Chambre de combustion
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Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion entre des éléments chimiques déterminés. Cette enceinte est conçue pour obtenir, à partir des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) issus de la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.), un travail ou une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...), avant qu'ils ne soient évacués.

Moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) d'astronautique (L'astronautique ou spationautique ou cosmonautique, est constituée par l'ensemble des sciences et des techniques visant à envoyer dans l'espace extraterrestre un...)

Une chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion entre des éléments chimiques déterminés. Cette enceinte est...), dans le domaine de l'astronautique, est une enceinte dans laquelle se produit une combustion entre ergols. Dans un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la...) à propergol (Un propergol, dans le domaine de l'astronautique, est un produit constitué par un ou plusieurs ergols, soit séparés soit réunis, pour former un mélange ou un composé, apte à fournir par réaction...) solide, la chambre est constituée par le propulseur lui-même. Le terme correspondant en anglais est combustion chamber.

Fonctions

La chambre de combustion doit assurer les fonctions suivantes:

  • mélanger les ergols venant du système d'alimentation
  • permettre la réaction chimique entre ces ergols
  • accélérer les gaz de combustion vers la tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé aussi divergent) de section conique (fusées de feu d'artifice) ou oblongue (tuyères de missiles, et...)

Composition

Elle est constituée des deux sous-ensembles suivants:

  1. le système d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :)
  2. le corps de chambre
Schéma de la chambre de combustion

La platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) d'injection

La platine d'injection contient les trous avec chaque injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de combustion.). Le motif de ces trous est très important pour assurer l'efficacité de la combustion dans le corps de chambre. En effet, cette efficacité est très liée à la distribution du spray (Le Spray était le nom du voilier utilisé par Joshua Slocum pour accomplir son tour du monde en solitaire qui l'a rendu célèbre.) de propergol (masse, rapport de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...), taille des gouttes); il faut donc assurer l'uniformité de l'injection, la vaporisation la plus complète des ergols dans la chambre et éviter les impacts de gouttes d'ergols sur les parois de la chambre (ce qui peut conduire à une érosion de ces parois ou à des réactions chimiques très rapides et incontrôlées).

Les injecteurs

Il existe trois principaux types d'injecteur. Le plus connu d'entre eux est l'injection séquentielle dont nous avons quelques images sur les sortes d'injections. Les injecteurs assurent la vaporisation de chaque ergol (Un ergol, dans le domaine de l'astronautique, est une substance homogène employée seule ou en association avec d'autres substances et destinée à fournir de l'énergie. Les ergols sont les produits...) dans la chambre et permet leur mélange. Il en existe différents types.

Les différents types d'injecteurs

Chacun a ses avantages et inconvénient:

  • unlike doublet: il assure un bon mélange et il simple de fabrication; néanmoins il est très sensible aux défauts de conception et engendre des gradients de mélange susceptibles d'endommager les parois. De plus, avec les ergols hypergoliques, la structure du jet est difficile à maintenir. C'est le type d'injecteur le plus souvent utilisé pour les ergols stockables (par exemple sur le moteur d'ascension du LEM). L'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) typique des injecteurs est de 60°.
  • unlike triplet: par rapport au précédent, on obtient un mélange axial.
  • coaxial: on obtient un très bon mélange avec une faible chute de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.). Lorsque le tube intérieur est en hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.), l'efficacité est encore améliorée. Néanmoins, ces injecteurs sont difficiles à usiner.
  • pommeau de douche: très facile à réaliser, il ne permet cependant pas un bon mélange.

Il existe aussi d'autres variantes d'injecteurs; Certains sont plus capables que d'autres d'utiliser l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) disponible dans l'écoulement pour assurer le mélange et la vaporisation des ergols. En revanche, cela se fait au détriment de la stabilité de la combustion et de la compatibilité avec les parois. C'est donc un compromis à trouver entre l'efficacité de l'injecteur et le choix de motif de la platine d'injection. Au final, on peut les classer en quatre catégories:

  • injecteurs par impact dissemblable (unlike impinging): l'atomisation et le mélange se font par impact direct des jets d'oxydants et de réducteurs. Le mélange est mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) par un échange dissipatif de quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se conservent lors des interactions entre...). Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) se fait donc au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions...) proche du point (Graphie) d'impact. Par conséquent, la combustion a lieu très proche des injecteurs et produit des flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme...) thermiques importants sur ces éléments et sur les écoulements qui en sortent, provoquant (notamment pour les ergols hypergoliques) la destruction de l'écoulement.
  • injecteurs par impact semblable (like impinging): l'atomisation des jets se fait de la même manière que précédemment, c'est-à-dire par impact direct mais cette fois entre deux jets de même nature (deux jets de réducteurs s'impactent entre eux et deux jets d'oxydants entre eux). Le mélange des deux sprays ainsi obtenus se fait alors en aval. Cette méthode est utilisée particulièrement pour les gros injecteurs LOX/RP-1 (notamment le F1 de Saturn).
  • injecteurs sans impact (non-impinging): le coaxial et le pommeau de douche font partie de cette catégorie. Il est utilisé pour mélanger un ergol gazeux avec un ergol liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), le mélange se faisant par friction des deux jets. Le pommeau de douche a été utilisé dès le début sur les V2 puis sur un des moteurs du X15. Actuellement, il est encore utilisé sur la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) des platines d'injection afin d'assurer le refroidissement par film (film cooling) des parois de la chambre.
  • injecteurs hybrides: font partie de cette catégorie l'injecteur par pointeau (Le pointeau est un poinçon (généralement en acier) qui sert à marquer l'empreinte pour un trou à percer.) et le "splash-plate".

La stabilité de combustion

Les instabilités de combustion résultent d'un couplage entre le processus de combustion et la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des différents fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et...). Ce couplage est essentiellement déterminé par les injecteurs. Ces instabilités ont le plus souvent un effet néfaste sur le comportement du propulseur et doivent donc être éliminées.
Différents types d'instabilités existent:

  • le "chugging": il intervient dans une gamme de 50Hz à 250Hz. C'est le couplage entre le système d'alimentation en ergols et la chambre de combustion.
  • le "buzz": il intervient dans une gamme de 100Hz à 900Hz. C'est là aussi un couplage entre le système d'alimentation et la chambre de combustion. Il se manifeste néanmoins sous forme d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.).
  • instabilités acoustiques: elles sont dans la gamme >500Hz et n'interviennent que dans la chambre de combustion sous forme d'ondes.
  • instabilités hybrides: là aussi dans la gamme >500Hz; elles interviennent à la fois dans la chambre de combustion et le système d'alimentation avec propagation sous forme d'ondes.

Les instabilités par "chugging", "buzz" et hybrides sont supprimées en procédant à des ajustements sur le système d'alimentation et d'injection. Les instabilités acoustiques sont supprimées en rajoutant des éléments dans la chambre de combustion.

Moteurs à combustion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...)

Système d'injection

Il assure l'introduction de l'oxydant et du réducteur dans la chambre. Les deux types d'injecteurs sont :

  • Injection monopoint
  • Injection multipoint

Et les trois sous-groupes:

  • Injection simultanée
  • Injection groupée
  • Injection séquentielle

L'injection séquentielle :

Dans le système multipoint à injection séquentielle, l'ordre de l'injection est déterminé pas l'ordre d'allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une élévation de température permettant de porter une partie de sa masse au-dessus de sa température d'inflammation (ti-380°C).). L'injection s'effectue habituellement durant ou peu avant l'ouverture de la soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la demande .) d'admission. Cette façon de procéder assure une distribution égale de l'essence à chacun des cylindres. À nouveau, les stratégies adoptées par les fabricants peuvent varier. À titre d'exemple, l'injection peut s'effectuer simultanément si la tension (La tension est une force d'extension.) de la batterie est trop basse ou si le micro-ordinateur perçoit une anomalie. Dans d'autre cas, l'injection s'effectue simultanément lorsque le besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et...) en essence est plus important.

L'injection simultanée :

Dans les systèmes multipoints à injection simultanée, le micro-ordinateur ouvre tous les injecteurs simultanément sans egard à la position de la soupape d'admission ou à la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) du cycle de fonctionnement du moteur. Le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) pulvérisé demeure "en attente" jusqu'à ce qu'il soit aspiré dans la chambre de combustion lors de l'ouverture de la soupape d'admission. La commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) de l'ouverture des injecteurs peut s'effectuer une fois par deux tours du moteur ou à chaque tour lorsque les conditions commandent l'enrichissement du mélange.

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