Chambre de combustion - Définition

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 issus de la combustion, un travail ou une force, avant qu'ils ne soient évacués.

Moteur d'astronautique

Une chambre de combustion, dans le domaine de l'astronautique, est une enceinte dans laquelle se produit une combustion entre ergols. Dans un moteur à propergol 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

Composition

Elle est constituée des deux sous-ensembles suivants:

1. le système d'injection
2. le corps de chambre

La platine d'injection

La platine d'injection contient les trous avec chaque injecteur. 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 de propergol (masse, rapport de mélange, 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 dans la chambre et permet leur mélange. Il en existe différents types.

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 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. Lorsque le tube intérieur est en hélice, 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 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 par un échange dissipatif de quantité de mouvement. Tout se fait donc au voisinage proche du point d'impact. Par conséquent, la combustion a lieu très proche des injecteurs et produit des flux 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, 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 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 et le "splash-plate".

La stabilité de combustion

Les instabilités de combustion résultent d'un couplage entre le processus de combustion et la dynamique des différents fluide. 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.
• 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

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. L'injection s'effectue habituellement durant ou peu avant l'ouverture de la soupape 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 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 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 du cycle de fonctionnement du moteur. Le carburant 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 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.