Brevet FR2268165A1 — publié le 19751114

La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur , en particulier à des chambres de combustion refroidies parregénération pour propulseurs-fusées à propergol liquide, constitue par un corps de base monobloc en un matériau métallique thermiquement bon conducteur , en particulier en cuivre exempt d'oxygène , et comportant des canaux de refroidissement continus parcourus par au moins un liquide de refroidissement, notamment au moins un des constituants du propergol, ces canaux étant recouverts par une paroi externe constituée par une couche intermédiaire à paroi relativement mince déposée par galvanoplastie sur le corps de base et par un blindage en un matériau métallique de haute résistance,- à paroi relativement épaisse et déposé par galvanoplastie sur la couche intermédiaire; la présente invention vise, en outre, un procédé pour la mise en oeuvre de tels échangeurs de chaleur. Dans les propulseurs-fusées à propergol liquide, il est courant, pour le refroidissement de la paroi des tuyères dtéjec- tion et de la chambre de combustion, d'introduire , à l'extrémité arrière des tuyères d'éjection, et ce, par une bague d'amenée,au moins un des constituants du propergol participart à la combustion, dans des canaux de refroidissement disposés longitudinalement à l'intérieur de la paroi desdites tuyères d'éjection et de la chambre de combustion et, par ces canaux, de l'envoyer vers l'avant où le constituant du propergol est recueilli dans un anneau et amené dans la tette d'injection de la chambre de combustion. En matière de construction de fusées, les modes de réalisation connus des chambres de combustion comportent, en général, des matériaux ayant une résistance à la corrosion relativement faible, ce qui exclut > priori, l'emploi d'ergols liquides facilement stockables comme pat esemple-l'acide nitrique fumant rouge. Comme toutefois, les propulseurs-fusées fonctionnant avec des ergols liquides stables au stockage sont , par suite de leur très grande disponibilité , supérieurs aux propulseurs à ergols cryogéniques , l'objet de la présente invention est, par conséquent, la construction d'une chambre de combustion qui soit économique et résistant à la corrosion vis-à-vis de tous les ergols liquides et stables au stockage actuellement connus pour les fusées. Dans les modes de réalisation actuellement connus, la limite de résistance vis-à-vis de la température et de la pression est généralement très rapidement atteinte pour des raisons techni ques et constructives. Avec un échangeur de chaleur du type précité,ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que les parois, situées à l'intérieur du corps de base , des canaux de refroidissement, sont revêtues de couches de protection contre la corrosion en aluminium, déposées par galvanoplastie et d'au moins quatre microns dlépai- sseur environ ou bien sont constituées par un matériau résistant à la corrosion, en particulier en acier inoxydable, et que la couche intermédiaire est en aluminium, éventuellement durci par écrouissage à froid et/ou par dispersion, et présente une épaisseur d'au moins huit microns environ. Cette solution préconisée par l'invention n'a pu entre réalisée qu'au prix d'énormes difficultés et sur la base des constatations suivantes (1) L'aluminium qui peut etre déposé par galvanoplastie à partir de bains aprotiques, exempts d'hydrogène et d'oxygène, et contenant en particulier des organo-aluminiques, constitué alors des couches qui, non seulement sont adhérentes, mais qui sont en plus à même de supporter les charges thermiques et mécaniques intervenant dans les échangeurs de chaleur selon l'invention et qui, en outre,meme avec une épaisseur relativement faible d'environ quatre microns, sont déjà suffisamment résistantes à la corrosion pour offrir une protection efficace contre les oxydants de tous les systèmes d'ergols liquides stables au stockage généralement utilisés. (2) Si comme matière de remplissage des canaux de refroidissement, on utilise des alliages métalliques à bas point de fusion, on peut alors traiter la surface , coté paroi externe, des corps de base préfabriqués comportant les canaux de refroidissement revêtus d'aluminium par galvanoplastie et remplis de la matière de remplissage , d'après des méthodes connues en soi , par exemple par la revue 'Werkstofftechnik" 1972 , n0 9 et 10, puis la revêtir d'aluminium par galvanoplastie de façon à obtenir des couches intermédiaires adhérentes , fermées et résistantes à la corrosion et qui, en règle générale, disposent d'une rigidité suffisante pour assurer une protection efficace contre la déchirure ou la rupture des échangeurs de chaleur au niveau des points de jonction entre la paroi externe et les cloisons ou nervures du corps de base. Un mode de réalisation préféré de l'invention et présentant une résistance mécanique particulièrement élevée est constitué par des échangeurs de chaleur comportant des couches intermédiaires en aluminium déposé par galvanoplastie et durci par dispersion et/ ou écrouissage à froid. Le durcissement par écrouissage des couches intermédiaires peut s'effectuer par grenaillage après ou pendant le dépôt par gal vanoplastie Par l'emploi de dS$perÇo--des lppropriés, on peut également fabriquer des couches intermédiaires en un aluminium durci par dispersion qui, par un traitement thermique approprié, est transformé en un alliage d'aluminium présentant de meilleures caractéristiques mécaniques et surtout une plus grande résistance thermique que I'aluminium pur. Comme disperso1de , on peut avantageusement utiliser pour cé mode de réalisation selon l'invention, du cuivre, du nickel et du silicium. Par rapport aux couches intermédiaires, ainsi qu'éventuel- lement aux couches de protection contre la corrosion en or ou autres métaux nobles résistant à la corrosion qui font l'objet de deux demandes de brevet déposées en meme temps, les couches intermédiaires ainsi que les couches de protection contre la corrosion caractérisant l'invention offrent l'avantage, même -si elles présentent une résistance à la corrosion également satisfaisante, que non seulement on peut les réaliser en un matériau meilleur marché, mais aussi qu'elles permettent de déposer sans difficultés des couches sans défaut et ben adhe'rentes sur les corps de base com--- portant des couches de protection contre la corrosion, meme si les nervures ne sont pas dépouillées à l'acide aux moins sur une pro fondeur de cinq microns. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention , les échangeurs de chaleur comportent des couches intermédiaires à plusieurs étages dont le premier, ctté du-corps de base, est en aluminium tandis que le deuxième est de préférence en zinc, en cuivre ou en or et l'étage suivant à nouveau en aluminium etc. Pour activer les surfaces en aluminium, on utilise de préférence, selon l'invention, les méthodes connues de décapage au zincate. Les couches intermédiaires des échangeurs de chaleur selon l'invention ont avantageusement une épaisseur comprise entre 12 à 240 microns. 3ans les échangeurs de chaleur selon l'invention ,le blindage est de préférence en cuivre , en nickel , en un alliage nickel-cobalt ou en un métal équivalent déposé par galvanoplastie. Â cet égard, le cuivre, en plus de son excellente conductibilité thermique , présente en particulier l'avantage de pouvoir etre déposé en couches épaisses et de façon bien adhérente sur les couches intermédiaires. Comme matériau pour le blindage le nickel et les alliages nickel-cobalt sont particulièrement recommandés attendu que les blindages, réalisés en ces matériaux, d'une part, exercent un certain effet de boucliér thermique particulièrement appréciable lorsque les échangeurs de chaleur selon l'invention sont utilisé8 dans les propulseurs fusées, et, d'autre part, présentent non seulement une solidité relativement élevée, mais également un coefficient de dilatation thermique moindre que le matériau du corps de base, par exemple en cuivre, Si bien que, si l'échangeur de chaleur s'échauffe en fonctionnement et que le corps de base se dilate plus fortement que le blindage, il en résulte une application particulièrement intime et solide du corps de base contre le blindage de sorte que la sollicitation en traction qui résulte de la grande différence de pression entre les constituants du propergol s'écoulant à travers les canaux de refroidissement et la pression relativement faible, en particulier dans la partie arrière, à l'intérieur de la chambre de combustion de la fusée, et qui affecte la couche intermédiaire dans la zone comprise entre les nervures ou cloisons et le blindage est considérablement diminuée et, en =.nérale règle3 > m me largement compensée.Un autre avantage des blindages dont le coefficient de dilatation thermique est plus faible que celui du corps de base réside, en outre, dans le fait que lors de l'échauffement de l'échangeur de chaleur , les éléments de la couche intermédiaire se trouvant entre le blindage et les faces supérieures des nervures du corps de base sont soumises à une haute sollicitation en compression de sorte que les défauts éventuels, par exemple les pores existant aux points de liaison entre les couches de protection contre la corrosion et la couche intermédiaire sont colmatés. Les- blindages en aluminium déposé par galvanoplastie et éventuellement durci par dispersion et /ou par d4rorissage ou encore en alliages d'aluminium fabriqué comme indiqué ci-dessus sont particulièrèment avantageux à cause de leur faible poids. Selon un mode a. réalisation particulièrement avantageux les échangeurs de chaleur selon l-'invention présentent des canaux de refroidissement comportant des arêtes ou des transitions ar rondies ou chanfreinées entre le fond et les parois latérales attendu que dans des canaux de refroidissement ainsi réalisés la différence entre l'épaisseur des couches de protection contre la corrosion qui y sont déposées par galvanoplastie dans la partie supérieure de la paroi latérale du canal de refroidissement, et le fond de ce dernier est beaucoup plus faible que dans des canaux de refroidissement rectangulaire. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple , mais non limitatif , et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la fig. 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon l'invention (chambre de combustion avec tuyère dréjection) la fig. 2 est une coupe suivant II-II de la fig. 1 la fig. 3 est un détail agrandi de la coupe suivant la fig. 2. La chambre de combustion et la tuyère d'éjection, formant une seule et meme unité , sont essentiellement constituées par un corps de base 1 réalisé en un métal thermiquement bon conducteur, par exemple en cuivre exempt d'oxygène. Ce corps de base peut etre préfabriqué à partir d'un bloc de cuivre de la façon habituelle , par exemple par forgeage (écrouis) et achevé par usinage avec enlèvement de copeaux, ou être fabriqué par formage électro-chimique de la façon décrite dans le brevet R.S.A. 2- 015024. Les canaux de refroidissement longitudinaux 2, séparés par des cloisons ou nervures 3 sont creusés dans le corps de base l Les surfaces de paroi, situées dans ce corps de base 1 , des canaux de refroidissement 2 sont revetues de couches de protection contre la corrosion 6 en aluminium déposées par galvanoplastie et non représentées sur les figures 1 et 2.Ces canaux de refroidissement 2 et les faces supérieures des cloisons ou nervures 3 sont recouverts dune couche intermédiaire 4 en aluminium pratiquement complètement fermée ,elle-même entourée d'un blindage 5 à paroi relativement épaisse déposé par galvanoplastie , ce blindage étant en cuivre , en nickel , en un alliage nickel-cobalt ou en un matériau similaire Sur la fig.3 représentant , à une échelle agrandie, une coupe , transversale aux canaux de refroidissement , d'un détail d'un échangeur de chaleur selon l'invention, on peut voir que ltépaisseur des couches de protection contre la corrosion 6 le long de la paroi des cloisons ou nervures 3 diminue de haut en bas et qu'elle est extr8mement mince dans la zone de 1'arête comprise entre les parois latérales et les fonds des canaux de refroidissement, parois qui, dans le mode de réalisation représenté, se rejoignent presque perpendiculairement. La couche intermédiaire 4 comprend trois étages 4a, 4b , 4a' , le premier étage 4a, coté du corps de base, étant en aluminium, le deuxième étage 4b en zinc et le troisième étage 4a' étant à nouveau en aluminium. REVEEDICAT10NS 1. Echangeur de chaleur , en particulier chambre de combustion refroidie par régénération pour propulseurs-fusées à propergol liquide, constitué par un corps de base monobloc en un matériau métallique thermiquement bon conducteur, en particulier en cuivre exempt d'oxygène , et comportant des canaux de refroidissement continus parcourus par au moins un liquide de refroidissement, en particulier au moins un des constituants du propergol, ces canaux étant recouverts par une paroi externe constituée par une couche intermédiaire à paroi relativement mince déposée par galvanoplastie sur le corps de base- et par un blindage à paroi relativement épaisse déposé par galvanoplastie sur la couche intermédiaire et constitué par un matériau métallique de haute résistance, caractérisé par le fait que les parois, situées dans le corps de base, des canaux de refroidissement, sont revues de couches de protection contre la corrosion en aluminium déposées par galvanoplastie et présentant une épaisseur d'au moins - quatre microns ou sont constituées par un matériau résistant g la corrosion, en particulier en acier inoxydable et que la couche intermédiaire est en aluminium éventuellement durci par écrouis sage et/ou par dispersion et présente , tout au moins du ctté de l'are des canaux, une épaisseur d'au moins huit microns. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication l,carac- térisé par des couches intermédiaires à plusieurs étages, en particulier à trois étages , dont le premier , ctté du canal de refroidissement, est réalisé en aluminium de préférence durci par écrouissage et gou par dispersion, ltétage suivant étant en un autre métal déposé par galvanoplastie et durci de préférence par écrouissage et/ou dispersion , en particulier en zinc en cuivre ou en or. 3.- échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le corps de base est en un matériau non résistant à la corrosion , en particulier en cuivre, et que les dartois, situées dans le corps de base, des canaux de wSroidis- sement comportent des couches de protection contre la corrosion d'au moins douze microns d'épaisseur en aluminium déposé par galvanoplastie 4.- échangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé par des canaux de refroidissement comportant des transitions arrondies ou chanfreinées entre les parois latérales et le fond. 5.- échangeur de chaleur selon l'une, quelconque des revendications 1 à 4 , caractérisé par un blindage en cuivre, en nickel ou en alliAge nickel-cobalt. 6.- Ecliangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisé par un blindage réalisé en un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui du matériau du corps de base. 7. Procédé pour la mise en oeuvre d'échangeurs de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 par préfabrication d'un corps de base monobloc comportant des canaux de refroidissement en un matériau métallique thermiquement non conducteur , en particulier en cuivre , remplissage de ces canaux de refroidissement avec une masse de remplissage électriquement conductrice et facilement fusible, dépôt par galvanoplastie d'une mince couche intermédiaire sur le corps de base et d'un blindage à paroi relativement épaisse sur la couche int > -rmédiaire et fusion de la masse de remplissage pour l,veacuer des canaux de refroidissement , caractérisé par le fait Zsur les parois des canaux de refroidissement dans le corps de base, Si ceux-ci ne sont pas en un matériau résistant à la corrosion, on dépose par galvanoplastie une couche de protection contre la corrosion en aluminium fermée et d'environ 4 à 100 microns d'épaisseur, que l'on remplit les canaux de refroidissement , éventuellement recouverts d'un dépôt dlalu- minium, d'une masse de remplissage constituée par un alliage connu à bas point de fusion et qu'à partir d'un bain aprotique on dépose par galvanoplastie sur le corps de base une couche intermédiaire en aluminium d' au moins environ 8 microns d'épaisseur.