Brevet FR2278661A1 — publié le 19760213

La présente invention concerne un chargement pyrotechnique pour propulseur, l'application de ce chargement à la réalisation d'un propulseur tel qu'une roquette1 et le procédé de réalisation s'y rapportant. On a constaté, particulièrement dans le cas où le chargement pyrotechnique est constitué par un faisceau de brins de propergol, que des dégradations se produisaient soit lorsque le chargement subissait des chocs à basse température, soit loris de l'allumage du propergol sous I1 effet de l'onde de pression engendrée par la combustion de la poudre d'allumage. On connaît un type de chargement dans lequel les brins de propergol sont maintenus à faible distance les uns des autres par une semelle en matière plastique dans laquelle ils sont encastrés par une de leur extrémité. L'autre extrémité des brins est seulement enserrée dans un bracelet élastique qui est partiellement en contact avec la surface interne de la ehaibre de combustion et qui tend à rapprocher les brins uls Irner des autres, particulièrement dans la zone périphérique du faisceau. Un tel bracelet permet le plus souvent d'éviter rupture des brins de propergols sous l'effet des chocs subis lors du stookage ou du transport.Cependant, ce bracelet ne joue aucun rôle protecteur lors de l'allumage, à basse température, de sorte qu'il ne permet pas de supprimer les risques de rupture occasionnée sous l'effet de l'onde de pression engendrée au moment de l'allumage. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. Le chargement pyrotechnique visé par l'invention comporte au moins un élément de propergol à surface de combustion extérieure destiné à Entre maintenu dans une chambre de combustion. Suivant l'invention, la surface de combustion extérieure de l'élément de propergol est enrobée au moins en partie par un matériau cellulaire compressible, compatible avec la nature du propergol et destructible au moins à la température de combustion de l'élément de propergol, la surface extérieure de ce matériau s'inscrivant sensiblement dans la surface définie par la paroi interne de la chambre de combustion du propulseur au regard de laquelle l'élément est destiné à etre disposé. Le matériau cellulaire qui, après,mise en place du chargement dans le propulseur, remplit au moins sur une partie de la hauteur de la chambre de combustion, l'espace non occupé par le ou les éléments de propergol, assure le calage de ce ou ces éléments. D'autre part, grâce à la compressibilité de la matière cellulaire on obtient un amortissement de l'onde de pression engendrée au moment de la mise à feu de l'allumeur, ce qui a pour effet de réduire les risques de rupture des éléments de propergol. Cette matière cellulaire destructible à la température de combustion du propergol favorise les conditions de mise à feu des éléments de propergol puisque le volume de la chambre de combustion varie en fonction de la compression et de la combustion du matériau cellulaire, de sorte que la pression des gaz de combustion augmente progressivement jusqu'à destruction totale du matériau cellulaire bien que cette destruction soit très rapide. L'invention s'applique de préférence, aux chargements comprenant un ou plusieurs éléments de propergol ayant un élancement au moins égal à 4 (rapport de la longueur de l'élément sur son diamètre), le besoin d'avoir un calage du ou des éléments de propergol ne se faisant réellement sentir qu'à partir de cette valeur de l'élancement lorsque l'élément de propergol est maintenu par la fixation de l'une de ses extrémités sur le fond de la chambre de combustion, cette fixation étant par exemple un collage. Par contre, lorsque les éléments de propergol comprennent au moins un bloc libre qui n'est maintenu dans la chambre de combustion que par un organe de maintien tel qu'une grille, l'invention permet de compléter ce maintien par un calage effectué avec le matériau cellulaire qui est efficace quel que soit l'élancement des éléments de propergol. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le chargement comportant plusieurs éléments de propergol en forme de brins ou de bandes parallèles, fixés dans un support tel qu'une semelle, est caractérisé en ce que ces éléments de propergol sont en contact avec le matériau cellulaire, à partir du support précité sur une distance comprise entre le quart et les deux tiers de la longueur des éléments. Parmi les diverses sortes de matériau cellulaire pouvant etre utilisées, 11 expérience Wiontré que les meilleurs résultats étaient obtenue avec des mousses- de matière plastique telles que des mouises de polyuréthane préparées en faisant réagir un polyol avec un durcisseur tel qu'un diisocyanate en présence d'une substance porophore, donnant un dégagement gazeux à la température atteinte au cours de la réaction de polymérisation. in effet, ces mousses présentent à la fois une rigidité suffisante pour assurer un bon calage des éléments de propergol en cas de chocs avant l'usage, notamment quand ceux-ci sont stockés à basse température, et une bonne compressibilité et destructibilité permettant une mise à feu rapide des éléments. L'invention vise également l'application du chargement pyrotechnique conforme à l'invention à la réalisation d'un propulseur. Suivant l'invention, ce procédé, dans lequel on fixe le ou les éléments de propergol au fond de la chambre de combustion du propulseur est caractérisé en ce qu'on injecte dans l'espace compris entre la surface extérieure de combustion du ou des éléments et la paroi intérieure de la chambre de combustion, un mélange de produits liquides aptes à réagir entre eux pour former "in situ" une mousse de matière plastique, telle qu' une mousse de polyuréthane. On évite ainsi la difficulté d'avoir à préparer un bloc de matière cellulaire ou de mousse en matière plastique s'insérant exactement dans la chambre de combustion et présentant des évidements parfaitement adaptés aux éléments de propergol dont il faut assurer le calage. D'autres particularités de l'invention résulteront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre La figure 1 est une vue en perspective, avec arrachements, d'une première réalisation de chargement conforme à l'invention, disposée dans un propulseur. La figure 2 est une coupe longitudinale d'un propulseur comprenant un chargement du type représenté à la figure 1. La figure 3 est une coupe longitudinale d'une roquette comprenant une autre réalisation de chargement. La figure 4 est une coupe transversale, suivant IV-IV de la réalisation de la figure 3. La figure 5 se rapporte, à la mise en oeuvre du procédé de réalisation d'un chargement pyrotechnique. On reconnait à la figure 1 la partie avant d'un propulseur 1 dont les arrachements découvrent le chargement pyrotechnique 2, comportant un élément unique 2a de propergol à combustion extérieure dont la section droite présente 4 lobes identiques entre eux. Cet élément 2a en forme de bloc est logé dans la chambre de combustion cylindrique de la roquette 1 dont la paroi 3 est munie d'un rev8tement intérieur 4 constitué par une substance réfractaire. Le rôle du revêtement 4 est de protéger la paroi 3 lors de la combustion du propergol. La surface de combustion extérieure du bloc de propergol 2a est enrobée en partie, par un matériau cellulaire compressible 5, dont la surface extérieure s'inscrit dans la surface interne de la paroi 3 munie du revêtement 4. Le matériau cellulaire 5 assure le calage du bloc de propergol 2a contre la paroi 3. La figure 2 représente une coupe longitudinale d'un propulseur du type de celui de la figure 1 dans lequel le matériau cellulaire enrobe totalement le bloc de propergol, le propulseur comprenant une ogive 6 séparée par une cloison transversale 7 de la chambre de combustion, cette cloison 7 délimitant le fond de la chambre de combustion et assurant la fixation du bloc de propergol par collage. L'espace tubulaire compris entre le revêtement réfractaire 4 et la surface extérieure du bloc 2a est rempli par le matériau de calage cellulaire 5 qui s'étend, dans l'exemple considéré, sensiblement sur l'entière surface extérieure du bloc 2a. Le propulseur 1 comporte à l'intérieur de la tuyère 9, un allumeur 10 pour la mise à feu du chargement pyrotechnique constitué par le bloc 2a et le matériau cellulaire 5. Il doit y avoir compatibilité entre le propergol dont est constitué le bloc 2a et le matériau cellulaire 5, ce matériau 5 ne doit comprendre aucun agent, tel qu'un réactif ou un solvant, susceptible de réagir avec le propergol. D'autre part la mise en oeuvre du matériau 5 doit avoir lieu dans des conditions laissant le propergol inaltéré ; notamment dans le cas où le matériau 5 doit entre appliqué à l'état non polymérisé sur le bloc 2a, le propergol ne doit pas subir un commencement de dégradation à la température à laquelle s'effectue la polymérisation du matériau cellulaire 5. binai, pour l'enrobage des propergols homegenes extrudés à double base (nitrocellulose et nitroglycérine), on ne peut pas utiliser de mousses de polystyrène car, avant le durcissement de la mousse, il se produirait une dissolution du propergol. Les mousses de chlorure de polyvinyle ne conviennent pas non plus car 1' expansion de ces mousses exige des températures auxquelles le propergol subit une dégradation.Par contre, les mousses de matière plastique, telles que les mousses de polyuréthanes, de polyesters et les mousses de résines époxydes, sont compatibles avec les propergols et sont polymérisables à une température inférieure à celle à laquelle le propergol commence à se dégrader. il est, en outre, préférable que le matériau de calabe cellulaire 5 et le propergol adhérent sfisamment l'un à l'autre pour qu'aucun décollement ne puisse se produire.jusqutau moment de la mise à feu, notamment sous l'action de variations de température. Cette adhérence peut être obtenue pour des matériaux cellulaires préconstitués à la forme des éléments de propergol par l'intermédiaire d'une colle, à condition que celle-ci soit combustible à une température au plus égale à celle de la combustion du propergol. Mais il est préférable, en général, d'employer un matériau de calage cellulaire 5 qui adhère de lui-même au propergol, sans adjonction d'une substance intermédiaire. Les mousses matière plastique telles que les mousses de résines époxydes, de polyesters et de polyuréthanes citées précédemment conviennent également à cet effet. On utilisera, cependant de préférence, une mousse de polyuréthane du type rigide, présentant une densité supérieure à 0,2. Une telle mousse permet d'assurer un excellent calage grâce à sa rigidité. Cette mousse est également suffisamment compressible pour amortir efficacement l'onde de pression engendrée au moment de l'allumage et pour absorber les variations de dilatation thermique de l'élément de propergol et sa destruction est très rapide ce qui ne perturbe pas la combustion de ltélEment de propergol après la phase de mise en pression. On donne ci-après un exemple non limitatif de composition de mousse de polyuréthane convenant en tant que matériau cellulaire de calage - composé organique liquide, renfermant des groupements OH alcoolique tel que le produit désigné sous le nom de Mixuranne 15 030 par la Société SHEBY : 24 g - diisocyanate, agissant en tant que durcisseur, tel que le produit désigné sous le nom de 3ékadur 16000 par la Société SHEBI : 19 g - agent porophore, tel que le produit désigné sous le nom de Forane par la Société DEVON : 2 g - catalyseur de durcissement : 0,5 g. Une telle mousse de polyuréthane présente une densité voisine de 0,3. la figure 3 est une coupe longitudinale, analogue à la figure 2, d'un deuxième anode de réalisation de l'invention, dans lequel le chargement propulsif est constitué par un faisceau très dense de brins 12 de propargol, dont une partie seulement a été représentée sur la figure 2 afin d'en faciliter la compréhension, tous ces brins parallèles à 1' axe XX du corps Il du propulsur. Comme le montre la figure 4 les brins 12 sont répartis d t une façon sensiblement uniforme dans une section transversale quelconque de la chambre de combustion. Vers 1' avant, leurs extrémités sont encastrées dans une semelle transversale 18. Les brins 12 sont séparés les uns des autres et disposés en contact avec un matériau de calage cellulaire 15 sur une distance h à partir de la semelle 18. Au-delà de cette distance les brins 12 sont libres. La longueur totale des brins 12 étant égale à H, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque h est compris entre les limites suivantes 014 513 Lorsque h est inférieur à 4 les brins de propergol ne sont pas suffisamment calés par le matériau cellulaire 15 ; lorsque h devient supérieur à 2aH, les résultats obtenus ne montrent plus d'amélioration notable. En fonctionnement, dès la mise à feu de l'allumeur 10 qui produit un flux thermique élevé et génère un volume de gaz important en un délai très court, le matériau cellulaire 15 se dégrade à partir de sa surface 16 mais il se comprime également ce qui augmente sa rigidité et renforce donc momentanément l'encastrement des brins 12 de propergol. La compression du matériau cellulaire permet de plus d'amortir l'onde de choc produite par l'allumer 10 puisque le volume libre de la chambre de combustion peut s'accroître en fonction de la surpression initiale due à l'allumage. Dès que la combustion des éléments de propergol est amorcée les conditions thermodynamiquess,de température et de pression entratnent une destruction très rapide du matériau cellulaire 15 et la totalité de la surface extérieure des éléments de propergol est en combustion, les caractéristiques globales de combustion du chargement pyrotechnique selon l'invention étant sensiblement identiques aux caractéristiques de combustion du chargement pyrotechrLque classique ne comprenant pas un matériau "de calage" cellulaire, la seule modification intervenant durant un court instant au moment de l'allumage et au tout début de la phase de combustion. Un procédé avantageux pour réaliser un chargement pyrotechnique du type correspondant aux figures 3 et 4 est illustré par la figure 5. On reconnaît sur celle-ci le corps 11 de la roquette démunie d'ogive et de tuyère. A l'intérieur du corps il se trouvent les brins de propergol 12, qui sont encastrés dans la semelle 18 qui est collée contre le fond 7. Entre ces brins 12 aboutissent des buses d'inJection 20 partant d'une tête mélangeuse 21. Cette tête 21 est alimentée par des pompes doseuses telles que 22a, 22b, 22c, 22d dont le nombre est au moins égal à celui des produits liquides nécessaires à la confection du mélange de produits aptes à réagir entre eux pour former "in situ" une mousse de matière plastique. Ces produits liquides sont contenus respectivement dans des réservoirs tels que 23a, 23b, 23c, 23d. lorsque le chargement pyrotechnique ne comporte qu'un bloc de propergol, le mélange préparé dans la tête mélangeuse 21 est injecté au moyen des buses d'injection 20 dans l'espace compris entre la surface extérieure du bloc et la paroi du propulseur. Après polymérisation du mélange injecté on obtient ainsi un matériau cellulaire 15, tel qu'une mousse de polyuréthane adhérant légèrement à la surface du bloc et à la paroi du corps du propulseur. Lorsque le chargement pyrotechnique contient plusieurs éléments de propergol en forme de brins fixés au fond 7 de la chambre de combustion dans la semelle 18, comme indiqué à la figure 5, le mélange liquide est de préférence injecté en au moins deux zones disposées symétriquement par rapport à l'axe YY de la chambre de combustion et sensiblement à égale distance entre ledit axe et la paroi intérieure de la chambre de combustion. Cette disposition permet une répartition sensiblement uniforme de la mousse et évite des contraintes localisées dues à ltexpansion de cette dernière. Après polymérisation, le matériau cellulaire 15 occupe ainsi un volume sensiblement cylindrique dont la hauteur est préférentiellement déterminée par la quantité de mélange liquide qui a été introduite dans la chambre de combustion. Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites et qu'on peut apporter à celles-ci de nombreuses variantes d'exécution sans sortir du cadre de cette invention. En particulier, notamment quand le chargement se compose d'un petit nombre d'éléments, le bloc de matériau cellulaire destiné au calage de ces éléments peut titre fabriqué à l'avance en ménageant les évidements nécessaires au logement des éléments de propergol. Le matériau cellulaire peut d'autre part être discontinu et entre constitué par plusieurs blocs empilés les uns sur les autres. Le matériau cellulaire peut entre une résine allégée par des microsphères creuses dont la densité préférentiellement n'excède pas 0,5 afin de limiter leur effet au moment de l'allumage et au début de la phase de combustion. Les polyuréthanes, les résines époxy et les polyesters peuvent convenir et les micro sphères sont par exemple en silice ou préférentiellement en résine formophénolique et peuvent contenir de l'air, de l'azote ou du gaz carbonique. REVENDICATIONS 1. Chargement pyrotechnique pour chambre de combustion utilisable notamment dans les propulseurs, comportant au moins un élément de propergol à surface de combustion extérieure, devant être maintenu dans la chambre de combustion, caractérisé en ce que la surface de combustion extérieure de I'élément de propergol est enrobée au moins en partie par un matériau cellulaire compressible, compatible avec la nature du propergol et destructible au moins à la température de combustion de l'élément de propergol, la surface extérieure de ce matériau s'inscrivant sensiblement dans la surface définie par la paroi interne de la chambre de combustion du propulseur au regard de laquelle lteSément est destiné à être disposé. 2. Chargement conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau cellulaire enrobe partiellement la surface extérieure de l'élément de propergol. 3. Chargement conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau cellulaire adhère à l'élément de propergol. 4. Chargement conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau cellulaire adhère à l'élément de propergol par la polymérisation dudit matériau directement au contact de l'élément de propergol. 5. Chargement conforme à la revendication 1, comportant plusieurs éléments de propergol en forme de brins ou de bandes parallèles, ces éléments étant fixés dans un support tel qu'une semelle, caractérisé en ce que ces éléments de propergol sont en contact avec le matériau cellulaire, à partir du support précité sur une distance comprise entre le quart et les deux tiers de la longueur des éléments. 6. Chargement conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau cellulaire est constitué à partir d'une matière plastique polymérisable à une température inférieure à celle à laquelle le propergol eommence à se dégrader. 7. Chargement conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que la matière plastique est une mousse de résine polyuréthane, de résine époxyde ou de polyester. 8. Chargement conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que la mousse de matière plastique est une mousse de polyuréthane rigide de densité supérieure à 0,2. 9. Bpplication du chargement pyrotechnique conforme à l'une quelconque des revendications t à 8 à la réalisation d'un propulseur tel qu'une roquette. 10. Procédé pour la réalisation d'un propulseur conforme à la revendication 9, dans lequel on maintient le ou les éléments de propergol à la chambre de combustion du propulseur, caractérisé en ce qu'on injecte dans l'espace compris entre la surface extérieure du ou des éléments et la paroi intérieure de la chambre de combustion, un mélange de produits liquides aptes à réagir entre eux pour former "in situ" une mousse de matière plastique. 11. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que le mélange de produits liquides est injecté en au moins deux zones disposées symétriquement par rapport à l'axe de la chambre de combustion et sensiblement à égale distance entre ledit axe et la paroi intérieure de la chambre de combustion.