Brevet FR2299519A1 — publié le 19760827

ta présente invention concerne un chargement pyrotechnique de propergol dont la surface génératrice de gaz est partiellement inhibée à l'égard de la combustion. On sait que les chargements pyrotechniques hautement performants présentant par exemple, une grande vitesse de combustion et/ou un coefficient de remplissage élevé ont fréquemment leurs caractéristiques de combustion, limitées du fait de la pression initiale de fonctionnement. Cette pression initiale de fonctionnement présente en effet, une surpression temporaire engendrée par l'apport de gaz de l'allumeur et par la combustion érosive du chargement due à la faible section de passage des gaz de combustion.La combustion érosive est un phénomène de survitesse de combustion qui s'observe notamment pour les chargements de propergol solide à grand coefficient de remplissage, par exemple sur les blocs à canal central à section étoilée, les blocs à combustion centripète à canal périphérique et les chargements en bandes, principalement lorsque ces chargements de propergol présentent une grande longueur par rapport à la section de passage des gaz de combustion. On a proposé de diminuer la surpression initiale engendrée à l'allumage soit en utilisant une charge d'allumage non productrice de gaz, soit en limitant la combustion érosive en utilisant une section de passage des gaz croissante d'amont en aval du chargement de propergol. Cependant aucune de ces solutions techniques ne permet d'atténuer suffisamment les effets de la surpression initiale et de la combustion érosive tout en permettant d'obtenir un coefficient de remplissage élevé. On connatt, d'autre part des réalisations de chargements pyrotechniques dont la surface est partiellement revêtue par un inhibiteur pour entraener une diminution de la surface de combustion durant la totalité de la durée de combustion des chargements et à titre d'exemple on peut citer les brevets français nO t 506 268 et nO 1 282 930 qui se rapportent à des chargements pyrotechniques cruciformes. Dans les réalisations connues, les inhibiteurs utilisés présentent donc une durée d'action sensiblement égale à celle de la combustion du chargement. En d'autres termes, ces inhibiteurs réduisent non seulement la pression initiale, mais également la pression engendrée pendant toute la durée de la combustion. L'invention vise à supprimer la surpression initiale et la combustion érosive en réalisant un chargement pyrotechnique dont la surface génératrice de gaz est partiellement inhibée, les moyens d'inhibition permettant de limiter la surface de combustion initiale du chargement pour limiter temporairement la quantité de gaz généré par ce chargement et étant sans influence notable sur la suite de la combustion. Selon l'invention, il est donc possible de réduire considérablement ces phénomènes de surpression et de combustion érosive, dans leur influence sur la poussée initiale tout en obtenant un coefficient de remplissage très élevé, et cela par l'utilisation d'un inhibage n'ayant qu'une action limitée dans le temps et se trouvant ultérieurement détruit au cours de la combustion du bloc de propergol. En effet, lors de la conception des chargements la pression maximale admissible par le corps du propulseur limite le plus souvent la. pression réelle de fonctionnement à une valeur sensiblement inférieure, ce qui implique - une perte de masse de propergol due à la nécessité de ménager des canaux d'écoulement des gaz de section suffisante, - une perte d'impulsion spécifique (rendement de combustion), - une queue de combustion étalée et donc du propergol mal utilisé, notamment dans les blocs de propergol dont le canal cylindrique (à génératrices parallèles à la surface extérieure du bloc) est érodé dans la partie aval au début de la combustion ce qui implique en fin de combustion que le front de flamme atteint la surface extérieure dans cette partie amont avant d'atteindre cette surface extérieure dans la partie aval. Suivant l'invention, le chargement pyrotechnique est caractérisé en ce que la surface génératrice de gaz comporte des moyens d'inhibition, destructible pendant la phase initiale de combustion du chargement et comprenant au moins une zone de recouvrement de la surface génératrice de gaz par un matériau inhibiteur de combustion. Le matériau inhibiteur étant éliminé en cours de la phase initiale de combustion, la pression engendrée par les gaz rejoint ainsi au cours de la combustion proprement dite celle obtenue dans le cas d'un chargement identique sans moyens d'inhibition destructibles. Ainsi grâce à ce matériau inhibiteur éliminable, le chargement pyrotechnique conforme à l'invention peut présenter dans la chambre de combustion de la roquette, ou engin similaire, un coefficient de remplissage élevé avec des sections de passage de gaz peu importantes. De préférence, le revêtement inhibiteur est destructible au bout d'une durée de combustion du chargement inférieure à 52 de la durée totale de combustion et la surface comportant ce revêtement destructible est inférieure à 60% de la surface génératrice de gaz. Selon une première variante de réalisation de l'invention, le revêtement inhibiteur destructible recouvrant la surface génératrice de gaz présente une faible épaisseur et une nature telles qu'il soit dégradable aux conditions thermodynamiques qui règnent à son voisinage après la mise à feu du chargement. L'expression "faible épaisseur" désignera, dans la présente invention, le plus souvent des épaisseurs de l'ordre du dixième ou de quelques dixièmes de mm, ctest-à-dire nettement inférieures à celles des inhibiteurs couramment utilisés lorsque ceux-ci doivent résister durant sensiblement la totalité de la durée de combustion du chargement pyrotechnique. L'expression "inhibiteur dégradable" désigne également des matériaux inhibiteurs combustibles aux conditions thermodynamiques précitées, ce qui est le cas de toutes les résines organiques utilisées sous forme de couches ou de films de faibles épaisseurs. L'expression "inhibiteur dégradable" englobe d'autre part, des matériaux inhibiteurs comprenant au moins un corps décomposa- ble à la température de combustion du chargement. Du fait que, selon cette variante de l'invention, l'inhibiteur utilisé soit combustible ou décomposable aux conditions régnant dans la chambre de combust;on, l'inhibiteur en se dégradant participe donc à la propulsion, ce qui est un avantage supplémentaire. Selon une seconde variante de réalisation de l'invention, les moyens d'inhibition destructibles comprennent un recouvrement de la surface génératrice de gaz par un matériau inhibiteur qui résiste intrinsèquement aux conditions thermodynamiques régnant à son voisinage après la mise à feu du chargement, ce matériau inhibiteur étant bon conducteur de la chaleur et présentant une faible épaisseur, telle qu'elle permette sa destruction après mise à feu du propergol sous-jacent. Ce matériau inhibiteur bon conducteur de la chaleur se détache de la surface du propergol dès que cette dernière atteint sa température d'auto-inflammation. Par conséquent la durée d'action d'un tel inhibiteur est d'autant plus courte que sa conductibilité thermique est élevée et que son épaisseur est faible. Selon une troisième variante de réalisation de l'invention, les moyens d'inhibition destructibles comprennent un recouvrement de la surface génératrice de gaz par un matériau inhibiteur de faible épaisseur qui résiste intrinsèquement aux conditions thermodynamiques régnant au voisinage de cet inhibiteur après la mise à feu du chargement, ce matériau inhibiteur étant thermiquement isolant et les zones de recouvrement de la surface génératrice de gaz présentant au moins une dimension nettement inférieure à l'épaisseur de combustion du chargement. le matériau inhibiteur étant dans ce cas isolant thermique et résistant - aux conditions thermodynamiques régnant dans la chambre de combustion, se détache de la surface du chargement par cheminement latéral de la combustion sous ce matériau inhibiteur. Selon cette variante de réalisation, il est particulièrement intéressant de limiter la surface du revêtement inhibiteur à environ 30 de la surface génératrice de gaz. L'action inhibitrice se trouve par conséquent limitée uniauement par les dimensions des zones de recouvrement. En limitant ces dimensions à une valeur nettement inférieure à l'épaisseur de combustion du charetient, le matériau inhibiteur se trouve par conséquent éliminé peu de temps après le début de la combustion. D'autres particularités de l'invention apparaitront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non îimitatifs - la figure 1 est une vue partielle en coupe transversale d'un chargement lamellaire conforme à la première et/ou à ia seconde variante de réalisation de l'invention - la figure 2 est une vue du chargement selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est un diagramme montrant l'évolution de la surface d'émission de gaz du chargement des figures précédentes en fonction de 1'épaisseur brulée, - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un autre chargement qui est cruciforme et conforme à la troisième variante de réalisation de l'invention, - la figure 5 est un diagramme montrant l'évolution de la surface d'émission de gaz du chargement de la figure 4 en fonction de ltépaisseur brûlée, - la figure 6 est un diagramme montrant en fonction du temps l'évolution, d'une part de la pression théorique et de la pression expérimentale d'un chargement de référence qui est cruciforme et non inhibé, et d'autre part de la pression expérimentale du chargement cruciforme de la figure 4, inhibé selon l'invention. Dans les réalisations des figures 1 et 2, on voit le quart d'un chargement pyrotechnique 1 constitué par des lamelles de propergol 2a et 2b disposées radialement et encastrées dans une couronne périphériaue 3 par exemple en résine de polyuréthanne. Cette couronne 3 est elle-même appliquée contre la face interne du corps cylindrique 4 d'une roquette ou engin similaire. Le chargement lamellaire 1 a été conçu pour obtenir un coefficient de remplissage élevé en propergol. A cet effet, les lamelles les plus grandes 2a présentent une épaisseur plus faible à leur extrémité voisine du centre 0 de la chambre de combustionqu'à leur extrémité encastrée dans la couronne 3. De plus, entre ces lamelles 2a sont insérées des lamelles plus courtes 2b, d'épaisseur constante. On voit ainsi que l'espace compris entre les différentes lamelles 2a et 2b est faible de sorte que le chargement 1 est susceptible d'engendrer après l'allumage un phénomène de combustion érosive particulièrement intense qui contribue à augmenter fortement la pression initiale. Pour réduire les effets de la pression initiale, les lamelles 2a qui sont également les plus épaisses sont pourvues sur une zone s 'étendant entre leur base et approximativement le tiers de leur largeur par un recouvrement 5 constitué par un matériau inhibiteur . A la figure 2, on voit que ce recouvrement 5 s'étend également suivant la longueur desbmelles 2a. Ainsi, dans l'exemple représenté, près de 20% de la surface génératrice de gaz du chargement 1 se trouve inhibée. Suivant une première variante de réalisation de l'invention, les moyens d'inhibition ainsi réalisés sont destructibles durant la phase initiale de combustion du chargement 1 et au bout d'une durée de combustion nettement inférieure à 50 o de la durée totale de la combustion. Dans cet exemple de réalisation de l'invention, le recouvrement 5 de la surface génératrice de gaz est constitué par un matériau inhibiteur de faible épaisseur et de nature telles qu'il soit dégradable aux conditions thermodynamiques qui règnent au voisinage de cet inhibiteur après la mise à feu du chargement 1. Ainsi le matériau inhibiteur peut être choisi parmi toutes les résines suivantes, combustibles ou décomposables aux conditions thermodynamiques précitées - résine silicone avec primaire d'accrochage sur la surface du propergol, - résine de polyuréthanne, - résine de polyester, - résine époxy, - résine de polybutadiène. Ces résines peuvent éventuellement être additionnées de charges destinées à renforcer leur tenue thermique et à diminuer l'absorption éventuelle de la nitroglycérine contenue dans le progergol notamment lorsque celui-ci est un propergol homogène à double base. Ces charges peuvent être constituées par exemple, par du talc, du lithophone, des oxydes de fer, de l'oxalate de calcium, des microsphères de silice et des résines phénoliques. Bien que ces résines soient intrinsèquement destructibles aux conditions thermodynamiques régnant dans la chambre de combustion après l'allumage, leur durée d'existence peut être plus ou moins longue suivant l'épaisseur de l'inhibiteur. L'un des buts visés par l'invention étant d'obtenir, de façon générale, une inhibition de faible durée, l'épaisseur de la couche inhibitrice est limitée le plus souvent à quelques dixièmes de mm. Ainsi, par exemple, une épaisseur de 0,2 mm d'une résine époxy a une durée d'action limitée à 30 ms ce qui est suffisant pour réduire efficacement les effets de la surpression initiale due à l'allumage et à la combustion érosive. Par ailleurs le fait que l'inhibiteur soit combustible ou décomposable aux conditions thermodynamiques régnant dans la chambre de combustion, permet à cet inhibiteur de participer à la propulsion0 Pour appliquer l'inhibiteur sur le propergol on peut -utiliser des moyens d'enduction divers tels que - pinceau, rouleau ou tampon, - pistolet, après mise en place de caches sur la surface à revêtir, - trempage, également avec caches. On donne ci-après un exemple d'application de l'inhibiteur par pulvérisation au moyen d'un pistolet. Solution utilisée Résine époxy : 25d en poids Durcisseur : 25 , en poids Solvant (benzène 50% + alcool butylique 50) : 50 en poids. On met en place sur les éléments de propergol, avant pulvérisation de cette solution, des caches par exemple constitués par du papier adhésif ou des pochoirs. La solution précitée est utilisable au plus tard 12 h après sa préparation et de préférence, après un dégazage à l'air libre pendant 30 mn. L'application de la solution peut ensuite être effectuée en une ou plusieurs couches successives selon l'épaisseur désirée. La mise en place du revêtement inhibiteur peut également être effectuée par application par collage d'un film mince de matière plastique présentant des propriétés analogues aux résines spécifiées précédemment. Ainsi, on peut utiliser un film de polyester ou d'acétate de cellulose enduit de colle telle que par exemple une résine phénolique thermodurcissable. La mise en place du film peut être effectuée au moyen d'une dérouleuse et le collage peut être obtenu par étuvage du chargement à + 6O0C pour permettre la polymérisation de la colle. Dans la réalisation des figures 1 et 2, on voit que l'inhibiteur 5 recouvre des zones de la surface génératrice de gaz dont les dimensions sont toutes supérieures à l'épaisseur de combustion B du chargement 1. Dans l'exemple de- réalisation des figures 1 et 2, l'inhibiteur 5 constitué à partir d'une résine polyester et d'additifs présente d'autre part, deux zones d'épaisseur différentes (environ 7 et 13 dixièmes de mm), chaque zone ayant une largeur de 10 mm. Le fait que l'inhibiteur 5 présente deux zones d'épaisseurs différentes entralane une plus grande progressivité dans l'action de l'inhibiteur, comme on peut le voir sur le diagramme de la figure 3. Sur ce diagramme, on voit en effet, que la surface d'émission Se des gaz générés par la combustion du propergol, évolue en fonction de l'épaisseur broyée j1 de propergol, de la façon suivante Dans le cas où les éléments de propergol ne sont pas revêtus d'inhibiteur (voir courbe S1) il existe une première phase de combustion où la surface de combustion est importante ; elle chute ensuite brutalement, pour décroître ensuite progressivement. Dans le cas où les éléments de propergol sont conformément à l'invention, revetus dvinhibiteur destructible (voir courbe la surface de combustion est dans la première phase de combustion plus faible que dans le cas précédent. Elle chute ensuite rapidement pour rejoindre la courbe S1 précédente, lorsque l'inhibiteur 5 est éliminé. Dans les réalisations des figures t et 2, l'inhibiteur 5 présente par conséquent, une durée d'action limitée sensiblement à la durée de la première phase de combustion où la surface génératrice de gaz est relativement importante et susceptible d'engendrer la combustion érosive. La courbe S3 est donnée à titre indicatif, pour montrer l'évolution réelle de la surface de combustion dans la première phase de combustion. Suivant une seconde variante de réalisation du chargement pyrotechnique représenté aux figures 1 et 2, l'inhibitgr 5 des lamelles de ce chargement peut également être réalisé à partir d'un matériau qui résiste intrinsèquement aux conditions thermodynamiques régnant dans la chambre de combustion après la mise à feu du chargement, mais présentant une bonne conductibilité thermique, tel ,par exemple, qu'une mince feuille métallique. Cette feuille métallique doit être mince (quelques centièmes de mm d'épaisseur) pour les deux raisons suivantes - pour assurer une transmission de chaleur très rapide entre la chambre de combustion et le propergol sous-jacent, de façon que ce dernier atteigne rapidement sa température d'autoinflammation et qu'ainsi la feuille conductrice soit détachée du propergol, - pour que la feuille soit détruite immédiatement, une fois détachée du propergol. En principe, tous les métaux à ltexception des réfractaires peuvent convenir, mais on utilisera de préférence, le cuivre et surtout l'aluminium qui est un excellent conducteur thermique et qui est facilement disponible en feuilles très minces. La mise en place de ces feuilles métalliques sur les éléments de propergol peut être réalisée par collage, de préférence, par une colle conductrice (additionnée de fines particules métalliques). Avec un inhibiteur constitué par des feuilles conductrices répondant aux caractéristiques précitées, on peut obtenir une action inhibitrice de très courte durée (quelques millisecondes). Dans la réalisation de la figure 4, on a représenté un bloc de propergol 6 de section cruciforme symétrique dont la surface génératrice de gaz est également particllement inhibée, le bloc 6 étant logé à l'intérieur du corps 7 d'une roquette ou engin similaire. Comme dans la réalisation des figures 1 et 2, il subsiste un faible espace entre l'extrémité des branches du bloc 6 et la paroi du corps 7, de sorte que le phénomène de combustion érosive engendré à l'allumage a un effet notable en l'absence de moyens d'inhibition. Selon une troisième variante de l'invention, le matériau inhibiteur recouvrant les zones 8 et 9 réparties symétriquement par rapport à l'axe O du bloc 6, présente une épaisseur telle qu'il résiste aux conditions thermodynamiques régnant à son voisinage après la mise à feu du chargement. Par ailleurs, contratrement à la version précédente, il est thermiquement isolant et d'autré part, la largeur d1, d2, d3 des différentes zones de recouvrement 8 et 9 est nettement inférieure à l'épaisseur de combustion E du bloc 6. Dans cette variante, l'inhibiteur est éliminé par cheminement latéral du front de combustion sous l'inhibiteur. On voit, en effet, à la figure 4 que l'inhibiteur recouvrant la zone 9 est éliminé lorsque l'épaisseur e de propergol est brQlée, c'est-à-dire lorsque les fronts de combustion fl et f2 - progressant latéralement sous 1'inhibiteur se sont rejoints. On comprendra par conséquent par cet exemple, que plus la zone inhibée est étroite plus est courte la durée d'inhibition. Les matériaux inhibiteurs pouvant garnir les zones 8 et 9 de ee chargement peuvent être choisis parmi les résines couramment utilisées à cet effet et dont on a indiqué la liste précédemment. Les résines sont de par leur nature, thermiquement isolantes. L'épaisseur du revêtement inhibiteur peut être cependant dans cette variante nettement supérieure à celles des variantes précitées pour éviter sa destruction avant qu'il soit éliminé par cheminement latéral du front de combustion sous l'inhibiteur. A cet effet, les épaisseurs utilisées sont généralement de l'ordre du millimètre.Une épaisseur plus importante n'est en effet, pas recommandée, cardans ce cas, l'inhibiteur risquerait de ne pas être détruit dans la chambre de combustion après son détachement du propergol, ce qui pourrait entraîneur des perturbations graves de fonctionnement. Dans l'exemple représenté à la figure 4, les caractéristiques du chargement et des moyens d'inhibition sont les suivantes : Vitesse de combustion du propergol : environ 28 m/s Durée totale de combustion : environ 600 ms épaisseur de combustion E : 12,5 mm Longueur du bloc : 560 mm Surface inhibée : 16 % Longueur inhibée : 290 mm épaisseur de l'inhibage : 1 mm Largeur des différentes zones inhibée : d1 : 7 mm d2 : 3,3 mn d4 : 4 mm Distance comprise entre les zones 8 et 9 inhibées sur une même branche d3 : 5 mm Distance comprise entre la base d'une branche et la zone inhibée 9 la plus proche d5 : 5 mm Nature du matériau d'inhibition : résine époxy. Au diagramme de la figure 5, on a représenté l'évolution de la surface d'émission Se du chargement de la figure 4 en onction de l'é-aisseur de combustion sans inhibition (voir Se1) et avec inhibition l'invention (voir Se2 On voit que la surface Se1 est régulièrement décroissante, tandis que Se2 présente deux discontinuités correspondant successivenent à l'élimination de la zone inhibée la moins large 9 et à celle de la zone inhibée plus étendue 8. L'augmentation de la surface d'émission n'a lieu cependant que durant la phase initiale de la combustion. A la figure 6, on a représenté en fonction du temps T (en secondes), l'évolution - de la pression théorique, sans inhibition (Pt) - de la pression expérimentale, sans inhibition (Pe) et - de la pression expérimentale avec inhibition (Pei) On voit que la pression expérimentale Pe atteint au début de la combustion un niveau plus élevé que la pression Pei délivrée par le chargement inhibé. On constate par conséquent que cette diminution de la pression dans la phase initiale pour le chargement inhibé permet de limiter efficacement les effets de la surpression initiale (non représentée sur le diagramme). On voit d'autre part que la pression expérimentale Pei évolue d'une façon parallèle à la pression théorique Pt, ce qui n'est pas le cas pour Pe. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations que l'on vient de décrire. En particulier, l'utilisation de moyens d'inhibition destructibles durant la phase initiale de combustion du chargement peut être appliquée à tous les types de chargement tels que les chargements en bloc, en lamelles radiales, en brins et chargements à combustion centripète ou latérale. Il ressort en effet, de la description-que l'invention est applicable à tous chargements hautement performants et en particulier à fort coefficient de remplissage et pour lesquels il est indispensable de limiter les effets de la surpression initiale et de la combustion érosive afin d'améliorer le rendement de la combustion. REVENDICATIONS 1. Chargement pyrotechnique dont la surface génératrice de gaz est partiellement inhibée, caractérisé en ce que cette surface comporte des moyens d'inhibition destructible durant la phase initiale de combustion du chargement et comprenant au moins une zone de recouvrement de la surface génératrice de gaz par un matériau inhibiteur de combustion. 2. Chargement pyrotechnique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement inhibiteur est destructible au bout d'une durée de combustion du chargement inférieure à 50% de la durée totale de combustion. 3. Chargement pyrotechnique conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement inhibiteur destructible recouvre moins de 60% de la surface génératrice de gaz. 4. Chargement pyrotechnique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'inhi- bition destructibles comprennent un recouvrement de la surface génératrice de gaz par un matériau inhibiteur de faible épaisseur et de nature telles qu'il soit dégradable aux conditions thermodynamiques qui règnent à son voisinage après la mise à feu du chargement. 5. Chargement pyrotechnique conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau inhibiteur est un corps combustible aux conditions thermodynamiques précitées. 6. Chargement pyrotechnique conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau inhibiteur comprend au moins un corps décomposable à la température de combustion du chargement. 7. Chargement pyrotechnique conforme à l'une quelconque des revendications t à 3, caractérisé en ce que les moyens d'inhibition destructibles comprennent un recouvrement de la surface génératrice de gaz par un matériau inhibiteur qui résiste intrinsèquement aux conditions thermodynamiques régnant à son voisinage après la mise à feu du chargement, ce matériau inhibiteur étant bon conducteur de la chaleur et présentant une faible épaisseur telle qu'elle permette la destruction du matériau après mise à feu du propergol sous-jacent. 8. Chargement pyrotechnique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'inhibition comprennent un recouvrement de la surface génératrice de gaz par un matériau inhibiteur qui résiste intrinsèquement aux conditions thermodynamiques régnant à son voisinage après la mise à feu du chargement, ce matériau inhibiteur étant thermiquement isolant et les zones de recouvrement de la surface génératrice de gaz par cet inhibiteur présentant au moins une dimension nettement inférieure à l'épaisseur de combustion du chargement. 9. Chargement pyrotechnique conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les zones de recouvrement de la surface génératrice de gaz par l'inhibiteur destructible présentent des dimensions qui sont toutes supérieures ou comparables à l'épaisseur de combustion du chargement.