Brevet FR2276555A1 — publié le 19760123

La présente invention concerne des éléments de propergol destinés notamment aux chargements pyrotechniques présentant une faible durée de combustion et utilisables pour la propulsion d'engins tels que des roquettes. L'invention vise également les chargements pyrotechniques notamment du genre comprenant un ensemble d'éléments en forme de bandes disposés parallèlement autour d'un axe. Il est connu de réaliser sur des éléments de propergol de forme parallélépipédique des entailles pour diminuer l'épaisseur de combustion des éléments et pour obtenir ainsi une faible durée de combustion. Dans de tels éléments, le fond des entailles est situé à une distance constante de la surface de combustion finale, pour minimiser les résidus de combustion. Les flancs de ces entailles délimitent d'autre part des protubérances d'épaisseurs égales. La présence de ces entailles augmente cependant la surface de combustion initiale de l'élément de propergol. Ainsi ces éléments présentent une surface de cumbustion dégressive qui entre une décroissance corrélative de la pression des gaz de combustion générés dans la chambre de combustion où sont placés ces éléments. Or, comme on le satt, il est au contraire souhaitable que la pression des gaz de combus -trioa reste aussi constante que possible pendant la durée de la com bustion. Les chargements de propergol présentant de tels éléments présentent encore un autre inconvénient : la chambre de combustion étant généralement cylindrique, on est amené à disposer des éléments en forme de bande très près les uns des autres pour obtenir un coefficient de remplissage maximum. On crée de ce fait au voisinage des bandes adjacentes des zones dans lesquelles se produit une combustion érosive qui entrain, en début de combustion, une surpression notable. Cette surpression accroît encore la dégressivité de la combustion des éléments de propergol à entailles.On sait d'autre part, que les chargements pyrotechniques doivent très souvent générer des gaz selon plusieurs régimes différents de débits, le prerégime devant généralement Btre d'un niveau de pression supérieur à celui des ries suivants pour assurer l'accélération de l'engin. On peut obtenir plusieurs régimes de poussée en utilisant des élérlents constitués par des compositions différentes de proper ol. L'utilisation de plusieurs compositions de propergol entrains cependant des difficultés de montage et une mauvaise répartition du débit gazeux dans la chambre de combustion. L'un des buts de l'invention est par conséquent de réaliser des filéments de propergol présentant des entailles sur leur surface extérieure, comprenant des moyens pour limiter la dégressivité de la surface de combustion et corrélativement les effets dûs à la combustion érosive qui suit l'allumage. Un autre but de l'invention est de réaliser des éléments de propergol présentant en plus de l'avantage précité, celui d'avoir plusieurs régimes de combustion, ces éléments étant constitués par une seule composition de properol. Suivant l'invention, l'élément de propergol qui comporte sur au moins l'une de ses faces des entailles linéaires dont les fonds sont situés à une distance constante de la surface de combustion finale de l'élément et dont les flancs délimitent des protubérances est caractérisé en ce que l'extrémité des protubérances est recouverte au moins partiellement par un inhibiteur de combustion. La présence de l'inhibiteur de coinbustion sur l'extrémité des protubérances permet ainsi de diminuer la surface de combustion initiale de l'élément de propergol, sans modifier son épaisseur de combustion et sans affecter la surface de combustion obtenue lorsque les protubérances sont complètement consummées. On peut ainsi réduire l'écart existant entre la surface de combustion initiale et la surface de co,7bustion finale et de ce fait les effets dOs à la surpress ion initiale en cas de combustion érosive. Selon une version avantageuse de l'invention, l'élément comprend des protubérances d'épaisseurs inégales. Dans cette réalisation, la surface de combustion croit linéairement jusqu l'élimina- tion de la protubérance ou des protubérances présentant l'épaisseur la plus faible. On obtient ensuite une légère décroissance de la surface de combustion nuis une croissance linéaire de celle-ci jusqu'à l'élimination de la protubérance ou. des protubérances présentant une épaisseur immédiatement supérieure aux protubérances précitées. La surface de combustion subit alors une nouvelle décroissance.En cas de pluralité d'épaisseurs différentes, on peut ainsi remplacer la décroissance brutale de la surface de combustion dans le cas de protubérances d'égales épaisseurs, par une décroissance progressive selon une courbe sensiblement ren escalier". Selon une version préférée de l'invention, l'élément de propergol présente des entailles sur deux faces opposées, les entailles de l'une des faces étant décalées par rapport aux entailles de l'autre face. Cette disposition permet de limiter la formation de résiduels en fin de combustion. L'invention vise également un chargement pyrotechnique comportant plusieurs éléments de propergol disposés parallèlement à un axe commun caractérisé en ce qu'une partie au moins de ces éléments est constituée par des éléments de propergol du genre défini précé gemment; D'autres particularités et avantages de l'invention apparattront dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la Fig. 1 est une vue en perspective partielle d'un élément de propergol conforme à l'invention. la Fig. 2 est une vue en perspective partielle, d'un autre élément de propergol. la Fig. 3 est une vue en coupe longitudinale partielle, d'une troisième version d'élément de propergol, la Fig. 4 est une vue en coupe longitudinale partielle d'une quatrième version d'élément de propergol, la Fig. 5 est une vue en coupe longitudinale partielle d'une cinquième version d'élément de propergol, la Fig. 6 est une vue de dessus partielle d'une sixième version d'élément de propergol, la Fig. 7 est une vue en coupe transversale d'un chargement pyrotechnique conforme à l'invention placé à l'intérieur d'une roquette. La Fig. 8 est une vue en coupe transversale partielle d'une variante de chargement pyrotechnique, La vig. 9 est une vue en coupe transversale partielle d'une autre variante de chargement pyrotechnique. Les Fig. 10 à 15 sont des courbes d'évolution de la surface de combustion en fonction de l'avancement de la combustion pour différentes réalisations d'éléments. En référence à la figure 1, on voit un élément de propergol de forme générale parallélépipédique présentant sur l'une de ses faces des entailles linéaires 1. Le fond 2 des entailles 1 est situé à une distance constante e de la face opposée 3 de l'élément, cette face définissant la surface de combustion finale. La distance e correspond à l'épaisseur de combustion de l'élément. Les flancs 4 des entailles 1 délimitent des protubérances linéaires 5 régulièrement espacées et parallèles les unes aux autres. Dans cette réalisation, les protubérances 5 présentent chacune une épaisseur égale à 2e et leur section est constante suivant leur longueur. Conformément à l'invention, l'extrémité des protubérances 5 est recouverte par une couche constituée par un inhibiteur de combustion. Dans la réalisation de la figure 1, cette couche 6 recouvre complètement l'extrémité des protubérances 5 et présente de ce fait une largeur égale à 2e. On voit d'autre part que la face de l'élé- ment de la figure 1 opposée à celle comportant les entailles 1 est revêtue entièrement par une couche 7 d'inhibiteur de combustion. La largeur 2e des entailles 9, ne joue aucun rôle critique. Cette largeur doit cependant être suffisante pour éviter que la combustion soit perturbée au niveau des entailles et notamment pour éviter la combustion érosive qui entraînerait une surpression locale des gaz de combustion. On a représenté à la figure 10, l'évolution de la surface de combustion Sc de l'élément de la figure 1 en fonction de l'avance a de la combustion. On voit que la surface de combustion Sc est croissante (voir courbe en trait plein) Jusqutà ce que l'épaisseur de combustion e soit consummée, c'est-à-dire lorsque le fond de combustion atteint la limite 8 représentée en trait discontinu à la figure 1. La surface de combustion décrott alors brutalement jusqu'à l'extinction complète. A la figure 10 on a également représenté en trait dis continu l'évolution de la surface de combustion d'un élément identique à celui de la figure 1, mais dépourvu de couche 6 d'inhibiteur de combustion. Dans ce cas, la surface de combustion initiale est plus importante puisqu'elle comprend également les portions de surface correspondant à 1' extrémité des protubérances 5. La surface de combustion est ensuite décroissante et rejoint celle de l'élément conforme à l'invention présentant la couche 6 d'inhibiteur, lorsque le front de combustion atteint la limite 8. Les courbes de la figure 10 permettent de comprendre le rôle de l'inhibiteur de combustion qui recouvre les extrémités des protubérances. On voit en effet que cet inhibiteur de combustion permet de réduire. l'écart existant entre la surface de combustion initiale de l'élément et la surface de combustion atteinte lorsque l'épaisseur e a été consummée. On comprend que de ce fait, on minimise les effets dûs au pic de surpression initiaie Pi (voir figure 10) engendré par la combustion érosive de l'élément et on peut obtenir ainsi. que la pression initiale soit égale à la pression maximale atteinte lorsque le front de combustion atteint la limite 8 indiquée à la figure 1. A la figure 2, on voit un élément de propergol présentant des entailles 9 sur ses deux faces opposées, ces entailles définissant des protubérances 10 parallèles et d'épaisseur constante 2e, comme dans la réalisation de la figure 1. Le fond 11 des entailles 9 est situé à une distance constante 2e du plan médian P de 1 'élément qui constitue la surface de combustion finale. L'extrémité plane de chaque protubérance 10 est revêtue par une couche 12 d'inhibiteur de combustion. Cet élément présente d'autre part la particularité que les entailles situées sur l'une des faces sont décalées par rapport à celles situées sur l'autre face, chaque fond des premières étant situé dans un plan équidistant de deux entailles situées sur 1' autre face. La figure 1l montre l'évolution de la surface de combustion Sc de élément de la figure 2, en fonction de l'avance a de la combustion. Dans une première phase, la surface de combustion est progressive de façon à minimiser les effets de la surpression initiale en cas de combustion érosive. Â l'issue dè cette première phase, on atteint la limite 13 représentée en traits discontinus à la figure 2, qui correspond à une épaisseur consumée égale à e. A ce stade, la surface de combustion chute brutalement puis évolue de façon constante jusqu'à ce que le front de combustion atteigne la limite 14, qui correspond à une épaisseur consumée égale à 2e. La surface de combustion chute à nouveau brutalement jusqu'à I'ëxtinction complète.On constate qu'il subsiste très peu de résiduels lorsque le front de combustion atteint la limite 14. Ce résultat est dû au fait que les entailles situées sur l'une des faces sont décalées par rapport à celles situées sur l'autre face, ce qui entraîne également un décalage des fronts de combustion. On voit ainsi que l'élément de la figure 2 est une réalisation simple d'élément de propergol à deux régimes de combustion, le premier régime étant utilisable pour accélérer un engin tel qu'une roquette et le second régime permettant d'assurer une poussée constante pour maintenir l'engin à sa vitesse de croisière. La réalisation de la figure 3 présente à la différence de celles des figures 1 et 2, des protubérances d'épaisseurs inégales entre elles. Bes protubérances 15, 16 et 17 présentent dans cet exem plue, des épaisseurs égales respectivement à dl, d2 et d3, dl étant inférieur à d2 et d2 étant inférieur à d3. L'extrémité des protubérances étant revêtue par une couche 18 d'inhibiteur de combustion, la surface de combustion (voir figure 12) est croissante jusqu'à ce que le front de combustion atteigne l'épaisseur dl/2. A cet instant, la protubérance 15 d'épaisseur dl est entièrement consumée. Ceci se traduit par une légère chute de la surface de combustion qui s'explique par la jonction des fronts de combustion 19 et 20 représentés à la figure 3. La surface de combustion continue ensuite à croître jusqu'à ce que les fronts de combustion 20 et 21 se rejoignent au milieu de la protubérance 16 d'épaisseur d2 c'est-à-dire lorsque l'épaisseur d2/2 est atteinte. On observe alors une nouvelle décroissance brutale de la surface de combustion. Cette surface croît ensuite à nouveau jusqu'à ce que les fronts de combustion 21 et 22 se rejoignent au milieu de la protubérance 17 d'épaisseur d3/2. Le fait que les protubérances de l'élément de la figure 3 présentent des épaisseurs inégales permet par conséquent de remédier aux inconvénients de la décroissance brutale que subit la surface de combustion après élimination simultanée des protubérances d'énais- seurs égales. Dans le cas de la réalisation de la figure 3, cette décroissance brutale est en effet remplacée par une décroissance progressive selon une courbe sensiblement tten escalier". On peut bien entendu appliquer les caractéristiques de la réalisation de la figure 3 à celle de la figure 2. Dans un tel cas, on peut obtenir une transition progressive entre le régime de poussée croissante initial et le régime de poussée constante. La réalisation de l'élément de la figure 4 comporte des protubérances 23 qui présentent la particularité autre séparées par des entailles 24 de profondeurs inégales. Dans cette réalisation les deux faces opposées comportant les entailles 24 forment entre elles un certain angle A. Cet angle A peut avoir une valeur quelconque comprise entre O et 900, pourvu que le fond des entailles 24 se trouve situé à une distance constante du plan médian P. On comprendra plus loin que lorsqu'un tel élément est disposé dans la chambre de combustion cylindrique d'un propulseur, on améliore le coefficient de remplissage. Le fond 25 des entailles 24 est situé à une distance constante 2e du plan médian P de 11 élément et les entailles de l'une des faces sont décalées par rapport à celles ae l'autre face comme dans la réalisation de la figure 2. A la figure 5, on voit un élément présentant des entailles 27 affectant une section transversale sensiblement en V à fond plat, les protubérances 28 étant deépaisseure égales et parallèles entre elles. l'évolution de la surface de combustion de cet élément est représentée à la figure 13. On voit que cette surface de combustion est croissante jusqu'à ce aue l'épaisseur consumée soit égale à e. Cette épaisseur e est dans cet exemple égale à la largeur de l'e - trématé des protubérances 2a. L'épaisseur e étant atteinte, la surface de combustion au lieu de chuter brutalement, décroît lentement suivant une droite dont la pente est liée directement à celle des flancs des entailles 27. Cette disposition s'applique avaeta- geusement au cas des éléments à plusieurs régimes de combustion, comme celui représenté à la figure 2. Dans ce cas, grâce à la section en V des entailles 27 on peut assurer une transition progressive entre le premier et le second régimes de combustion. A la figure 6, les entailles 29 au lieu d'entre parallèles comme dans les réalisations précédentes, forment entre elles un certain angle b pouvant par exemple, varier entre 0 et 450, suivant l'effet technique recherché. On comprend, en effet que plus est grand l'angle b, moins est élevé le nombre des entailles de l'élément. Par ailleurs, plus est grand l'angle b, plus sera important le changement de pente de la surface de combustion après que l'épaisseur e aura été consumée. L'évolution de la surface de combustion de cet élément est représentée à la figure 14. On voit que la surface de combustion est croissante jusqu'à ce que le front de combustion atteigne l'épais- seur e, c'est-à-dire la demi-épaisseur minimum des protubérances 30. Les lignes en trait discontinu 31 représentent à la figure 6, la limite atteinte par le front de combustion lorsque L'éPaisseur e a été consumée. Au-delà de cette limite, la pente de la surface de combustion diminue, cette pente étant liée directement à l'angle b compris entre deux entailles 29 voisines. On peut ainsi déterminer un angle b qui permette d'assurer une surface de combustion sensiblement constante au-delà de l'épaisseur e. La détermination de l'angle b optimum peut être effectuée empiriquement dans chaque cas de réalisation, étant fonction de l'épaisseur e de l'élément et de ses dimensions. On voit par conséquent que cet élément permet d'obtenir un régime de pression de gaz de combustion pratiquement constant dans la phase de combustion précédant l'allumage. Le fait que la surface de combustion soit progressive dans la phase préliminaire est en outre avantageux en raison de la surpression engendrée immédiatement après l'allumage en cas de combustion érosive. On peut réaliser un élément de propergol présentant les mêmes caractéristiques de combustion que celui décrit en référence à la figure 6, en remplaçant les entailles 29 à flancs parallèles, par des entailles dont les flancs forment entre eux un certain angle et séparées par des protubérances dont la section est variable suivant le sens de leur longueur. A la réalisation de la figure 7, on voit un chargement pyrotechnique comprenant une série d'éléments de propergol constitués par des bandes de propergol s'étendant parallèlement à l'axe O de la chambre de combustion 41 cylindrique qui est délimitée par la paroi 42 d'une roquette. Dans cette réalisation, les éléments 40 sont disposés radialement par rapport à 1' axe 0 et sont encastrés dans une virole centrale 43 constituée par un inhibiteur de combustion, cette virole servant de support pour le chargement. Dans cet exemple, les éléments 40 sont du genre de celui décrit en référence à la figure 2, étant munis sur leurs faces adjacentes d'entailles 44 délimitant des protubérances 45 dont l'extrémité est revêtue par une couche 46 d'inhibiteur de combustion. Bien entendu, une partie seulement des éléments 40 peut être constituée par des éléments conformes à l'invention, c'est-à-dire dont les protubérances 45 sont revêtues par un inhibiteur de combustion. On peut en effet être amené dans certains cas à ne diminuer que légèrement la surface de combustion globale initiale du chargement, par exemple lorsque la surpression initiale des gaz de combustion est peu importante. Dans ce cas, la répartition entre les éléments inhibés et non inhibés doit etre régulière autour de l'axe O de Saçon à ne pas creer de déséquilibre de pression. Les réalisations des figures 8 et 9 sont relatives à des chargements pyrotechniques constitués par des éléments de propergol 47 (ou 4S) disposés radialement et parallèlement à l'axe de la charre de combustion 49. Dans les exemples considérés, le chargement est constitué par 10 éléments identiques à l'élément 47 (ou 48) représent'. On voit d'autre part que les éléments 47 (ou 48) sont reliés à une virole centrale (50) en propergol. Dans les deux cas, l'ensemble formé par les éléments 47 (ou 48) et la virole 50 constltue un chargement monobloc entièrement combustible encastré dans la chambre de combustion 49 de la roquette. Dans les deux cas également, les faces latérales de chaque élément 47 (ou 48) ne sont pas parallèles, l'extrémité de l'élément dis rosée en contact avec la paroi 51 de la chambre de combustion étant sensiblement plus large que celle adjacente à la virole centrale ,0. Cette disposition permet d'obtenir un excellent coefficienb de remplissage. Chacune des faces latérales des éléments 47 (ou 48) comprend une série d'entailles 52 o@ dont les fonds sont situés à une distance constante du plan médian P de chaque élément. Les entailles situées sur l'une des faces de l'élément sont en outre décalées par rapport à celles situées sur la face opposée. On voit d'autre part que les protubérances 54 (ou 55) délimitées par les entailles 52 (ou 53) ont leur extrémité revêtue par une couche 56 d'inhibiteur de combustion. Dans les deux réalisations représentées les protubérances 54 (ou 55) sont d'épaisseurs inégales entre elles. A la figure 8, l'étaisseur de chaque protubérance est constante, sauf celles faisant partie de l'extrémité de l'élément qui est disposée en contact avec la paroi de la chambre de combustion. l'élément du chargement de la figure 8 comprend par conséquent en combinaison les caractéristiques de l'élément de la figure 3 (protubérances d'épaisseurs inégales) et de celui de la figure 4 (faces non parallèles). l'évolution de la surface de combustion So du chargement de la figure 8 est rprésentee' la figure 15. Cette surface de combus tion est croissante jusqu'à ce que 12 jonction des fronts de combustion soit réalisée au niveau de la protub rance 54 la moins épaisse. La surface de combustion décroSt ensuite progressivement suivant une courbe présentant des discontinuités dues à l'inégalité des épaisseurs des protubérances 54 jusqu'à la suppression de ces dernières. A partir de cet instant, la surface de combustion est constante. Cette dernière serait dans cette phase, dégressive si la virole interne 50 n' était pas traversée par un canal central (voir trait discontinu de la figure 15). On voit par conséquent que le chargement de la figure 8 comprend trois régimes de combustion un un premier régime de combustion progressive pour fournir l'accélération voulue à l'engin et dans lequel on réduit notablement les effets de la surpression initiale due à la combustion érosive, - un régime de combustion transitoire progressivement décroissante, permettant de réduire les effets dûs à une chute brutale de la pression des gaz de combustion et, - un troisième régime de combustion à pression constante permettant de maintenir l'engin à sa vitesse de croisière. L'élément de chargement de la figure 8 présente la particularité que 1' épaisseur des protubérances n' est constante que sur une partie seulement de leur hauteur. Bes protubérances sont délimitées au voisinage de leur extrémité par deux flancs formant un dièdre convergent vers cette extrémité. Cette réalisation comprend onc en partie l'une des particularités de l'élément de la figure 5 (entailles de section sensiblement en V). L'évolution de la surface de combustion du chargement de la figure 9 comprend trois régimes de combustion comme le chargement de la figure 8, mais la phase de transition est modifiée en raison de la forme particulière des protubérances. La réalisation des éléments de propergol et des chargements pyrotechniques conformes à l'invention peut être effectuée par extrusion ou laminage, par exemple, de propergol du type double base homogène sans dissolvant. L'opération d'extrusion ou de laminage est suivie par un rainurage. Le revêtement inhibiteur de combustion peut être réalisé par application directe d'un enduit inhibiteur constitué par exemple par le mélange des composés suivants Résine polyester 100 parties en poids. Peroxyde de benzoyle 48 parties en poids. Lithopone (charge constituée par un mélange de sulfate de baryum et de sulfure de zinc) 222 parties en poids. Diéthylaniline 0,3 partie en poids. Le revêtement inhibiteur peut également être obtenu par collage d'un ruban d'inhibiteur de combustion. Bien entendu, il n'est pas indispensable que la couche d'inhibiteur de combustion recouvre entièrement l'extrémité des protubérances. Ce revêtement peut en effet être constitué par une couche discontinue d'inhibiteur ou par des éléments de ruban d'inhibiteur ne recouvrant qu'en partie l'extrémité des protubérances. Dans ce cas, la réduction de la surface de combustion initiale de l'élément ou du chargement conforme à l'invention est moins importante que lorsque l'extrémité des protubérances est entièrement revêtue par un inhibiteur. Cette réduction de la surface initiale peut néanmoins être suffisante pour minimiser les effets dus à la combustion érosive. De même, les entailles au lieu d'être rectilignes comme dans les réalisations décrites peuvent être arquées, la section des protubérances pouvant être dans ce cas constante ou variable suivant leur longueur. R E V E N D I C A T I O N S 1. Elément de propergol comportant sur au moins l'une de ses faces des entailles dont les fonds sont situés à une distance constante de la surface de combustion finale de l'élément, les flancs de ces entailles délimitant des protubérances, caractérisé en ce que ltestrémité des protubérances est recoverte au moins partiellement par un inhibiteur de combustion. 2. Elément de propergol conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des entailles sur deu de ses faces opposées, les entailles situées sur l'une des faces étant décalées par rapport à celles situées sur l'autre face. 3. Elément de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux protubérances dont les épaisseurs sont inégales. 4. Elément de propergol conforme à l'une quelconque des revencations 1 à 3, caractérisé en ce que la face comportant des entailles forme avec la face opposée un certain angle, la profondeur des entailles étant inégale. 5. Elément de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les flancs délimitant chaque entaille et chaque protubérance sont plans et parallèles. 6. Elément de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les flancs délimitant chaque entaille forment entre eux un certain angle, ouvert vers l'extérieur de l'élément. 7. Elément de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la section des protu- bérances est variable suivant leur longueur, les entailles -2-orniant entre elles un certain angle. 8. Elément de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la section des entailles est variable. 9. Elément de propergol conforme à l'une quelconque des revendications 1, 3 à 8, caractérisé en ce que la face opposée à celle comportant des entailles est plane et revêtu entièrement par un inhibiteur de combustion. 10. Elément de propergol conforme l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les entailles sont arquées suivant leur iongueur. 11. Application d'un élément conforme " l'une des revenaications 1 à 10 à la réalisation d'un chargement pyrotechnique, celuici comprenant plusieurs de ces éléments de propergol parallèles à un axe commun. 12. Chargement pyrotechnique conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que les éléments de propergol sont disposés ra- dialement par rapport à l'axe commun. 13. Chargement pyrotechnique conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments sont encastrés dans une virole centrale constituée par un inhibiteur de combustion. 14. Chargement pyrotechnique conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments sont solidaires d'une virole centrale de propergol, l'ensemble constituant un chargement monobloc entièrement combustible.