Brevet FR2382421A1 — publié le 19780929

La présente invention se rapporte au domaine des propulseurs à propergol solide, notamment à celui des propulseurs caractérisés par une durée de combustion extrêmement courte et concerne plus particulièrement la technique des chargements de poudre destinés à l'alimentation en propergol de la chambre de combustion de tels propulseurs. Dans le cours de la description, le terme "propulseur" à propergol solide doit être interprété dans son sens générique recouvrant notamment les moteurs fusées utilisés pour la mise en vitesse des projectiles, les tubes-canons de lancement de projectiles, les générateurs de gaz. Dans un propulseur à propergol solide, la totalité du chargement de poudre constitué par un ou plusieurs blocs de poudre, aussi appelés "pains", est emmagasiné dans une enceinte résistante qui constitue la chambre de combustion du propergol. Cette enceinte comporte généralement, à l'une de ses extrémités, une tuyère permettant de transformer l'énergie calorifique de combustion en énergie cinétique. La théorie et le fonctionnement des propulseurs à propergol solide et leur chargement de poudre sont maintenant relativement bien établis et l'on peut, par exemple, consulter à cet effet l'ouvrage de M. BARRERA intitulé ',la propulsion par fiasée". édité chez Sciences et Lettres, à Liège (Belgique). La réalisation et la mise en oeuvre d'un chargement de poudre caractérisé par une durée de combustion extremement courte, se situant dans le domaine des dixièmes et meme des centièmes de secondes présentent des difficultes spécifiques et importantes. En effet, compte tenu des vitesses de combustion des poudres actuellement disponibles sur le marché, l'ob- tention de faibles durées de combustion implique la mise en oeuvre de blocs de poudre comportant des épaisseurs à brûler minces que l'on obtient par exemple par des blocs à perforations multiples.Il en résulte qu'il est difficile de concilier d'une part la loi de poussée désirée et la distributlon et le dimensionnement des perforations; d'autre part, la multiplicité des perforations ménagées à l'intérieur des blocs de poudre conduit à la fragilité du chargement de poudre lors des opéra tions de transport; d'emmagasinage et de combustion particuliè rement lors des conditions extrêmes de température rencontrées en service. D'autres difficultés apparaissent lors du fonctionnement du propulseur où il est fréquent que la combustion s'ac compagne de ruptures du ou des blocs de propergol constituant le chargement de poudre, lesquelles se traduisent par l'éjec- tion de matière non brûlée avec, pour conséquence, une disper sinon de l'impulsion fournie par le propulseur. A la limite, lorsque le nombre et llimportance des fissures deviennent trop importants, des risques d'explosion du propulseur apparaissent. -La prés-ente invention a pour objet un chargement de poudre qui peut etre emmagasiné dans la chambre de combustion d'un propulseur à propergol solide dont la durée de combus tion peut être extrêmement courte, la loi de poussée déterminée par construction et l'impulsion globale reproductible, per mettant ainsi de remédier aux inconvénients précités. Ce chargement de poudre de forme cylindro-torique est constitué par une pluralité de pains de propergol assemblés sur une structure légère, rigide et résistante ar=x efforts dynamiques des gaz de combustion. L'élément principal de cette structure constitue l'ossature du chargement et les éléments secondaires fournissent les moyens nécessaires pour supporter et maintenir longitudinalement et radialement en place les pains de propergol constitutifs du chargement de poudre. Ce chargement est remarquable en ce que la structure permet de ménager des passages suffisants pour éviter toute surpression locale et assurer un libre écoulement des gaz de combustion vers la tuyère. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le maintien des pains de propergol sur la structure évite que ceux-ci ne soient entralnés par l'écoulement violent des gaz de combustion. De plus, grâce à cet agencement d'une structure et des pains de propergol, le chargement de poudre ainsi constitué peut être transporté et emmagasiné sur le terrain, dans la chambre de combustion du propulseur, sans aléas. D'autres caractéristiques apparatront dans la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, et qui donne à titre explicatif, mais nullement limitatif, diverses formes de mise en oeuvre de l'invention. Sur ces dessins : La figure 1 représente un chargement de poudre réalisé selon l'invention. La figure 2 représente une variante de maintien des pains de propergol. La figure 5 représente une variante d'assemblage des pains de propergol. Dans toutes les figures, des références alphanumériques semblables identifient des éléments semblables. Un chargement de poudre pour propulseur à propergol comporte, conformément à l'invention, un certain nombre de pains de propergol élémentaires dont la nature, la forme et les dimensions sont choisies pour obtenir la durée de combustion désirée, tout en respectant les contraintes inhérentes aux lois de combustion et, en particulier, à la contrainte relative au serrage. Les exemples d'exécution décrits et représentés ont, à titre non limitatif, pour objet, de montrer la réalisation de l'élément principal de la structure constituant l'ossature du chargement de poudre ainsi que d'indiquer différents modes de maintien et d'assemblage des pains de propergol sur cette ossature. Suivant l'exemple d'exécution représenté sur la figure 1, le chargement de poudre est constitué par l'assemblage ordonné d'une pluralité de pains de propergol (P), de caractéristiques déterminées, disposés sur une structure légère et rigide dont l'élément principal forme l'ossature du chargement de poudre. Dans un but de clarté du dessin, sur la figure 1, les éléments qui constituent la structure ont été représentés sous une forme simplifiée et les pains de propergols n'ont été figurés que très partiellement, la forme définitive du chargement étant du type cylindro-torique. Les dimensions de l'ensemble sont sensiblement égales aux dimensions de la chambre de combustion dans laquelle le chargement de poudre sera emmagasiné. Le diamètre interne du chargement est conditionné pour assurer un libre écoulement des gaz de combustion et pour permettre de disposer les moyens d'ignition des pains de propergol, qui n'ont pas été figurés puisque ces moyens ne participent pas à l'invention. Ls caractéristiques des pains de propergol (P), c'est-à-dire leur nature, leur forme extérieure et leur perforation interne seront déterminées pour obtenir la "fonction de forme" désirée, en ce que la surface de combustion suivra en fonction du temps, une loi prédéterminée, ce qui permettra finalement d'obtenir une loi de poussée qui, en fonction du temps de combustion suivra une loi donnée telle que constante, régressive ou progressive. Les pains de propergols pourront être identiques ou, au contraire, présenter des caractéristi quels différentes dans le but de faciliter l'obteltiol de la fonction de forme désirée. L'élément principal de la structure ou ossature comporte des armatures longitudinales (1), telles que des tiges, assemblées par un premier jeu de pièces de forme circulaire (2) fixés radialement le long de ces armatures. PréQérablement, l'espacement des cercles (2) est sensiblement égal à celui des pains de propergol de façon à pouvoir y fixer ultérieurement des moyens de support et de maintien des pains de propergol, en outre, les tiges radiales (4) sont disposées sur ces cercles (2). Les moyens permettant de ranger et de supporter les pains de propergol (P) sont fournis par un second jeu de pièces de formes circulaires (5) représentées en traits fins sur la figure 1. Ces cercles (5) sont disposés radialement entre les cercles (2) de l'ossature et sont fixés aux armatures (1). Le maintien longitudinal des pains de propergols est assuré par un troisième jeu de pièces de forme circulaire disposées concentriquement aux cercles (2) de l'ossature, la liaison entre ces cercles étant réalisée par les tiges (4). Enfin, un moyen assurant le maintien radial des pains de propergol est fourni par une attache (6). Les pièces constituant la structure peuvent etre réalisées en un matériau métallique et assemblées par soudure par exemple. D'autres matériaux peuvent être envisagés s'ils permettent de réaliser une structure légère, rigide et résistante aux efforts dynamiques résultant de l'écoulement violent des gaz de combustion. L'attache (6) peut etre constituée par une simple bande de plastique, toutefois si les conditions opérationnelles l'imposent, l'ensemble des pains de propergol peut être maintenu radialement et protégé extérieurement par un cylindre métallique ou plastique amovible ou non. La figure 2 représente une variante d'exécution de l'exemple précédent qui ne diffère que par le mode d'assemblage des pains de propergol sur la structure. Les moyens et les caractéristiques de ltélémentprincipal constituant l'ossature du chargement demeurent inchangés ; on y retrouve les armatures longitudinales (1) assemblées par les pièces de forme circulaire (2) et les tiges radiales (4). Les moyens permettant de ranger, supporter et maintenir les pains de propergol (P) sont constitués par des barres longitudinales (7) sur lesquelles viennent stenfiler-les pains de propergol. Afin de montrer clairement le mode de fixation des barres (7) sur les tiges radiales (4), une seule de ces barres a été représentée sur lafigure 2, les autres barres sont seulement indiquées en traits fins. Le nombre des barres longitudinales (7) dépend de la section des pains de propergol et du diamètre du chargement de poudre, ce nombre peut donc être supérieur à celui des armatures longitudinales (1) de l'ossature. Les pains de propergol (P) peuvent être montés librement sur les barres (7) ou, si nécessaire, rendus fixes par un moyen connu en soi.L'espacement entre deux pains de propergol consécutifs peut être réglé si les pains sont montés de façon libre sur les barres, par des entretoises (8). La forme hexagonale de la section des pains de propergol a été choisie de façon purement arbitraire. Comme dans l'exemple d'exécution précédent, l'ensemble ainsi constitué peut être protégé de l'extérieur par un cylindre amovible ou fixe. La figure 3 représente une variante d'exécution de l'invention dans laquelle les pains de propergol (P) ne sont plus maintenus individuellement mais groupés préalablement pour former des sous-ensembles (S). On pourra réaliser, par exemple, des sous-ensembles (S) en forme de couronnes, de demi-couronnes ou de segments de couronnes qui seront placés sur l'ossature. Sur la figure 3, une seule tranche du chargement de poudre a été représentée et l'on retrouve toujours les éléments constitutifs de l'ossature : les armatures longitudinales (1) assemblées par les pièces de forme circulaire (2) et les tiges radiales (4) qui assurent le maintien longitudinal des sous-ensembles (S). Les sous-ensembles (S) sont réalisés en solidarisant les pains de propergol élémentaires (P) à l'aide d'un liant tel que polyuréthane, polybutadiène, polyester, silicones, etc.. Ces sous-ensembles (S) sont maintenus radialement sur l'ossature par collage des segments constituant la couronne ou par les moyens déjà précités tels qu'unie attache plastique ou une paroi cylindrique formant "douille". Dans l'invention, telle qu'elle vient d'etre décrite, la nature de la poudre peut être commune à tous les pains de propergol ou le chargement peut être constitué par une combinaison de pains de propergol différente par la nature de la poudre, leur forme, leur dimension et la distribution des perforations. tes mêmes remarques sur la forme unique ou non s'appliquent aux sous-ensembles (S). La réalisation d'une telle structure contribue à résoudre les problèmes d'ignition des pains de propergol en facilitant la répartition de la charge primaire et des éventuels renforçateurs destinés à cette fonction d'ignitîon. La charge d'ignition peut être avantageusement, mais non exclusivement organisée sous la forme d'une canne de structure appropriée, métallique ou non, portant les compositions pyrotechniques et les dispositifs d'excitation proprement dits et ainsi placée au centre du chargement. Toutefois, une structure réalisée suivant l'invention permet une autre variante de 1 'igni- tion consistant à répartir les dispositifs d'ignition auprès des pains de propergol dont ils doivent assurer l'excitation. Un chargement de poudre réalisé selon l'invention peut être appliqué avantageusement à l'alimentation des propulseurs dont la durée de combustion doit être extrêmement courte, par exemple dans les propulseurs d'accélération pour la mise en vitesse des projectiles, les canons sans recul, les générateurs de gaz notamment ceux utilisés dans les éjecteurs de toutessortesou dans les techniques industrielles d'emboutissage par exemple. Naturellement l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution représentés et décrits, qui n'ont été choisis qutà titre d'exemples. REVE NDI CAT IONS 1. Chargement de poudre, pour propulseur, permettant des durées de combustion extrêmement brèves et de fournir une poussée reproductible selon une loi prédéterminée ; chargement constitué par l'arrangement ordonné d'une pluralité de pains de propergol ajourés, indépendants ou assemblés par blocs, dotés ou non d'une perforation centrale et disposés sur une structure ; chargement caractérisé par le fait que les blocs de propergol sont rangés selon une configuration avantageusement cylindro-torique sur la structure et en ce que l'élé- ment principal, ou ossature, est constitué par des armatures longitudinales (1), de longueur sensiblement égale à la longueur du chargement de poudre, solidarisées par un premier jeu d'éléments circulaires (2) et en ce que l'ossature peut recevoir des moyens permettant de supporter des pains de propergol, des moyens de rangement des pains de propergol, ces pains recevant un moyen de maintien et, éventuellement, un moyen de protection mécanique. 2. Chargement de poudre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen permettant de supporter les pains de propergol est constitué par un second jeu d'éléments circulaires (5) fixés radialement le long des armatures longitudinales(1), le moyen de rangement des pains est constitué par un troisième jeu d'éléments circulaires (3) disposés concentriquement au premier jeu d'éléments (2),et le moyen de maintien des pains est constitué par des sangles disposées sur la périphérie des pains. 3. Chargement de poudre selon la revendication 1, dans lequel les pains de propergol sont assemblés par blocs qui forment des sous-ensembles, caractérisé en ce que le moyen permettant de supporter les pains de propergol est constitué par les armatures longitudinales (1), le moyen de rangement étant constitué par des tiges radiales (4) fixées sur lesdites armatures et le moyen de maintien étant obtenu par collage des sous-ensembles. 4. Chargement de poudre selon la revendication 1, dans lequel les pains de propergol sont indépendants et dotés d'une perforation centrale, caractérisé en ce que le moyen de support, le moyen de rangement et le moyen de maintien sont combinés en un moyen unique constitué des barres longitudinales (7) solidarisées à l'ossature par des tiges radiales (4). 5. Chargement de poudre selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de protection mécanique des pains est constitué par une enveloppe cylindrique. 6. Propulseur à propergol solide dont la chambre de combustion est alimentée par un chargement de poudre selon l'une des revendications i à 5.