Brevet FR2166319A1 — publié le 19730817

L'invention est relative aux dispositifs d'allumage pour des moteurs-fusées dont la charge propulsive comporte un bloc combustible solide ; et elle concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, parmi ces dispositifs d'allumage, ceux pour moteurs-fusées à charge combustible solide destinés à équiper des engins aérospatiaux. I1 convient de préciser dès à présent, pour éviter toute ambiguité au suet du champ d'application de l'invention, que l'expression "moteur-fusée à charge combustible" solide englobe ici, les moteurs-fusées dont la charge combustible est un propergol solide (qualifié en langage technique international de "solid propellant") contenant les constituants (combustible et comburant) nécessaires au développement du processus de combustion une fois réalisé l'allumage de la susdite charge combustible, et les moteurs-fusées, dits "hybrides", dont la charge combustible, délimitant un foyer de combustion, est essentiellement constituée par un simple ergol combustible solide nécessitant, pour le développement du processus de combustion, la délivrance progressive, dans la susdite chambre de combustion, d'un ergol complémentaire comburant fluide capable de réagir avec le susdit ergol combustible solide une fois l'allumage réalisé. Dans l'un et l'autre cas (charge combustible solide cons tituée par un propergol ou charge combustible solide constituée par un ergol nécessitant la délivrance d'un ergol complémentaire comburant fluide), la charge combustible solide du moteur-fusée présente, du côté du foyer de combustion dudit moteur-fusée, une surface libre, appelée ci-après "surface d'allumage", qui peut être, soit d'une composition identique à celle de l'ensemble de la charge combustible, soit d'une composition différente réalisée sous forme d'un mince revêtement initiateur combustible plus aisément inflammable que la matière constitutive de la charge combustible. Bien que l'invention puisse s'appliquer à des dispositifs d'allumage pour des moteurs-fusées des deux types envisagés ci-dessus, son application semble plus particulièrement avantageuse dans le cas des moteurs-fusées à charge combustible cons tituée par un propergol solide, de tels moteurs-fusées, dont l'utilisation est beaucoup plus courante, étant d'une conception plus simple et ne comportant pas obligatoirement, contrairement aux moteurs-fusées de type hybride, un équipement dDinjection pour délivrer pendant toute la durée de combustion un ergol fluide dans la chambre de combustion. On a déjà proposé de constituer un dispositif d'allumage, pour moteur-fusée à charge combustible solide, sous forme d'un appareil injecteur capable d'arroser une partie de la surface d'allumage de la charge combustible solide à l'aide d'un liquide comburant présentant un caractère hypergolique, c'est-à- dire réagissant spontanément à la température ambiante par un processus de combustion, avec le matériau constitutif de la susdite partie de la surface d'allumage ainsi arrosée. Une telle solution soulève cependant un certain nombre de problèmes (sécurité de stockage du liquide comburant à réaction hypergolique, sécurité d'exploitation et de manipulation, adaptation à la nature de la charge combustible solide, rapidité d'injection, vidange totale de la réserve de comburant, etc.) qui n'ont été qu'incomplètement résolus par les appareils injecteurs proposés antérieurement pour jouer le rôle. de dispositif d'allumage dans un moteur-fusée à charge combustible solide. L'invention a précisément pour objet de procurer un appareil injecteur de ce genre qui réponde mieux que jusqu'à ce jour aux divers désidérata de la pratique et, notamment, qui satisfasse simultanément et de façon Slus complète les divers critères de construction et de fonctionnement avantageux pour un tel type d'appareil. Le dispositif d'allumage selon l'invention, pour moteurfusée à charge combustible solide (notamment à charge combustible du type propergol) est constitué par un appareil injecteur capable d'arroser une partie de la surface d'allumage de la susdite charge combustible avec un liquide comburant capable de réagir spontanément, par une réaction de combustion hypergolique, avec le matériau constitutif de la susdite partie de surface d'allumage ainsi arrosée, le susdit dispositif d'allumage étant caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, pour le stockage du susdit liquide comburant, une capacité étanche de volume variable de forme générale cylindrique délimitée latéralement par un soufflet métallique et à ses deux extrémités respectivement (du côté de la chambre de combustion du moteur-fusée) par une membrane destructible par une pression au moins égale à une valeur prédéterminée et (du coté opposé) par un piston capable de résister à des pressions supérieures à la susdite valeur prédéterminée, d'autre part, pour l'injection du liquide comburant, un dispositif injecteur isolé de la susdite capacité étanche par la susdite membrane destructible, et, d'autre part enfin, pour assurer le processus d'injection par un déplacement du susdit piston accompagné d'un écrasement du susdit soufflet et de la destruction de la membrane susmentionnée, une chambre de pression étanche partiellement délimitée par le piston susmentionné, des moyens étant prévus pour faire régner dans cette chambre de pression, lors de la mise en service du dispositif d'allumage, une pression (dite "pression de chasse") capable de déclencher et d'entretenir le susdit processus d'injection. De préférence, le piston délimitant la capacité de volume variable et le fond opposé de ladite capacité présentent des formes complémentaires en sorte que, après destruction de la membrane isolant initialement la susdite capacité et écrasement complet du soufflet métallique, le susdit piston vienne s'appliquer contre le susdit fond opposé, ce qui annule pratiquement tout espace mort en fin de la phase d'injection et permet une vidange complète de la susdite capacité de volume variable0 De préférence encore, notamment lorsque la charge solide combustible du moteur-fusée est un propergol, on adopte, comme liquide comburant pour le dispositif d'allumage, un trifluorure, ou un pentafluorure, halogéné tel, avantageusement, que le trifluorure ou le pentafluorure de chlore ou de brome. Par contre, lorsque la surface d'allumage de la charge combustible solide est constituée en un matériau capable de réagir spontanément avec des comburants oxygénés usuels tels que l'acide nitrique, le peroxyde d'azote et le peroxyde d'hydre gène, on pourra avantageusement adopter, comme liquide comburant pour le dispositif d'allumage, l'un de ces comburants oxy génés usuels. Cette dernière solution conviendra notamment lorsque la surface d'allumage de la charge combustible solide est constituée d'un mince revêtement initiateur hautement énergétique tel, notamment, que le méthylémide phosphoreux (produit réagissant hypergoliquement avec tous les comburants oxygénés usuels) ou l'hydrure de lithium (produit réagissant hypergoliquement avec l'acide nitrique). En ce qui concerne alors les moyens pour faire régner dans la chambre de pression du dispositif la pression de chasse destinée à assurer le fonctionnement dudit dispositif, on les agence de préférence sous forme d'une charge pyrotechnique associée à des moyens de mise à feu, les gaz engendrés par la combustion de ladite charge pyrotechnique procurant alors la pression de chasse désirée. Mais on pourrait également, notamment si l'on désire pouvoir moduler la vidange de la capacité contenant le liquide comburant, avoir recours à une source de gaz sous pression pouvant être mise en communication avec la chambre de pression du dispositif d'allumage par l'intermédiaire d'une vanne réglable. De toute façon, on aura intérêt à équiper la chambre de pression du dispositif d'allumage d'une valve de sécurité permettant une évacuation du gaz de chasse en cas de surpression accidentelle ou si l'on désire vidanger la susdite chambre de pression (à la suite d'un fonctionnement défectueux) en vue d'une nouvelle utilisation ultérieure de l'appareil. Enfin, on pourra avantageusement compléter l'appareil, en vue de son remplissage en liquide comburant (notamment lorsqu'il s'agit d'un trifluorure ou pentafluorure halogéné, c'est-à-dire de gaz relativement dangereux), par deux ajutages à obturateur débouchant dans la capacité de volume variable au voisinage de la membrane destructible, ces ajutages étant agencés de façon à permettre respectivement le branchement d'un conduit d'alimentation et d'un conduit d'évacuation. Ce dernier conduit permet notamment de précéder à un balayage initial de la capacité de volume variable, balayage permettant notamment, lorsque le liquide comburant est un trifluorure ou un pentafluorure halogéné, de réaliser une passivation de la paroi interne de la susdite capacité de volume variable. Il y a lieu de noter que les divers organes de l'appareil devant se trouver au contact du liquide comburant seront établis en des métaux ou alliages capables de résister à l'action corrosive dudit liquide, une telle règle proscrivant notamment d'une manière générale l'usage de laiton ou d'alliage aluminium cuivre. Comme métaux ou alliages convenant on peut citer notamment, dans le cas des fluorures halogénés, le cuivre pur, les aciers inoxydables, le métal monel, les parois des éléments constitués en ces métaux qui sont exposées au contact du-liquide comburant étant alors préalablement passivées. Dans le cas des comburants oxygénés, les métaux ou alliages convenant sont1 notamment, les alliages aluminium-magnésium, l'aluminium pur et les aciers inoxydables. De toute façon et quelque soit le mode de réalisation adopté, un dispositif d'allumage conforme à l'invention présente de nombreux et réels avantages parmi lesquels on peut citer, notamment, la possibilité de stocker sans danger les appareils chargés de liquide comburant, le caractère polyvalent d'un appareil déterminé chargé qui convient pour l'allumage de blocs combustibles solides de diverses compositions, la sécurité de manipulation et de fonctionnement, la possibilité de réutilisation de l'appareil après certains essais d'allumage, et les facilités d'adaptation de l'appareil à un problème d'allumage particulier en jouant sur des paramètres constructifs tel que la résistance de la membrane destructible, la pression de chasse, la géométrie de l'injecteur, etc... Pour illustrer les dispositions précédentes on va décrire maintenant plus en détail un dispositif d'allumage établi conformément à un mode de réalisation de l'invention préféré, mais nullement limitatif, en se référant au dessin ci-annexé dont la figure unique représente une coupe axiale du susdit dispositif d'allumage. On a représenté, sur le dessin, la partie centrale de l'extrémité amont d'un moteur-fusée comportant une charge propulsive solide constituée par un bloc de propergol 1 en forme de manchon cylindrique délimitant un canal central 2 dans lequel s'effectue la combustion. Le dispositif destiné à assurer l'allumage du bloc combustible 1 est désigné dans son ensemble par la référence 3 et il est rapporté au centre de la paroi extrême amont 4 du moteurfusée, le susdit dispositif comportant un injecteur 5 débouchant dans l'axe du canal central 2 et agencé de façon que le liquide comburant issu de cet injecteur 5 arrose la région amont de la surface d'allumage S du bloc combustible 1. Avantageusement, on dispose à cet effet, à l'intérieur de l'injecteur 5, une pièce intermédiaire 5at(comportant des canaux longitudinaux 5b et des canaux 5c orientés tangentiellement) destinée à créer un mouvement tourbillonnaire du comburant assurant une répartition homogène sur la surface S. te dispositif d'allumage proprement dit comporte une embase 6 appliquée sur la paroi extrême amont 4, embase 6 sur laquelle est rapporté, par exemple par vissage, l'injecteur 5 qui est lui même utilisé, grâce à un filetage de sa paroi externe, pour la fixation de l'ensemble du dispositif d'allumage sur la paroi extrême amont 4. Le liquide comburant 7 (en l'occurrence du trifluorure de chlore) est stocké dans une capacité de volume variable délimitée latéralement par un soufflet en acier inoxydable 8 et, à ses extrémités, par une membrane destructible 9 en cuivre (du côté de l'injecteur 5) et par un piston 10 (du côté opposé) constitué en cuivre ou en acier inoxydable, le susdit soufflet 8 étant raccordé de façon étanche à l'embase 6, et au piston 10 par une opération de soudure électronique réalisée sous vide. te fond 10a du piston 10 et la partie en regard 6a de l'embase 6 présentent des formes complémentaires tronconiques afin de réduire à une valeur négligeable les espaces morts subsistant lorsque le susdit piston arrive en fin de course après destruction de la membrane 9 et écrasement complet du soufflet 8. L'ensemble des éléments constitutifs de la chambre de volume variable est protégé par un boîtier Il fixé sur l'embase 6. Le déplacement du piston 10, dans le sens de l'écrasement du soufflet 8, est assuré par la pression de gaz de chasse engendré par la combustion de la charge d'un initiateur pyrotechnique 12 rapporté sur le fond du boîtier 11, initiateur qui est raccordé à une source de tension électrique par des conducteurs 13, le susdit piston 10 présentant une cavité 10b ouverte du côté de l'initiateur 12 et destinée à recevoir les susdits gaz de chasse. Une valve de sécurité 14, constituée par une vis pointeau dans ce mode de réalisation mais qui pourrait être établie sous forme d'une soupape de décharge tarée à commande d'ouverture, permet une vidange contrôlée de la cavité lOb en cas d'incident de fonctionnement une fois amorcée la course de refoulement du piston 10. Enfin il est prévu, dans l'embase 6, un azurage d'alimentation 15 contrôlé par un obturateur 16 et un ajutage d'évacuation 17 contrôlé par un obturateur 18, afin de permettre un balayage initial (accompagné d'une passivation des parois) puis le remplissage, de la capacité de volume variable servant de réservoir pour le liquide comburant 7. Pour effectuer cette double opération, on plonge le dispositif d'allumage dans un bain réfrigérant à -200C en laissant émerger l'embase 6 et, après avoir branché l'ajutage 15 sur une réserve de trifluorure de chlore et l'ajutage 17 sur une cheminée d'évacuation, on procède à un balayage de la capacité de volume variable en laissant les obturateurs 16 et 18 ouverts. On ferme ensuite l'obturateur d'évacuation 18 afin de procéder au remplissage par condensation,après quoi on ferme l'obturateur d'alimentation 16 pour assurer la fermeture étanche de la capacité de volume variable ainsi remplie de trifluorure de chlore. Le dispositif d'allumage est alors paré pour sa mise en service. 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 embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICADIONS 1. Dispositif d'allumage pour moteur-fusée à charge combustible solide, notamment à charge combustible solide constituée par un propergol, dispositif d'allumage constitué par un appareil injecteur capable d'arroser une partie de la surface d'allumage de la susdite charge combustible avec un liquide comburant capable de réagir spontanément, par une réaction de combustion hypergolique, avec le matériau constitutif de la susdite partie de surface d'allumage ainsi arrosée, le susdit dispositif d'allumage étant caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, pour le stockage du susdit liquide comburant, une capacité étanche de volume variable de forme générale cylindrique délimitée latéralement par un soufflet métallique et à ses deux extrémités respectivement (du coté de la chambre de combustion du moteur-fusée) par une membrane destructible par une pression au moins égale à une valeur prédéterminée et (du côté opposé) par un piston capable de résister à des pressions supérieures à la susdite valeur prédéterminée, d'autre part, pour l'injection du liquide comburant, un dispositif injecteur isolé de la susdite capacité étanche par la susdite membrane destructible. et, d'autre part enfin, pour assurer le processus d'injection par un déplacement du susdit piston accompagné d'un écrasement du susdit soufflet et de la destruction de la membrane susmentionnée, une chambre -de pression étanche partiellement délimitée par le piston susmentionné, des moyens étant prévus pour faire régner dans cette chambre de pression, lors de la mise en service du dispositif d'allumage, une pression (dite "pression de chasse") capable de déclencher et d'entretenir le susdit processus d' injection. 2. Dispositif d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston délimitant la capacité de volume variable et le fond opposé de ladite capacité présentent des formes complémentaires en sorte que, après destruction de la mem; brane isolant initialement la susdite capacité et écrasement complet du soufflet métallique, le susdit piston vienne s'appliquer contre le susdit fond opposé, ce qui annule pratiquement tout espace mort en fin de la phase d'injection et permet une vidange complète de la susdite capacité de volume variable. 3. Dispositif d'allumage selon la revendication 1, notam ment pour moteur-fusée à charge combustible solide du type propergol, caractérisé en ce qu'il comporte. comme liquide comburant, un trifluorure, ou un pentafluorure, halogéné tel, avantageusement, que le trifluorure ou le pentafluorure de chlorure ou de brome. 4. Dispositif d'allumage selon la revendication 1, notamment pour moteur-fusée dont la charge combustible solide présente une surface d'allumage constituée en un matériau capable de réagir spontanément avec un comburant oxygéné usuel (acide nitrique, peroxyde d'azote, peroxyde d'hydrogène, etc.), caractérisé en ce qu'il comporte, comme liquide comburant, un tel comburant oxygéné usuel. 5. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que les moyens pour faire régner la pression de chasse sont constitués par une charge pyrotechnique associée à des moyens de mise à feu, les gaz engendrés par la combustion de ladite charge pyrotechnique procurant alors la pression de chasse désirée. 6. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens pour faire régner la pression de chasse sont constitués par une source de gaz sous pression pouvant être mise en communication avec la chambre de pression du dispositif d'allumage par l'intermédiaire d'une vanne réglable. 7. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que sa chambre de pression est équipée d'une valve de sécurité permettant une évacuation du gaz de chasse en cas de surpression accidentelle ou si l'on désire vidanger la susdite chambre de pression ( à la suite d'un fonctionnement défectueux) en vue d'une nouvelle utilisation ultérieure de l'appareil. 8. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'il comporte, en vue de son remplissage en liquide comburant, deux ajutages à obturateur débouchant dans la capacité de volume variable au voisinage de la membrane destructible, ces ajutages étant agencés de façon à permettre respectivement le branchement d'un conduit d'alimentation et d'un conduit d'évacuation. 9. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que son dispositif injecteur comporte une pièce intermédiaire interne percée de canatix longitudinaux et de canaux tangentiels, l'ensemble des susdits canaux créant un mouvement tourbillonnaire du liquide comburant. 10. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que ses organes en contact avec le liquide comburant sont constitués en des métaux ou alliages capables de résister à l'action corrosive dudit liquide.