions de vol de l'aéro- nef sur lequel il est monté et d'ainsi obtenir la performance maximale de celui-ci en ce qui concerne soit la poussée, soit l'impulsion spécifique.

Comme cela est montré sur les figures 1 à 3 et illustré à plus grande échelle par la figure 4, la partie de la paroi supérieure 4 et/ou les parties des parois latérales 2 et 3 se trouvant en regard de la chambre de combustion 14 sont constituées d'une peau interne 17 de matériau com-

posite thermostructural délimitant le coeur 14C de la chambre de combus- tion 14 et d'une peau externe 18, également de matériau composite ther- mostructural, espacée de ladite peau interne 17, en ménageant avec elle un espace intermédiaire 19. La peau externe 18 est rendue étanche aux gaz, tandis que la peau interne 17 possède une porosité intrinsèque.

Un collecteur 20, monté sur les parois 2,3 et 4, est alimenté en combustible, comme cela est symbolisé par la flèche 21. Grâce à des ori- fices 22 prévus dans lesdites parois, le collecteur 20 peut à son tour introduire ledit combustible dans ledit espace intermédiaire 19, afin d'ali- menter les injecteurs 9, reliés à ce dernier. Ainsi, lesdits injecteurs 9 sont alimentés en combustible à travers l'espace intermédiaire 19, comme cela est illustré par les flèches 23. Le combustible transitant à travers l'espace intermédiaire 19 en direction des injecteurs 9 refroidit lesdites parois 2,3, 4. Il peut constituer la totalité ou seulement une partie du combustible adressé auxdits injecteurs.

Puisque ladite peau interne 17 est poreuse, une partie du combus- tible transitant à travers l'espace intermédiaire 19 en direction des injec- teurs 9 (flèches 23) passe à travers ladite peau interne 17 pour pénétrer dans le coeur 14C de la chambre de combustion 14, comme cela est illus- tré par les flèches 24. Le combustible traversant la peau interne 17 écarte de cette dernière les gaz (flèche 25) résultant de la combustion du com- bustible injecté par les injecteurs 9 (flèche 26), en présence du flux de comburant (flèche 27), et éjectés à travers la tuyère 16 (flèche 28).

Sur la figure 5, on a reproduit la courbe 29 illustrant la variation de l'impulsion spécifique Isp (en m/s) du statoréacteur 1, pour une configura- tion particulière, en fonction de la proportion du débit de combustible tra- versant la peau interne poreuse 17 (flèches 24), rapportée au débit total de combustible Q apporté dudit statoréacteur. On peut y voir qu'il est

avantageux que cette proportion soit supérieure à 5%, mais inférieure à 15 %, par exemple de l'ordre de 10%.

Les figures 6A à 6G et 7A à 7D illustrent schématiquement un mode de réalisation du statoréacteur conforme à la présente invention.

Pour ce faire, on commence par réaliser, par exemple en une ma- tière synthétique mousse susceptible d'tre piquée par une aiguille, un mandrin 30 (voir la figure 6A) présentant la forme intérieure de la chambre de combustion 14, c'est-à-dire celle de son coeur 14C. Puis, sur ce man- drin 30, on applique de toutes manières connues (bobinage, tissage, etc...) une structure 31 de fibres à haute résistance, telles que des fibres à base de carbone, de silice ou de carbure de silicium, destinée à consti- tuer une armature fibreuse pour ladite peau interne 17 (voir la figure 6C).

Ensuite, sur les trois côtés de la structure fibreuse 31 correspondant aux parois 2,3 et 4, on applique une âme 32, par exemple en une mousse de polystyrène, non imprégnable par les résines destinées à former les matri- ces de matière composite, et représentative de l'espace intermédiaire 19 (voir la figure 6D). La matière de l'âme 32 est susceptible d'tre piquée par une aiguille et d'tre éliminée thermiquement.

Sur l'âme 32, on applique une structure 33 de fibres à haute résis- tance (C, SiC,...) destinée à constituer une armature fibreuse pour la peau externe 18 (voir la figure 6E).

Comme le montre à plus grande échelle la figure 7A, la structure fibreuse 31, l'âme annulaire 32 et la structure fibreuse 33 sont rendues solidaires les unes des autres par piquage sans nouage d'un fil continu 34, lui-mme constitué d'une pluralité de fibres à haute résistance (C, SiC,...).

Le fil continu 34 forme des tronçons 35,36 traversant les éléments 31, 32,33 et reliés alternativement les uns aux autres par des ponts 37, appliqués sur la structure fibreuse 33, et par des boucles 38, pénétrant dans le mandrin 30.

Après cette opération de piquage, le mandrin 30 est éliminé et les boucles 38 sont rabattues et pressées contre la structure fibreuse 31 pour former des amas 39 (voir la figure 7B), puis l'ensemble des structures fi- breuses 31 et 33 est imprégné par une résine durcissable, relativement peu visqueuse et éventuellement diluée, à l'alcool par exemple. L'impré- gnation est réalisée de préférence sous dépression, de façon que ladite résine pénètre, non seulement dans les structures fibreuses 31 et 33, mais encore le long et dans les tronçons de fil traversants 35,36. Au cours de cette imprégnation, l'âme 32 n'est pas imprégnée par la résine, puisqu'imperméable à celle-ci.

La résine imprégnée est ensuite durcie, par exemple par élévation de température, pendant une durée suffisante pour que les structures fi- breuses 31 et 33 deviennent des peaux rigides 40 et 41, respectivement, et que les tronçons de fil traversants 35 et 36 deviennent des entretoises rigides filiformes 42 (voir la figure 7C). Ces entretoises 42 sont fortement ancrées à leurs extrémités dans les peaux rigides 40 et 41, grâce aux ancrages rigides 43 et 44 formés, respectivement, à partir des amas 39 et des ponts 37. A ce stade du procédé de fabrication, il est possible d'élimi- ner, par exemple par sciage le long de la ligne 44, la partie 45 ne compor- tant pas d'âme 32, pour ne garder que la partie 46 en forme de goulotte.

Pour former la matrice de l'ensemble des peaux rigides 40 et 41 et des entretoises 42, on soumet ladite goulotte 46 à une pyrolyse à tempé- rature élevée, par exemple de l'ordre de 900°C, ce qui stabilise la géomé- trie dudit ensemble et élimine l'âme 32. Eventuellement, cet ensemble peut tre densifié et traité de manière connue pour que sa matrice de- vienne du type céramique. On obtient alors la pièce monolithique 50 (voir les figures 6G et 7D), destinée à former, au moins en partie, la chambre de combustion 14 et comportant :

- une peau externe 51 de matériau composite, issue de la peau 41 et destinée à former, au moins en partie, la paroi externe 18 de la cham- bre de combustion 14 ; - une peau interne 52 de matériau composite, issue de la peau 40 et des- tinée à former la paroi interne 17 de la chambre de combustion 14 ; et - une pluralité d'entretoises filiformes 53 de matériau composite, issues des entretoises 42.

Dans cette pièce monolithique 50, les peaux 51 et 52 sont espa- cées l'une de l'autre en délimitant un espace intermédiaire 54, traversé sans tre obturé par les entretoises 53 et destiné à former l'espace inter- médiaire 19 de la chambre de combustion 14.

On sait que, par nature, une matière composite est poreuse et que cette porosité dépend des conditions de formation de la matrice. On conçoit donc aisément que la porosité de la peau interne 52 peut tre ajustée pour communiquer à cette dernière la porosité exigée de la paroi interne 17. Ce faisant, on communique à la peau externe 51 une porosité identique à celle désirée pour la peau interne 52. Or la paroi externe 18 devant tre étanche, il peut tre avantageux de revtir extérieurement la peau externe 51 d'un revtement d'étanchéité 55, comme cela est repré- senté sur la figure 6G.

De plus, en tant que de besoin, un cordon de matériau composite 56 est rapporté le long des bords de la pièce 50 correspondant à la ligne de sciage 44, pour obturer de façon étanche l'espace intermédiaire 54.

Pour obtenir le corps de statoréacteur 1--à l'exclusion de la paroi 5 qui peut tre fabriquée indépendamment--on peut (voir les figures 8 et 9) placer la pièce 50 sur un mandrin 60 présentant la forme intérieure de l'ensemble des parois 2,3 et 4 et déposer sur ledit mandrin 60 et sur la- dite pièce 50--par bobinage, tissage,...--une structure fibreuse qui, après imprégnation, polymérisation, pyrolyse, densification, etc... devient une

coque 61 en forme de goulotte et enchâssant la pièce 50. Ainsi, ces deux pièces 50 et 60 de matériau composite thermostructural forme une pièce 62 représentative de l'ensemble du corps allongé 1, à l'exception de la paroi 5.

Bien que, dans l'exemple décrit ci-dessus, on ait supposé que, dans le corps de statoréacteur 1, la paroi 5 était indépendante de la gou- lotte formée par les parois 2,3, 4, il va de soi qu'un statoréacteur dans lequel la paroi 5 serait solidaire des parois 2,3 et 4 peut tre réalisé conformément à la présente invention. Dans ce cas (voir la figure 10), la pièce composite thermostructurale 63 représentative de la chambre de combustion 14 et correspondant à la pièce 50 ci-dessus, pourrait tre prismatique fermée et serait enchâssée dans une enveloppe composite thermostructurale fermée 64, de forme prismatique fermée,--corres- pondant à la coque 61--pour former une pièce composite thermostructu- rale 65 dont une des parois serait représentative de ladite paroi 5.