Brevet FR2110219A1 — publié le 19720602

la présente invention concerne des isolants qui sont destinés à résister à des conditions hautement érosives à température élevée. L'exposition à ces conditions peut être de courte durée, par exemple de quelques secondes à quelques minutes. 5 Bien que l'invention soit susceptible d'une application dans de nombreux domaines, elle concerne en particulier, mais pas exclusivement, les moteurs-fusées dans lesquels les conditions susmentionnées régnent d'une façon normale. En conséquence, le présent mémoire concerne principalement le domaine des moteurs-10 fusées. Dans les moteurs-fusées, il est souvent souhaitable que l'effluent du moteur soit aussi exempt de fumée que possible. Ceci pour diverses raisons, par exemple la fumée peut entraver le fonctionnement efficace des installations de guidage à vue 15 et le dégagement de fumée a pour effet de polluer l'atmosphère. Dans le domaine militaire, il peut être indispensable que l'effluent soit exempt de fumée. Certains moteurs-fusées comportent un conduit reliant la chambre de combustion à la tuyère de sortie. Les gaz d'échappe-20 ment passent dans ce conduit à leur sortie de la chambre de combustion du moteur-fusée,de sorte que le conduit est exposé à des conditions hautement érosives à température élevée pendant que le moteur est mis à feu. Le conduit doit également rester intact et doit transmettre une quantité minimale d'énergie 25 thermique aux autres parties du projectile ou missile propulsé par le moteur, en particulier du fait que le conduit est placé habituellement à l'intérieur du missile. La température des gaz d'échappement s'élève d'une façon typique au-dessus de 2000°C. Diverses préparations (par- exemple des polymères renforcés) 30 ont été utilisées comme revêtements de tels conduits, mais bien qu'elles assurent habituellement un calorifugeage convenable, elles sont érodées lentement lorsque le moteur est mis à feu. La matière-volatile et la matière particulaire résultantes contenues dans les gaz d'échappement peuvent engendrer de la fumée. 35 La présente invention a pour objet un calorifuge qui n'engendre pas de fumée lorsqu'il est soumis à des conditions hautement érosives à température élevée. 71 35697 2110219 Selon la présente invention, un calorifuge comprend une couche superficielle d'un métal réfractaire ayant un point de fusion supérieur à 2000°C, un support mé+allique pour la couche superficielle protégé de l'érosion par .cette dernière, et un 5 isolant réfractaire solide coulé entre la couche superficielle et le support métallique et les liant ensemble tout en les isolant l'un de l'autre. La présente invention concerne en outre un moteur-fusée comprenant une chambre de combustion, un conduit relié à cette cham-10 bre pour en évacuer les gaz d'échappement, et une tuyère du type convergent/divergent contiguë au conduit, ce dernier comportant un calorifuge comprenant une couche superficielle d'un métal réfractaire ayant un point de fusion supérieur à 2000°C, un support métallique pour la couche superficielle qui est protégé 15 de l'érosion par cette dernière, et un isolant réfractaire solide coulé entre la couche superficielle et le support métallique et les liant ensemble tout en les isolant l'un de l'autre. De préférence, l'isolant réfractaire comprend un ciment et une matière de charge particulaire réfractaire. 20 Le ciment comprend de préférence un zirconate et en outre, de préférence de l'aluminate de calcium. Il est également préférable que la matière de charge particulaire réfractaire soit l'alumine. L'alucaine peut être sous diverses formes dont l'une est formée de minuscules sphères souf-25 fiées couramment appelées "bulles d'alumine". On peut utiliser d'autres charges à base de silice, d'oxyde de zirconium et de magnésie. Il est également préférable que le métal réfractaire soit le molybdène ou un alliage à base de molybdène. On peut également 30 avoir recours à d'autreçfeétaux convenables ayant des points de fusion plus élevés. De préférence, la couche superficielle est constituée par un tube et le support métallique est un tube externe entourant et supportant celui de la couche superficielle, l'isolant réfrac-35 taire solide étant coulé entre les tubes en les collant l'un à l'autre et les isolant l'un de l'autre. La présente invention concerne également un procédé de 71 35697 2110219 fabrication d'un calorifuge qui consiste à utiliser une couche superficielle d'un métal réfractaire ayant un point ae fusion supérieur à 20GC°C, à placer près de ladite couche un support métallique pour la couche superficielle de manière qu'elle le 5 protège des conditions érosives, et à couler un isolant réfractaire solide entre la couche superficielle et le support métallique pour les coller ensemble. De préférence, le procédé consiste à couler l'isolant réfractaire solide sous forme d'une suspension et à durcir et 10 sécher ultérieurement la suspension pour former l'isolant solide, On va décrire maintenant une forme de réalisation type de l'invention s'appliquant au domaine des moteurs-fusées, et son procédé de fabrication, en se référant au dessin annexé dont la figure unique représente un mode de réalisation du conduit 15 d'un moteur-fusée. Dans cette forme de réalisation, un conduit est placé dans le corps d'un missile propulsé par moteur-fusée et sert à acheminer les gaz d'échappement de la chambre de combustion vers l'atmosphère. Le conduit débouche à l'arrière du moteur-fusée 20 où il est contigu à une tuyère classique du type convergent/ divergent. En se référant au dessin qui montre le conduit monté pour la coulée d'un isolant réfractaire, le conduit comporte un tube métallique 1 (d'une façon typique en acier ou en alliage d'alu- ■ 25 minium) dans lequel est placé un tube 2 de petit diamètre en métal réfractaire,notamment en molybdène, le diamètre externe du tube en molybdène étant distant d'environ 5 mm de la face interne du tube en acier pour laisser un espace annulaire 3 dans lequel un isolant réfractaire doit être coulé. Pour facili-30 ter le calage final entre le tube en molybdène et le tube en acier, il est souhaitable de former un épaulement 4 sur le tube en acier 1 ou de petites rainures espacées sur les deux tubes 1 et 2, lesuites rainures formant des cavités dans lesquelles l'isolant réfractaire doit s'accrocher. Les surfaces destinées 35 à entrer en contact avec l'isolant réfractaire sont dégraissées et traitées à la grenaille. On coule dans l'espace compris entre les deux tubes un 71 35697 2110219 isolant réfractaire comprenant une partie en poids d'un ciment d'aluminate de calcium de grande pureté disponible dans le commerce sous la marque déposée "Secar 250" et vendu par Lafarge Aluminous Cernent Co. Ltd.. et 3 parties en poids d'alumine fondue 5 blanche vendue par Gibbons (Dudley) Ltd. On prépare tout d'abord l'isolant réfractaire sous forme d'une suspension dans laquelle la partie et les trois parties en poids indiquées plus haut sont mélangées intimement sous la forme de poudres sèches avec 1,0 partie en poids d'eau. Il en résulte une suspension fluide 10 que l'on peut introduire sous faible pression dans l'espace compris entre les deux tubes en les soumettant à une vibration. Les deux tubes sont maintenus à la température ambiante pendant 48 heures dans l'appareil représenté sur le dessin pour permettre à l'isolant de se durcir, puis on enlève l'appareil et on chauffe 15 progressivement jusqu'à 200°C environ pour éliminer lentement la plus grande partie d'eau possible. L'appareil"comporte un support 5 sur lequel un bloc de base • annulaire 7 est fixé par des boulons 6. Le bloc de base 7 présente un épau3.ement interne 8 qui supporte une bride 9 d'une plaque 20 de base circulaire 10. La bride 9 de la plaque de base 10 est serrée contre l'épaulement 8 par une rondelle 12 et un écrou 11 vissé sur un goujon 13 qui fait saillie à partir d'un noyâù de centrage 14 à travers un bloc de centrage 15, la plaque de base 10 et un trou central du support 5. Un collier de centrage annu-25 laire 17 est situé près de l'extrémité 16 du noyau de centrage 14 éloignée du goujon 13 et est maintenu en position par une vis noyée 18 vissée dans un trou taraudé correspondant 19 du colliez' 17 pour s'appuyer contre le noyau 14. Un épaulement 20 du collier de centrage 17 bute contre l'extrémité du tube interne 2 pour 30 le pousser vers le bas en direction du support 5, à l'endroit où le tube intei-ne 2 s'évase vers l'extérieur,pour se terminer sous forme d'une jupe annulaire 21 poussée contre la plaque de base 10 et ajustée étroitement dans le bloc de base 7. La surface supérieure du bloc 7 présente plusieurs évidements 35 22 reliés à la circonférence interne du bloc 7 par des canaux 23. Ces derniers sont superposés à la surface périphérique de la jupe 21 et se prolongent au-dessus de cette dernière pour établir 71 35697 2110219 une communication entre l'espace 3 au-dessus de la jupe 21 et les évidements 22. Ces derniers,ainsi que les canaux 23?sont fermés par un bloc d'étanchéité annulaire 24 fixé en position par une plaque supérieure 25 et des boulons 26 qui traversent ladite 5 plaque 25 et le bloc d'étanchéité 24 et pénètrent dans le bloc de base 7. Les tiges filetées des boulons 26 ne sont pas représentées pour plus de clarté. La plaque supérieure 25 supporte également six vis de fixation 27 près de sa face interne, lesdites vis étant vissées dans 10 une partie évasée 28 du tube externe 1 pour le fixer et déterminer la largeur de l'espace 3 entre les tubeglnterne et externe 2 et 1. L'étanchéité entre la partie évasée 28 du tube externe 1 et le bloc 24 est assurée par une bague torique 29 logée dans un évide-ment 30 ménagé dans la surface périphérique de la partie évasée 15 28, la bague torique s'appuyant contre la surface interne du bloc 24. L'extrémité du tube externe 1 voisine du collier de centrage 17 est emboîtée dans une partie tubulaire cylindrique 31 d'un entonnoir 32 et est naintenue concentrique au noyau de centrage 20 14 par une plaque distributrice percée 33 qui est ajustée à frottement doux sur le noyau 14 et est logée dans un évidement correspondant de l'entonnoir 32 près de la partie 31. La partie tubulaire cylindrique 31 présente deux orifices de déversement 34 dans un but qui sera décrit ci-après. 25 L'appareil comporte également deux vis de réglage 35 qui traversent le support 5 et s'appuient contre la plaque de base 10 pour l'éjection,comme on le décrira plus loin. L'extrémité 16 du noyau 14 est munie d'une broche à visser 36 qui est également utilisée pour l'éjection,comme on le verra plus loin. 30 Lorsque les composants du conduit sont placés dans l'ap pareil comre on vient de le décrire, l'espace 3 a une dimension déterminée et les tubes externe et interne 1 et 2 sont fixes l'un par rapport à l'autre. Les trous de déversement 34 sont provisoirement fermés. On soumet l'appareil à une vibration 35 continue pour faciliter l'entrée de la suspension dans l'espace 3. On verse lentement la suspension dans l'entonnoir 32 et elle passe par les orifices de la placue distributrice 33 dans l'espace 71 35697 2110219 compris entre les tubes externe et interne 1 et 2 en regard du collier 17. La suspension descend le long de l'espace 3 en direction du support 5 en repoussant l'air contenu dans l'espace. Finalement, la suspension parvient au voisinage du bloc de base 5 7 et refoule l'air évacué dans les évidements 22 par l'intermédiaire des canaux 23. Une certaine quantité de la suspension pénètre également dans les canaux 23, ce qui est avantageux pour éliminer de l'espace 3 les parties menantes de la suspension dont les constituants peuvent avoir été quelque peu séparés. Lors-10 que l'espace 3 est rempli, ce qui peut être déterminé par le temps requis pour la coulée de la suspension et en observant l'immobilité du niveau de la suspension dans l'entonnoir 32, on ouvre les orifices de déversement 34 pour permettre l'évacuation de la suspension en excès située au-dessus des tubes externe et interne 15 1 et 2, on interrompt la vibration et on laisse prendre la suspension à la température ambiante pendant 8 à 12 heures environ. Au bout de ce temps, la suspension présente une résistance méca-' nique suffisante à l'état vert pour permettre de démonter l'appareil en desserrant les boulons 26 et l'écrou 11, en utilisant 20 les vis 35 et la broche 36 pour extraire du support 5 les tubes 1 et 2 et les pièces qui y sont encore fixées, puis en débarrassant le conduit qui a été réalisé de toutes les autres parties de l'appareil. On soumet ensuite le conduit à un chauffage graduel jusqu'à 200°C environ pour éliminer la plus grande partie 25 possible de l'eau contenue dans la suspension durcie, comme on l'a indiqué plus haut. On constate que l'isolant réfractaire lie très convenablement les deux tubes ensemble et on l'a éprouvé sur un échantillon expérimental dans lequel des tubes comparables (mais dépourvus 30 de rainures) ont été soumis à une force axiale relative afin d'estimer la charge nécessaire pour tirer le tube interne hors du tube externe. Avec l'échantillon tubulaire ayant un diamètre moyen d'environ 45 mm et une longueur d'environ 300 mm, la charge nécessaire est supérieure à 4000 l;g. Dans cet échantillon, les 35 surfaces des tubes à coller ensemble n'ont pas été rendues rugueuses d'une manière quelconque de façon que l'essai soit aussi rigoureux que possible. 71 35697 2110219 le moteur-fusée comportant le conduit de cette forme.de réalisation et utilisant un combustible solide à double base a été mis à feu en faisant passer les gaz d'échappement dans le conduit. La mise à feu a duré environ 10 secondes pendant les-5 quelles la température de la surface interne du conduit s'est élevée jusqu'à 2500°C environ, mais aucune fumée n'a été produite par les matériaux du conduit, ce dernier étant resté intact et ayant convenablement isolé les organes adjacents de cette température. 10 Dans des variantes de cette forme de réalisation type, il est possible d'utiliser des proportions différentes des constituants de l'isolant réfractaire. Cependant, des précautions doivent être prises pour conserver les caractéristiques physiques désirées. En particulier, l'isolant réfractaire doit subir un 15 retrait minimal pendant la cuisson, de manière à subir le moins de contrainte possible et à conserver sa liaison avec les surfaces métalliques. En outre, la conductibilité thermique de l'isolant réfractaire doit être aussi faible que possible et il doit pouvoir être placé dans le petit espace compris entre 20 les deux tubes du conduit. Si l'on augmente la quantit4yde ciment, l'isolant peut être plus facilement coulé, mais son retrait est plus important. Si l'on réduit la quantité de ciment, la liaison est affaiblie. Si l'on augmente la quantité de la matière de charge, il en résulte une diminution de la conductibilité 25 thermique, mais l'isolant est moins facilement coulé. Si l'on augmente la quantité d'eau, le retrait est plus important et la force de liaison moins grande. Si l'on réduit la quantité d'eau, l'isolant est plus difficile à couler. Dans les présentes conditions de la forme de réalisation type, on pense qu'actuel-30 lement les proportions données sont celles s'approchant le plus des valeurs optimales. On peut utiliser d'autres isolants réfractaires à condition qu'ils résistent aux températures nécessaires et assurent une isolation convenable. Si les températures à supporter sont plus 35 basses, on peut utiliser de la silice à la place de l'alumine. Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 71 35697 2110219 REVENDICATIONS 1. Calorifuge caractérisé en ce qu'il comporte une couche superficielle d'un métal réfractaire ayant un point de fusion supérieur à 2000°C, un support métallique pour la couche super- 5 ficielle qu'elle protège d'une érosion, et un isolant réfractaire solide coulé entre la couche superficielle et le support métallique et les liant ensemble tout en les isolant l'un de l'autre. 2. Calorifuge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolant réfractaire solide comprend un ciment et une 10 matière de charge particulaire réfractaire. 3. Calorifuge selon la revendication 2, caractérisé en ce que le ciment comprend un aluminate ou un zirconate. 4. Calorifuge selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ciment comprend de 1'aluminate de calcium. 15 5. Calorifuge selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la matière de charge particulaire réfractaire est choisie dans le groupe comprenant l'alumine, la silice, l'oxyde de zirconium et la magnésie. 6. Calorifuge selon l'une quelconque des revendications pré- 20 cedentes, caractérisé en ce que le métal réfractaire est le molybdène ou un alliage à base de molybdène. 7. Calorifuge selon l'une.quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche superficielle est constituée par un tube et en ce que le support métallique est 25 constitué par un tube externe entourant et supportant le tube de la couche superficielle, l'isolant réfractaire solide étant coulé entre les tubes et les collant ensemble tout en les isolant l'un de l'autre. 8. Procédé de fabrication d'un calorifuge,caractérisé en 30 ce qu'il consiste à utiliser une couche superficielle en métal réfractaire ayant un point de fusion supérieur à 2000°C, à placer près de ladite couche un support métallique pour cette dernière qui le protège de l'érosion,et à couler un isolant réfractaire solide entre 1? couche superficielle et le support métallique 35 pour les coller ensemble. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à couler l'isolant réfractaire solide sous forme 71 35697 2110219 d'une suspension et ultérieurement à durcir et séelier la suspension pour former l'isolant solide. 10. Moteur-fusée comprenant une chambre de combustion, un conduit relié à la chambre de combustion pour évacuer les gaz d'échappement et une tuyère du type convergent/divergent qui est contiguë au conduit, moteur-fusée caractérisé en ce que ledit conduit comporte un calorifuge selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.