pré-brûleur

Une pré-chambre est une petite chambre de combustion dans un moteur de fusée à ergols liquides qui brûle une partie des ergols du moteur pour générer un gaz chaud et à haute pression. Ce gaz entraîne une turbopompe, qui pressurise et force les ergols principaux dans la chambre de combustion primaire à la vitesse et à la pression nécessaires pour un fonctionnement stable du moteur. Sans la pré-chambre, il n'y aurait aucun moyen de déplacer les ergols dans la chambre principale contre l'énorme contre-pression du moteur lui-même.

Dans un système bipropellant typique, la pré-chambre utilise le même carburant et le même comburant que le moteur principal, mais dans des proportions différentes. Un moteur hydrogène-oxygène, par exemple, pourrait faire fonctionner sa pré-chambre avec un mélange très riche en carburant, produisant des gaz d'échappement plus froids qui sont moins dommageables pour les aubes de turbine. Ces gaz d'échappement, appelés gaz de décharge de turbine, font tourner la section de turbine de la turbopompe, puis s'écoulent dans la chambre principale pour contribuer à la combustion supplémentaire. La pré-chambre elle-même est beaucoup plus petite que la chambre principale, souvent de seulement quelques centimètres de diamètre, et fonctionne à une pression et une température inférieures à celles de la zone de combustion primaire.

La conception de la pré-chambre doit équilibrer plusieurs exigences contradictoires. La chambre doit mélanger et allumer ses ergols rapidement et de manière fiable, même pendant les transitoires de démarrage lorsque les pressions changent rapidement. Le temps de séjour, généralement de quelques millisecondes seulement, doit être suffisamment long pour une combustion complète mais suffisamment court pour éviter les contraintes thermiques sur les parois de la chambre. Le choix des matériaux est essentiel; les pré-chambres sont exposées à des températures de 800 à 1200 degrés Celsius, selon le rapport de mélange et le type d'ergol, et doivent survivre à des milliers de secondes de fonctionnement sur plusieurs essais ou vols.

Les défaillances de la pré-chambre représentent une fraction significative des anomalies d'essai des moteurs de fusée à ergols liquides et des pertes de vol. Les modes de défaillance courants incluent l'instabilité de combustion, qui peut provoquer de violentes oscillations de pression et une fatigue structurelle; les points chauds où les jets d'ergols ne se mélangent pas uniformément, provoquant une fusion localisée de la paroi de la chambre; et l'érosion des orifices d'injecteur par les produits de combustion, ce qui modifie au fil du temps le motif de pulvérisation et le mélange. Le contrôle du rapport d'ergols de la pré-chambre est essentiel au fonctionnement du moteur et est généralement maintenu dans des tolérances étroites, souvent à l'aide de petites vannes à bille ou d'orifices variables dans la ligne d'alimentation en carburant ou en comburant.

Le terme «pré-chambre» distingue cette chambre de la «combustion principale» ou «chambre principale» où se produit la majeure partie de la combustion des ergols et où la poussée est produite. Dans certains moteurs, en particulier les cycles à combustion étagée, la pré-chambre est pressurisée à des niveaux élevés et ses gaz d'échappement effectuent un travail important, estompant la distinction entre pré-chambre et chambre principale. Dans d'autres conceptions, comme le cycle à générateur de gaz, l'équivalent de la pré-chambre est appelé générateur de gaz et ses gaz d'échappement sont évacués plutôt que d'être acheminés vers la chambre principale, ce qui en fait moins un système intégré et plus une source d'énergie autonome pour la turbopompe.