Brevet FR2230490A1 — publié le 19741220

La présente invertion concerne des récipients faits de filements enroulés et plus particulièrement des carters de moteurs-fusées et récipients similaires et le procédé de leur fabrication. Un carter de moteur-fusée est généralement constitué par un récipient fermé à une extrémité et ouvert à l'autre extrémité, à laquelle est fixée une tuyère. Un gaz, produit à l'intérieur du moteur à une pression élevée, s1 échappe à travers la tuyère et communique 9 la fusée une poussée dans le sens opposé. Je récipient, ou chambre-de la fusée, doit posséder une cohésion suffisante de ses éléments pour résister à la pression interne du gaz. L'invention concerne une construction et un procédé de fabrication de carter de fusée qui présente plusieurs avantages économiques et de rendement par rapport aux types existants. Elle concerne plus spécifiquement des petits carters de fusées, faits de matières complexes. Les petits carters de fusées présentent généralement à l'une ou l'autre de leurs extrémités une ouverture dont le diametre est égal au leur, ceci dans le but de faciliter la mise en place ou la coulée de la charge propulsive dans son enveloppe. Four la fabrication de ces carters, on a utilisé, pour la majeure partie, des métaux tels qu'un acier très résistant. Toutefois, des matières complexes, habituellement des fibres de verre liées les unes aux autres par une résine, ont été aussi utilisées dans une certaine mesure pour les petits carters et, dans @ne fflesure considérablement plus grande, pour les grands carters.Les avantages de l'empli de ces matières pour les carters, petits ou grands, résident généralement dans une iconomie sur le prix de revient. a a fabriqué des carters de matières complexes com- plètement @uverts . une extrémité On utilise toutefois des fermetures de métal plutôt lourdes, ou volumineuses et conteuses, oui peuvent etr assemblées par vissage, boulonnage, rivetage, Far des goupilles ou des clavettes. D'autres techniques prévcient de lier ensemble des carters de fusée faits de matières ecmplexes. Dans ces techniques, un court tronçon d'une parti 8 a un plus petit diamtre que l'autre, les deux partie coulissent - une dans l'autre et sont maintenues en place @al @@ adhésif.Il faut pour assembler ces parties une dépense con@idéra@le de temps, de matière et d'efforts. De même, on a fabriqué des bouteilles et des réservoirs sous pression sous forme de structures complexes et, en conséquence, l'invem- tion concerne en général des récipients cylindriques faits de filaments enroulés et aptes à résister à une pression interne de quelque source que ce soit Telle qu'elle est décrite d'une manière générale, l1in- vention a pour objet un récipient cylindrique fait de filaments enroulés, apte à résister à une pression interne et comportant une enveloppe extérieure et une enveloppe intérieure apte à coulisser dans l'enveloppe extérieure, l'enveloppe intérieure ayant un rapport résistance dans le sens périphérique/résistance dans le sens axial inférieur à celui de ltenveloppe extérieure, de sorte que ladite enveloppe intérieure subit une plus forte expansion que l'enveloppe extérieure sous 11 effet de la pression interne, d'où il résulte une forte liaison avec frottement entre les deux enveloppes. Dans une forme d'exécution préférée, l'enveloppe intérieure contient la charge propulsive de la fusée et l'enveloppe extérieure comprend une tuyère, 1' ensemble constituant essentiellement un moteur-fusée. En outre, l'invention a pour objet le procédé de fabrication du récipient sous pression et doteur-fusée précités. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes dlexecution de l'objet de l'invention Figure 1 est une vue en partie en coupe longitudinale et en partie en élévation d'un dispositif générateur de gaz sous la forme d'un moteur-fusée 3 Figure 2 est une vue an partie en coupe longitudinale et en partie en élévation d'un récipient cylinitique apte à résister à une pression interne. Comme le montre la figure 1, un moteur-fusée désigné par la référence générale 2 comporte une enveloppe extérieure 4, dont l'extrémité avant présente une-ouverture 6 ayant un diamètre égal au sien et dont l'extrémité arrière se termine par une tuyère divergente 8, qui ne forme qu'une seule pièce avec 1' enveloppe 4 et est formée par enroulement comme elle. Une enveloppe intérieure 10 forme à son extrémité avant une fermeture avec un adaptateur 12, pour recevoir le système d' allumage, et continent une charge propulsive 14.L'enveloppe intérieure 10, avec ses éléments constitutifs 12 et 14 est placée dans l'enveloppe extérieure 4 par engagement de eon extrémité arrière entièrement ouverte 16 dans l'euverture 6 à l'extrémité avant de l'enveloppe extérieure 4 et coulissement vers l'arrière jusqu'à ce qu'elle soit arrêtée par la partie étranglée 18 de la tuyère 8. L'extrémité avant fermée de l'enveloppe intérieure se se trouve alors proche de l'ouverture 5 de l'extrémité evant de l'enveloppe extérieure. On sait parfaItement que la sollicitation exercée dans le sens périphérique sur le carter d'une fusée ou autre récipient sous pression est le double de celle qui s'exerce dans le sens axial. la fabrication par enroulement d'une matière complexe d' un récipient sous pression peut être effectuée de façon avantageuse en incorporant a la construction, au stade des études, la résistance mécanique équilibrée nécessaire, c'est-à- dire une résistance péripbérique double de la résistance axiale. Ceci a déjà été expliqué dans le brevet américain N0 j 083 864, au nom de Young. La résistance mécanique d'un enroulement donné dans le sens périphérique est fonction du carré du sinus de l'angle d'enroulement, tandis que la résistance mécanique dans le sens longitudinal, ou sens axial, est fonction du carré du cosinus de cet angle. En conséquence, le technicien concepteur d'une structure de matière complexe faite de filaments enroulés peut modifier la résistance mé@@rique dans un sens donné, soit en modifiant l'angle d'enroulement, soit en utilisant des nombres correspondants ce touches enroulées suivant des angles différents. ne carré du sinus de l'angle 54.3/4 est le double du carré du cosinus de ce même angle.En conséquence, un récipient fabriqué par enroulement selon cet angle est équilibré. Un angle d'enroule@ent de 45 donne une résistance mécanique égale dans chaque sens. C'est pourquoi en combinant une partie d'enroulement selon un angle de 45 a une autre partie, égale à la moitié de la première et enroulée selon un angle de 90 , on e@tient aussi un @@m@t@re d@uililrée. Résistance périp@érique; sin45 é sin 90 = 1,00 Resisban@@ @@iale : ccs45 + 1/2 ces 90 = 0,50. Dans la pra@ique, pour les motenrs-fusées, on utilise un r@pport re@iet@@e périphérique/résistance axiale inférieur à 2 pour compenser la discontinuité entre le cylindre et le dôme. En tenant compte de ce qui vient d'être expliqué en référence à la figure 1, on a employé une fibre de verre Owens-Corning S/904 avec une résine epoxy, et utilisé 115 filaments par centimetre et par couche. L'enveloppe intérieure 10 a été formée par eiiroulement de sept couches suivant un angle de 280, plus une demi-couche selon un angle de 900, ce qui donne un rapport résistance périphérique/ résistance axiale de 0,38/1. L'enveloppe extérieùre 4 a été formée par enroulement de six couches sous un angle de 330 plus six couches sous un angle de 900, soit un rapport de résistance de 2,22/1. Les moteurs-fusées ainsi fabriqués ont été chargés avec une charge propulsive traditionnelle et ont été lancés avec succès. On voit donc que le procédé selon l'invention permet d'obtenir une enveloppe intérieure de chambre de fusée en deux parties, dont le rapport résistance périphérique/ résistance axiale est inférieur à celui de l'enveloppe extérieure. Lors de la mise sous pression, l'expansion de l'enveloppe intérieure est donc supérieure à celle de l'enveloppe extérieure. Pour obtenir une construction optimale, on peut tenir compte du coefficient de frottement des matières utilisées et celui-ci, avec la surface de contact entre les enveloppes, permet de trouver la différence nécessaire.de rapports de résistance. Si l'on tient compte de ces facteurs, aucun adhésif n'est nécessaire pour lier l'une à l'autre les deux enveloppes. Comme le montre la figpre 2, un récipient cylindrique 20, apte à résister à une pression interne, comprend une enveloppe extérieure 22 dont une extrémité présente une ouverture 24 dont le diamètre est égal au sien propre. L'autre extrémité forme une fermeture 26 munie d'un adaptateur 28 dans lequel est monté, soit un corps de vanne, soit une conduite (non représentés). Le récipient comprend aussi une enveloppe intérieure 30, dont une extrémité forme une fermeture 32 en combinaison avec une pièce polaire 34 enfoncée comme un bouchon, près de l'ouverture 24 de l'enveloppe extérieure 22. 1,1 autre extrémité de l'enveloppe intérieure 30 présente une ouverture 36 dont le diamètre est égal à celui de ladite enveloppe et qui se trouve près de la fermeture 26 de l'enveloppe extérieure 22.L' enveloppe intérieure 30 est montée coulissante dans l'enveloppe extérieure 22 de la même manière que elle décrite pour le motur-fus5e en référence à la figure 1. Le mode d'enroulement cie couches des enveloppes, le rapport résistance périphérique/ rs-.-ffce axiale désire et les coefficients de frottement son déterminés de la même manière. On peut donc sCtendre compte que le procédé de fabrication de récipients sous pression selon l'invention consist @ former une enveloppe extérieure ayant uniextrémité ouverte par enroulement d'une matière constituée de filaments et en lui donnant un rapport prédéterminé entre sa résistance périphérique et sa résistance axiale, à former une enveloppe intérieure ayant une extrémité ouverte par enroulement d'une matière constituée de filaments de façon qu'elle puisse coulisser dans l'enveloppe extérieure et présente un rapport entre sa résistance périphérique et sa résistance axiale inférieur à celui de l'enveloppe extérieure, et à engager l'enveloppe intérieure, par son extrémité ouverte, dans l'extrémité ouverte de l'enveloppe extérieure en l'enfonçant dans cette aernière jusqu'à butée, une forte liaison par frottement étant obtenue entre les deux enveloppes par l'application d'une pression interne et l'expansion de l'enveloppe intérieure qui en résulte. On comprendra que bien que des filaments de verre et une résine époxy aient été utilisés dans les formes d'exécution décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs, on peut utiliser d'autres matières en forme de filaments y compris des filaents de carbone et des filaments de bore, conjointement à des résines époxy ou autres. L'outil habituel ou mandrin pour fabriquer par enroulement des récipients sous pression faits de matières complexes est un outil qui se dissout, se désintègre ou se sépare lorsque le récipient a durci. L'invention permet, au contraire, d'utiliser un mandrin simple, plein ou permanent. On fabrique sur un mandrin approprié de ce type deux demienveloppes qui, lorsqu'elles ont durci, sont séparées l'une de l'autre et retirées du mandrin par les extrémités de ce dernier. an utilisant un mandrin plein et usiné à des côtes très précises, on peut obtenir un diamètre intarieur avec des tolérances très réduites. Le diamètre extérieur varie quelque peu suivant les matières employées et les conditions de travail, mais la tolerance ne dépasse généralement pas 5 % de l'épaisseur de paroi de l'enveloppe. Cependant, en raison de cette tolérance, l'enveloppe intérieure doit être usinée ou rectifiée sur une rectifieuse sans centres pour obtenir un diamètre extérieur avec une tolérance très faible et, de ce fait, un ajustement précis, sans interférence notable, entre les deux enveloppes du récipient. Un autre avantage de l'invention est que l'enveloppe extérieure peut être fabriquée plus longue que l'enveloppe intérieure. ainsi, après assemblage, la longueur en supplément de l'enveloppe extérieure constitue un embout ou une jupe permettant de fixer, par exemple, une fusée sur une tete explosive. L'invention s'applique également à des récipients sous pression autres que des fusées, par exemple des cylindres, bouteilles et réservoirs de stockage de gaz. Dans ce cas, 1' enveloppe extérieure légèrement plus prolongée forme une base commode pour placer le récipient dans une position verticale, comme le montre en particulier la figure 2. D'autres avantages de l'invention résident dans le fait qu'elle permet d'obtenir des fusées ou récipients sous pression faits de matières complexes qui sont plus faciles à fabriquer, charger et assembler que les fusées ou récipients connus. On a utilisé jusqu ici des moyens compliqués d'injection d'un adhésif dans une cavité ou autre enceinte soigneusement usinée pour lier l'une à l'autre les deux moitiés d'un récipient fait de matière complexe. Or, ce procédé et les procédés similaires sont longs et couteux. La présente invention réduit l'effort de fermeture à sa forme la plus simple, c'est-à-dire à presser l'une contre l'autre deux enveloppes ayant une extrémité ouverte. Four que les deux enveloppes restent assemblées en l'absence de pression interne, on peut étaler un mince film d'adhésif sur la face cylindrique externe de l'enveloppe intérieure avant l'assemblage. Les avantages existants pour les carters de fusées de grandes dimensions, notamment leur légèreté, leur prix de revient inférieur et l'absence de risques pour les missiles, peuvent donc être étendus aux fusées et aux récipients sous pression plus petits. -T REVENDICATICNS - Procédé de fabrication d'un récipient eylindrique CiQ de filament enroulés, apte å résister à des pressions interne, caractérisé en ce qu'il consiste à former une enveloppe extérieure ayant ure extrémité ouverte par enroulement d'une matière faite de filaments et cri lui donnant un rapport prédéterminé entre sa résistance dans le sens périphérique et sa résistance dans le sens axial, à former une enveloppe intérieure séparée, ayant une extrémité ouverte et un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre intérieur de l'enveloppe extérieure, par enroulement d'une matière faite de filaments t en lu. donnant un rapport résistance périphérique/résistance axiale Infereur à celui de l'enveloppe extérieure, et a engager l'enveloppe intérieure, par son extrémité ouverte, dans l'extrémité ouverte de l'enveloppe extérieure de façon que lors de l'application d'une pression interne, il se rodse une expansion de l'enveloppe intérieure qui crée une forte liaison par frottement entre les deux enveloppes. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce on applique un mince film d'adhésif sur la face cylindrique externe de l'enveloppe intérieure avant de la faire coulisser dans l'enveloppe extérieure. 3. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une charge propulsive de fusée est introduite dans l' enveloppe intérieure par son extrémité ouverte avant de faire coulisser ladite enveloppe dans l'enveloppe extérieure. 4. - Récipient cylindrique fait de filaments enroulés, apte à résister à des pressiens internes, caractérisé en ce qu' il comprend une enveloppe extérieure présentant à une de ses extrémités une ouverture dont le diamètre est égal au sien et une fermeture a sot autre extrémité, et une enveloppe inté rieurs placée 11 intérieur de l'enveloppe extérieure, dont le diamètre extérieur est légèrement inférieur au diamètre intérieur de l'enveloppe extériaure, ladite enveloppe intérieure ayant une fermeture à son extrémité adjacents à/l'ouverture de l' enveloppe extérieure et une ouverture d'un diamètre égal au sien à son extrémité adjacente à la fermeture de l'enveloppe extêrieure, ainsi qu'un rapport résistance périphérique/résistance axiale inférieur 8 ui de l'enveloppe extérieure, de sorte que applique une pression interne, l'expansion de l'envelop pe intérieure est supérieure à celle de l'enveloppe extérieure et crée ainsi une forte liaison par frottement entre les deux enveloppes. 5 - Récipient cylindrique fait de filaments enroulés, apte à résister à des pressions internes, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe extérieure présentant à son extrémité avant une ouverture dont le diamètre est egal au sien et dont l'extrémité arrière est apte à comporter une tuyère de fusée et une enveloppe intérieureont le diamètre extérieur est légèrement inférieur au 'diamètre intérieur de l'enveloppe extérieurs ayant son: : extrémité avant fermée et son extrémité arrière munie d'une ouverture d'un diamètre egal au sien et adaptée pour introduire une charge propulsive dans l'enveloppe intérieure, ladite enveloppe intérieure ayant un rapport résistance périphérique / résistance axiale inférieur à celui de l'enveloppe extérieure de sorte que, lors de l'application d'une pression interne, l'expansion de l'enveloppe intérieure est supérieure à celle de 1ienveloppe extérieure et crée une forte liaison par frottement entre les deux enveloppes.