La tuyère fait partie du moteur de la fusée qui se
compose d’une chambre de combustion, d’une tuyère et d’un système
d’injection des propergols. Il constitue le groupe propulsif de la
fusée.
La chambre doit être suffisamment solide pour
résister à la pression et à la température générées par la
combustion. Elle est le lieu de la réaction.
La fonction de la tuyère est de convertir l’énergie
thermique issue de la chambre de combustion en énergie cinétique. Elle
convertit ainsi les gaz de faible vitesse et de pression et température
élevées en gaz de vitesse très importante mais de basses pression et
température.
La forme générale du contour d’une tuyère appelée
profil de veine, présente trois parties essentielles :
- le convergent qui canalise les gaz de combustion du
propergol ;
- le col qui, par le choix de ses dimensions, fixe le
point de fonctionnement du moteur ;
- le divergent qui augmente la vitesse d’éjection
des gaz au cours de leur détente et améliore, de ce fait, leur effet
propulsif.
Comme nous l'avons vu précédemment
(cf II B, la
poussée ), la poussée d'une fusée caractérise la performance de son
moteur. Cette poussée varie en fonction de la pression intérieure du
moteur : pour que la poussée soit optimale, il faut que la pression de
sortie soit égale à la pression extérieure : cette condition impose
donc une forme et une taille particulière de la tuyère.
Lorsque cette condition est vérifiée, la tuyère est
dite adaptée. (1)
Si la pression de sortie est inférieure à la pression
extérieure, la tuyère est trop longue, et le jet décolle de l’intérieur
du divergent. Il est sur-détendu. (2)
Dans le cas opposé, la tuyère est trop courte, le jet
éclate en sortie du divergent. Il est sous-détendu. (3)
Une tuyère est donc prévue pour fonctionner à une certaine
altitude. Dans le vide, cette contrainte n’existe pas. La poussée y est
toujours optimale.
D’autres paramètres conditionnent également la conception
et le dimensionnement d’une tuyère, telle que la durée de fonctionnement, la
nature du propergol, l’intégration de la tuyère à la chambre de combustion,
le contrôle du vecteur poussée (orientation de la poussée), ou encore les
performances, le coût, la fiabilité ou la durée de vie.
L’aire de sortie du divergent est notée As. L’aire au col est notée At.
Le rapport des aires est défini par e = As / At.
Vue sur la tuyère de la fusée Ariane.
B. Débit d’une tuyère
Une tuyère, comme tout orifice, laisse passer un débit qui
est proportionnel à la surface de passage (ici l’aire au col At) et à la
pression qui règne en amont (ici la pression de combustion po).
Le coefficient de proportionnalité s’appelle le
coefficient de débit et se note CD.
q étant le débit massique de la tuyère : q = CD po
At . ( q, le débit massique de la tuyère, a déjà été défini comme
étant le rapport dm/dt, pour obtenir l'expression F = qVe, cf II, B)
Le coefficient de débit ayant pour dimension l’inverse d’une
vitesse, on utilise plus généralement son inverse, appelé vitesse
caractéristique : C* = 1 / CD .
C. Coefficient de poussée
Pour des raisons pratique de calcul de dimensionnement de
chargements, il est utile d’introduire un coefficient de propotionnalité
entre la poussée d’une part, la pression chambre et l’aire au col d’autre
part.
Ainsi, nous pouvons écrire la relation : F = CF p0 At .
D'après le II, B F = qVe
On en déduit :
D. Calcul sur l’impulsion spécifique
On a établit dans le paragraphe II, C la formule de l’impulsion
spécifique Is = F / (g0 q) .
On peut désormais écrire la relation suivante, faisant apparaître une
liaison directe entre l’impulsion spécifique et coefficient de débit
CD :
Is = CF / (g0 CD) .
En effet, F = qVe et q = CD PO AT F = CF PO AT
Donc CF PO AT = Ve CD PO AT
Donc CF = Ve CD
