Brevet FR2074777A1 — publié le 19711008

L'invention est relative, d'une façon générale, aux générateurs de gaz chauds à propergol solide, c'est-à-dire aux appareils capables d'émettre un flux de gaz chauds (contenant éventuellement des phases condensées) résultant d'une réaction de combustion (par opposition à des réactions de déflagration ou dgexplosion) d'un propergol solide, cette dernière expression désignant un produit énergétique monolithique appelé parfois simplement "poudre" et qualifié dans le langage technique international de "solid propellant";; et elle concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus dlintértt, mais non exclusivement, parmi ces appareils, les allumeurs à propergol solide destinés à assurer la mise à feu de la charge propulsive d'un moteur-fusée à propergol solide, de tels allumeurs étant généralement appelés à fonctionner avec un débit important pendant un temps très bref pouvant être inférieur à 100 millisecondes. On sait que certains générateurs de gaz chauds à propergol solide utilisés dans les techniques aérospatiales doivent présenter des caractéristiques de fonctionnement (notanment en ce qui concerne leur débit et leur durée de combustion) bien précises et reproductibles avec fidélité pour tous les générateurs du même type. C'est le cas, notamment, des allumeurs à propergol solide pour moteurs-fusées également à propergol solide, de tels allumeurs devant être adaptés, d'une part, aux caractéristiques intrinsèaues du bloc de propergol solide dont ils doivent assurer l'allumage (nature-, géomé- trie, dimensions), et, d'autre part, aux conditions d'emploi du moteur-fusée qu'ils équipent et notamment de la rapidité plus ou moins grande souhaitée, en fonction de la mission de l'engin, pour la montée en pression dans la chambre de combustion du susdit moteur-fusée0 L'invention a pour but, surtout, de permettre la réalisation simple et précise d'un générateur de gaz chauds à propergol solide devant présenter des caractéristiques fonctionnelles bien définies et qui soit aisément reproductible. En d'autres termes, l'invention a pour but de simplifier consi- dérablement les travaux d'étude, de mise au point, d'adaptation et de reproduction d'un générateur de gaz chauds à propergol solide dont la destination est préalablement donnée, ce notamment lorsqu'il s'agit d'un allumeur à propergol solide destiné à la mise à feu de la charge propulsive d'un moteur-fusée également à propergol solide, ledit allumeur devant alors être adapté aux caractéristiques intrinsèques et d'utilisation de la susdite charge propulsive. le générateur de gaz chauds à propergol solide selon l'invention comporte une charge de propergol solide logée coaxialement dans une chambre de combustion et il est caractérisé par le fait que cette charge est établie sous forme d'une plaque déformable constituée en propergol solide et présentant, sur l'une de ses faces, des stries parallèles, ladite plaque déformable étant enroulée autour d'un support rigide contre lequel elle est appliquée et fixée (avantageusement par collage) par sa face non striée en ayant ses stries orientées parallèlement à l'axe d'enroulement (axe commun de la charge et de la chambre de combustion), le susdit support rigide étant constitué en un matériau non consommable danse les conditions de température et de durée de fonctionnement du générateur, I1 convient de préciser que le mot "stries" englobe ici aussi bien de simples fentes à ivres jointives pratiquées par exemple à l'aide d'un outil tranchant sans enlèvement de matière que de véritables créneaw usinés ou moulés dont les flancs en regard présentent un certain écart Une telle charge de propergol solide à surface d'allumage striée dans le sens de l'écoulement des produits de la combustion présente de nob::'.reux et réels avantages parmi lesquels on peut citer, notamment la surface d'allumage et de combustion importante pour un encombrement diamétral donné, en raison de la présence des stries, la section de passage également importante réservée aux produits de la combustion, toujours pour un encombrement diamétral donné, la simplicité de construction par coupage, enroulement et cor lage d'un élément plan de propergol dont les caractéristiques fene- tiornelles, bien définies, dépendent notamment de la profondeur, de la largeur et du pas des stries, ainsi que de la nature du propergol, la facilité d'adaptation de la charge aux performances souhaitées en jouant simplement sur l'étendue de la plaque de propergol enroulée, la possibilité de reproduire aisément et avec précision des charges de propergol présentant les mêmes caractéristiques, le problème de fidélité dans la reproduction dépendant simplement de la précision du découpage de la plaque déformable de propergol, et la comnodité d'enroulement de la plaque déformable de propergol ainsi que l'absence de contraintes dangereuses dans ladite plaque une fois celle-ci enroulée, ces derniers avantages résultant de la présence de stries parallèles à l'axe d'enroulement de la susdite plaque. En ce qui concerne alors le matériau constitutif des plaques de propergol striées, son approvisionnement ne pose aucun problème particulier étant donné qu'il existe sur le marché des propergols solides présentant les qualités mécaniques requises. Il s'agit en général de propergols solides composites (appelés aussi parfois "hétérogènes") constitués par des cristaux de comburant (perchiora- tes ou nitrates notamment) noyés dans un liant organique combustible tel que le polyuréthane, le polybutadiène, le polychlorure de vinyle,etc., avec éventuellement adjonction de poudres métalliques. Lorsque les stries sont de simples fentes à lèvres jointives, on peut les pratiquer simplement, à l'aide d'un outil tranchant, dans la plaque déjà élaborée. Lorsque les stries sont des créneaux d'une certaine largeur, on peut les former soit par moulage lors de l'élaboration de la plaque, soit par usinage une fois ladite plaque élaborée. Au point de vue dimensionnel et sans que. les indications données ci-après présentent le moindre caractère limitatif, il parant intéressant de signaler que des expériences satisfaisantes ont été effectuées avec des plaques déformables de propergol comportant une semelle pleine de 2 mm d'épaisseur au-dessus de laquelle s'étendaient des lamelles de propergol séparées par des stries parallèles dont la hauteur variait, d'une plaque à l'autre, entre 4 et 14 mm, les écarts entre les stries pouvant varier entre 1 et 3 mm. En ce qui concerne maintenant le support rigide sur lequel doit s1 adapter la plaque de propergol striée, support qui doit résister pendant toute la durée de fonctionnement du générateur en étant toutefois de préférence éliminé une fois ce fonctionnement achevé, on peut le constituer avantageusenent en bois, ou sous forme d'un élément métallique à paroi mince (par exemple en tôle d'aluminium), ou en un polymère approprié (résine acrylique, polystyrène, polyéthylène par exemple). Quant à l'enroulement de la plaque de propergol, on peut, suivant un premier mode de réalisation, l'effectuer autour d'un support rigide en forme de mandrin, par exemple en bois, auquel cas les stries peuvent avantageusement être de simples fentes à lèvres jointives qui s'évasent alors vers l'extérieur une fois l'enroule- ment réalisé. Irais on peut également, suivant un deuxième mode de réalisation, enrouler la plaque déformable de propergol contre la paroi interne d'un manchon, par exemple en tôle d'aluminium, auquel cas les stries peuvent avantageusement être des créneaux à section initiale (plaque plane) trapézoidale s'évasant vers ltextérieur avec un angle tel que, une fois la plaque enroulée, les susdits créneaux, ouverts vers l'axe du manchon, présentent des flancs parallèles, voire encore légèrement divergents. On pourrait encore, suivant un troisième mode de réalisation, constituer une charge "double", c'est-à-dire à deux surfaces d'inflammation crénelées opposées, en enfilant une charge sur mandrin (conforme au premier mode de réalisation) dans une charge logée dans un manchon (conforme au deuxième mode de réalisation). Un quatrième mode de réalisation consiste à attribuer à la plaque déformable de propergol une forme allongée (configuration en bande ou ruban) et à ltenrouler en spirale sur un mandrin ou dans un manchon, soit à spires jointives, soit et mieux encore à spires non jointives, cette dernière solution présentant l'intérêt de laiF ser subsister, tout le long de l'enroulement, un canal hélicoïdal favorisant l'évacuation des produits de la combustion. Et l'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins concernent des modes de réalisation de l'invention préférés mais non limitatifs. La fig. 1, de ces dessins, représente, en perspective schématique, une plaque déformable de propergol solide pour l'élaboration d'une charge de propergol destinée à un allumeur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; la fig. 2 représente, en coupe transversale schématique, la susdite charge de propergol élaborée; les fig. 3 et 4 représentent, sensiblement dans les mêmes conditions respectivement que les fig. 1 et 2, une plaque déformable de propergol solide et la charge élaborée correspondante, pour un deuxième mode de réalisation de l'invention; la fig. 5 est une vue en bout d'une charge de propergol solide pour allumeur conforme à un troisième mode de réalisation de lsinvention;; les fig. 6 et 7, enfin, sont des vues en perspective schémati ques montrant respectivement une bande déformable de propergol solide et une charge élaborée à l'aide de ladite bande conformément à un quatrième mode de réalisation de l'invention. La fig. 1 représente une plaque dfornable de propergol solide 1 destinée à être enroulée et collée sur un mandrin cyllnarique 2, en bois, montré en spectre sous la susdite plaque 1. Cette plaque est constituée par une semelle de poudre la surmontée par des lamelles de poudre lb séparées par des fentes lc à lèvres jointives. La fig. 2 représente, en coupe transversale, la charge d'un allumeur (pour moteur-fusée à propergol solide) constituée par enroulement et fixation par collage de la plaque déformable de poudre 1 sur le mandrin 2, les fentes lc, orientées radialement, présen- tant alors une forme en V ouvert vers l'extérieur, ce qui permet à la surface initiale d'allumage d'intéresser la totalité des flancs des lamelles lb. Les caractéristiques fonctionnelles d'un tel allumeur (débit et durée de combustion) dépendent des caractéristiques dimensionnelles de la plaque 1 (y compris les fentes lc), et, notamment, de sa surface, ainsi que de la nature du propergol. La fig. 3 représente une plaque 1 du même genre destinée à être enroulée et collée contre la paroi interne d'une douille ou virole 3, en tôle d'aluminium, montrée en spectre au-dessus de la susdite plaque. Cette plaque déformable de propergol est constituée par une semelle la à partir de laquelle s'étendent des lamelles lb séparées par des créneaux lc à flancs divergents à partir de la susdite semelle. La fig. 4 montre, en coupe transversale, la charge d'un allumeur (pour moteur-fusée à propergol solide) constituée par enroulement et fixation par collage de la plaque déformable 1 sur la paroi interne de la douille 3, les créneaux îc, orientés radialement, présentant alors une forme en U ouvert vers l'axe de ladite doui.lle, ce qui permet, dans ce cas encore, de faire participer les flancs des lamelles lb à l'inflammation initiale0 Comme dans le mode de réalisation précédent, les caractéristiques fonctionnelles de l'allumeur dépendent des caractéristiques dimensionnelles de la plaque I (y compris les créneaux lc), et, notamment, de sa surface, ainsi que de la nature du propergol. La fig. 5 illustre un allumeur à double charge obtenu par emmanchement d'un allumeur du type illustré fig. 2 dans un allumeur du type illustré fig. 4, cet allumeur à double charge ayant un débit égal à la somme des débits des deux allumeurs élémentaires qui le constituent. La fig. 6 représente une bande déformable de propergol solide 1 destinée à être enroulée et collée sur un mandrin cylindrique 2 en bois montré en spectre au-dessus de la susdite bande. Cette bande est constituée par une semelle de poudre la surmontée par des lamelles lb, également de poudre, séparées par des fentes le à lèvres jointives0 La fig. 7 montre la charge d'un allumeur (pour moteur-fusée à propergol solide) constituée par enroulement à spires non jointives et collage de la susdite bande 1 sur le mandrin 2, les fentes de la partie enroulée de la bande (fentes ouvertes) étant représentées par un simple trait pour la simplicité du dessin. L'écart entre les spires constitue un canal hélicoidsl 4 favo- risant l'écoulement des produits de combustion. Les canoctéristiqus -onctiol elles de 1' allumeur dépendent des caractéristiqres dimensionnelles de la bande 1 (y compris les fentes le) et, notamment, de la longueur de la susdite bande, ainsi que de la nature du propergols il y a lleu de noter que l'on pourrait, suivant deux variantes non représentées, enrouler et coller la bande 1 contre la paroi interne d'une douille, suivant une solution analogue à celle illustrée fig. 4* la susdite bande devant alors être crénelée, ou réaliser un allumeur à double charge en emmanchant un all1l- meur du type illustré fig. 7 dans un allumeur à douille conforme à la variante précédente, un tel allumeur à double charge présentant alors une analogie avec l'allumeur de la fig. 5. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment celles concernant des allumeurs à charges multiples résultant de combinaisons des modes de réalisation précédemment décrits. REVENDICATIONS 1 - Générateur de gaz chauds à propergol solide, notamment allumeur de ce genre pour moteur-fusée à propergol solide, comportant une charge de propergol solide logée coaxialement dans une chambre de combustion, caractérisé par le fait que cette charge est établie sous forme d'une plaque déformable (1) constituée en propergol solide et présentant, sur l'une de ses faces, des stries parallèles (il), ladite plaque déformable (1) étant enroulée autour d'un support rigide (2 ou 3) contre lequel elle est appliquée et fixée par sa face non striée en ayant ses stries (lc) orientées parallèlement à l'axe d'enroulement, le susdit support rigide étant constitué en un matériau non consommable dans les conditions de température et de durée de fonctionnement du générateur. 2 - Générateur de gaz chauds selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fixation de la plaque déformable (1) enroulée sur le support rigide est réalisée par collage0 3 - Générateur de gaz chauds selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le support rigide est établi en bois. 4 - Générateur de gaz chauds selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le support rigide est un élément métallique à paroi mince. 5 - Générateur de gaz chauds selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le support rigide est constitué en un polymère approprié. 6 - Générateur de gaz chauds selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé par le fait que la plaque déformable (1) de propergol est enroulée autour d'un support rigide con titué par un mandrin (2), les stries (tic) étant alors ouvertes vers l'extérieur0 7 - Générateur de gaz chauds selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les stries (le) sont de simples fentes à lèvres initialement jointives qui sont évasées vers l'extérieur une fois la plaque déformable (1) enroulée autour du mandrin (2). 8 - Générateur de gaz chauds selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la plaque déformable (1) de propergol est enroulée contre la paroi interne d'un support rigide creux constitué par un manchon (3), les stries (tic) étant alors ouvertes vers l'intérieur. 9 - Générateur de gaz chauds selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les stries (tic) sont des créneaux à section initiale (avant enroulement de la plaque) trapézoidale s'évasant vers l'extérieur avec un angle tel que, une fois la plaque (1) enroulée contre la paroi interne du manchon (3), les susdits créneaux, ouverts vers l'axe du manchon, présentent des flancs parallèles,voire encore légèrement divergents. 10 - Générateur de gaz chauds selon l'une quelconque des reven dications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il contient au moins deux charges coaxiales, à savoir une charge interne à mandrin (2) conforme à l'une quelconque des revendications 6 et 7, et une charge externe à manchon (3) conforme à l'une quelconque des revendications 8 et 9o 11 - Générateur de gaz chauds selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la plaque déformable (1) de propergol solide a une configuration en bande et qu'elle est enroulée en spirale autour d'un mandrin ou contre la paroi interne d'un manchon. 12 - Générateur de gaz chauds selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la bande déformable de propergol (1) est enroulée à spires non jointives0