Brevet FR2466627A1 — publié le 19810410

La présente invention concerne un dispositif anti-clappement pour propulseur a propergol solide. Les blocs de propergol solide pour propulseurs sont sollicités par des efforts et déformations mécaniques, notamment des allongements, lors des phases de fabrication, de stockage et de fonctionnement. Afin de préserver l'intégrité du propulseur, il est recommandé de ménager des zones libres de séparation ou 'décollements" entre le bloc de propergol et la structure voisine du propulseur. Les décollements occupent généralement tout ou partie des zones de fond où ils constituent une cavité de forme de révolution communiquant avec la cavité interne du propulseur qui joue le rôle de chambre de combustion. Le volume occupé par les décollements est variable en fonction de la position du propulseur,de-conditions d'état (notamment pression et température) et des efforts agissant sur le propulseur (accélération, pression interne,...). I1 peut même arriver qu'un ou plusieurs décollements soient fermés par suite par exemple d'un stockage prolongé, d'un champ d'accélérations, d'une pression interne s'exerçant sur le fond, d'une adhérence imprévue des faces en regard du décollement,.. Au moment de l'allumage du propulseur, tant qu'un décollement reste fermé, l'effort qui s'exerce le long des surfaces en contact du bloc de propergol et de la structure voisine du propulseur est inférieur à la pression interne du propulseur. I1 arrive un moment, au cours de l'allumage, où le champ de forces s'exerçant sur le fond du propulseur provoque l'ouverture-du décollé- ment.Comme illustré par la figure 1, la contrainte c s'exerçant dans un point donné du décollement fermé reste inférieure a la pression E dans la chambre de combus tion jusqu'à l'instant to d'ouverture du décollement où la courbe de variation en fonction du temps de la contrainte c rejoint celle de la pression E. Ce saut de pression provoque une variation brusque de l'effort exercé sur le bloc de propergol tout le long du decolle- ment qui s'est ouvert. Le choc ainsi produit peut avoir une intensité élevée et mettre en danger la tenue des différents équipements véhiculés par le propulseur.Ce phénomène observé en vol sur des gros propulseurs est appelé "clappement"(ou "popping" dans la littérature de langue anglaise). Pour prévenir le phénomène de "clappement", il a été proposé de diminuer la surface des décollements, ce qui réduit d'autant la surface soumise à un éventuel saut de pression. Toutefois, ceci se fait au détriment de la sécurité recherchée par la présence des décollements et un compromis doit alors être trouvé entre les sollicitations tolérées du bloc de propergol et de la structure voisine du propulseur, d'une part-, et l'intensité d'un clappement éventuel, d'autre part. Il a aussi été proposé de disposer un filet entre le bloc de propergol et la protection thermique formant la partie de la structure du fond du propulseur voisine du bloc de propergol. Le filet a pour but d'empêcher la fermeture étanche des décollements de la zone de fond. Cette solution permet de diminuer environ de moitié l'intensité des sauts transitoires de pression dans le cas dlun décollement fermé. Toutefois, la méconnaissance actuelle de l'influence du vieillissement sur la fonction remplie par le filet ne permet pas de garantir la fiabilité de-cette solution. Aussi, l'invention a-t-elle pour but de fournir un dispositif anti-clappement fiable et simple,disposé entre le bloc de propergol et la protection thermique au fond du propulseur de manière à permettre au moment de l'allumage un équilibrage des pressions dans la chambre de combustion et dans les décollements sans phénomènes transitoires à caractbre brusque et dangereux. Ce but est atteint par un dispositif comportant, conformément à l'invention, des éléments liés au bloc de propergol et à la structure de fond du propulseur et définissant au moins un passage qui fait communiquer le décollement avec la chambre de combustion et dont la section reste sensiblement constante lors de mouvementsde fermeture-ou d'ouverture du décollement produits par un déplacement relatif entre le bloc de propergol et la structure de fond du propulseur. Même dans le cas d'un décollement fermé, il existe donc une communication avec une section de passage déterminée permettant l'équilibrage des pressions entre la chambre de combustion et le décollement. Cet équilibrage se fait sans retard dans le cas de variations lentes de pression, par exemple lors du montage et du stockage du propulseur. Lors de mises en pression rapides de la chambre de combustion, la montée en pression dans le décollement se fait progressivement. En choisissant convenablement la section de passage, on peut déterminer une loi pour cette montée en pression limitant la sollicitation mécanique du bloc de propergol à des valeurs très supportables. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif conforme à l'invention comporte au moins deux éléments liés respectivement au bloc de propergol et à la structure de fond du propulseur, et, dans ce cas, le ou chaque passage est délimité par des surfaces en regard de ces deux éléments espacées l'une de l'autre èt s'étendant sensiblement parallèlement à la direction du déplacement relatif entre le bloc de propergol et de structure de fond du propulseur, lors d'une fermeture ou ouver ture du décollement. Les surfaces délimitant le passage sont alors de préférence des surfaces annulaires coaxiales avec le propulseur et ayant une forme cylindrique à section cir culairé,ou tronconique,selon que le déplacement relatif entre le bloc de propergol et la structure du propulseur est axial ou non. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif conforme à l'invention comporte une cloison défor-mable liée de façon étanche au bloc de propergol et à la structure de fond du propulseur et des conduits rigides traversant cette cloison. La cloison déformable forme par exemple un soufflet. D'autres particularités et avantages du dispositif anti-clappement conforme à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif. On se référera aux dessins annexés sur les quels - la figure l,déjà décrite, est une courbe illustrant les variations en fonction du temps de la pression dans la chambre de combustion et de la contrainte dans un décollement pour un propulseur dans lequel se produit un clappement; - les figures 2a et 2b illustrent une demicoupe longitudinale partielle d'un propulseur muni d'un dispositif anti-clappement conforme à l'invention, avec décollement ouvert dans le cas de la figure 2a et fermé dans le cas de la figure 2b. - la figure 3 illustre en demi-coupe longitudinale partielle un autre mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure-4 illustre en demi-coupe longitudinale partielle encore un autre mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, et - la figure 5 est une vue partielle en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4. Sur les figures 2a et 2b, on a schématiquement représenté un propulseur 10 à propergol solide du type à tuyère intégrée. Le propulseur 10 contient un bloc 11 de propergol solide avec une chambre de combustion 12. Un décollement 13 est formé entre le bloc de propergol solide 11 et une protection thermique 14 de la structure de fond du propulseur. Plus préciseent, du côté du bloc 11, le déaollement est délimité par une peau 15 décollée du revêtement thermique et adhérant au bloc 11 pour interdire la comf bustion du propergol dans la cavité du décollement 13. La protection thermique 14 recouvre la structure filamentaire 16 du fond du propulseur dont l'ouverture arrière est r e n f o r c é e par une embase 17. L'embase 17 a une p a r t i e 17a logée entre la protection thermique 14 et une couche d'élastomère 18 interposée entre cette partie et la paroi interne du fond 15 du propulseur. Sur l'embase 17 est monté le cône 19 dit "d'immersion" qui sert à la fixation de la tuyère. Une protection thermique 20 entoure le cône 19 du côté intérieur au propulseur. Conformément à l'invention, un passage 21 est ménagé entre le décollement 13 et une cavité 22 de la chambre de combustion. Le passage 21 est de forme annulaire et est délimité par deux surfaces cylindriques à sections circulaires 23 et 24 de même axe A que le propulseur. La surface 23 est la face extérieure d'un anneau 25 réalisé dans le même matériau que les protections thermiques 14 et 20 et immobilisé entre celles-ci. La peau décollée 15 solidaire de la protection thermique 14 recouvre toute la partie inférieure du bloc 11 bordant le décollement 13. Cette peau se prolonge vers l'axe du propulseur par une portion annulaire cylindrique 26 qui fait face à l'anneau 25 et dont la face externe constitue la surface 24, et sé termine par une portion annulaire radiale 27 qui r e c o u v r e le bord intérieur de la paroi du bloc 11 .Lorsque le décollement 13 initialement ouvert (figure 2a) vient à se fermer (figure 2b), ceci se produit par un déplacement relatif du bloc 11 et de la structure de fond du propulseur. Ce déplacement se fait en direction axiale, parallèlement aux surfaces 23 et 24. Ainsi, lorsque le décollement 13 est fermé, le passage 21 reste ouvert avec la section de passage inchangée. Lorsque le décollement 13 étant fermé, la pression dans la chambre de combustion augmente brusquement à la mise en fonctionnement du propulseur, un écoulement s'établit dans le passage 21 et provoque l'augmentation de la pression dans le décollement 13. Le déplacement de la structure de fond du propulseur est tel que l'anneau 25 se déplace parallèlement à l'axe du propulseur. Comme la déformation du bloc de propergol lors de la phase d'allumage est telle que la zone annulaire 26 se déplace dans la même direction, il est clair que la section de passage à travers le passage 21 reste inchangée. Cette section de passage entre les surfaces 23 et 24 détermine le débit de remplissage du décollement 13 et doit être convenablement choisie pour limiter les contraintes exercées sur le bloc 11 à l'ouverture du décollement. Ainsi, la section d'entrée dans le passage 21 est calculée pour assurer un remplissage du volume du décollement 13 en un temps, relativement court, par exemple environ 10 ms pour permettre -un équilibrage des pressions rapide mais non brutal ,connaissant la différence entre la pression à établir dans le décollement et celle y règnant préalablement et sachant que l'êcou- lement dans le passage 21 est supercritique, avec, donc une vitesse en sortie de ce passage qui atteint celle du son. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention pour un propulseur 30 à tuyère intégrée. Un décollement 33 (fermé sur la figure 3) est ménagé entre un bloc 31 de propergol solide et une protection thermique 34 de la structure de fond du propulseur. Le décollement est bordé, du coté du bloc 31, par une peau 35 adhérant à ce bloc. La structure de fond du propulseur 30 est analogue à celle du propulseur 10 des figures 2a et 2b. La structure filamentaire 36 au fond du propulseur recouverte par la protection thermique 34 présente une ouverture axiale pour le logement d'une embase 37 servant au montage du cône d'immersion 39. Une protection thermique 40 recouvre le cone 39 du côté de la chambre de combustion 32 du propulseur. Le décollement 33 communique avec une cavité 42 de la chambre 32 à travers un passage 41 délimité par deux surfaces tronconiques parallèles 43 et 44 de même axe que le propulseur. La surface 43 est la face extérieure d'un élément annulaire tronconique 45 fixé sur la face périphérique tronconique du revêtement de protection 40 par l'intermédiaire d'un support déformable 48. La peau 35 s e p r o 1 o n g e, au-delà du bord intérieur 31a du bloc 31, par une partie tronconique 35a qui fait face à la protection 40 et qui recouvre une zone bordant intérieurement l'ouverture formée dans le fond du bloc 31. La surface 44 est la face intérieure d'un élément annulaire tronconique 46 qui est fixé sur la partie 35a de la peau 35. Des plots ou entretoises 49 maintiennent un écartement déterminé entre les éléments 45 et 46. Lors de l'allumage, le déplacement de la structure de fond du propulseur se fait parallèlement à l'axe mais la déformation du bloc de propergol est telle que son bord inférieur intérieur 31a se déplace, vu en coupe longitudinale, suivant un arc de cercle F (figure 3) dont la tangente, au niveau du passage 41 est sensiblement parallèle aux surfaces 43 et 44. Lors de l'ouverture du décollement, la surface 44 se déplace donc très approximativement parallèlement à elle-même, de même que la surface 43 à laquelle elle est liée par les plots 49. La compatibilité des déplacements en directions différentes de la structure de fond du propulseur et du bloc de propergol est assurée par la capacité de déformation de la pièce support 48.Celle-ci est constituée par exemple par un élément annulaire tronconique en caoutchouc mousse entouré de caoutchouc dur et renforcé du côté du passage 41 par une couche de métal ou clinquant, obtenue par pulvérisation ou projection de métal. Le fonctionnement du dispositif anti-clappement de la figure 3 est analogue à celui des figures 2a et 2b, l'équilibrage des pressions entre la chambre de combustion et le décollement se produisant par écoulement à travers le passage 41 de section constante prédéterminée. Un autre mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention est illustré partiellement par les figures 4 et 5. Sur ces figures, on a simplement représenté un bloc de propergol 51 séparé de la structure de fond d'un propulseur 50 par un décollement 53 délimité, du côté du fond 56, par la protection thermique 54 de ce fond et, du côté du bloc 51, par une peau 55 adhérant à la face inférieure de celui-ci. Une cloison souple 63 sépare le décollement 53 (ouvert sur les figures 4,5) de la chambre de combustion 52. Cette cloison a une forme de soufflet en caoutchouc mécanique comportant une texture de renfort 64 et dont les deux parties 65 et 66 adherent, d'une part, entre elles et, d'autre part, respectivement à la protection 54 et à la peau 55. La cloison 63 est traversée de tuyaux rigides 61 dont le nombre et les dimensions déterminent la section de passage de la communication qu'ils établissent entre le décollement 53 et la chambre de combustion 52. Comme on peut le voir sur la figure 5, du côté de la chambre de combustion, les tuyaux 61 sont coudés et s'ouvrent vers l'avant du propulseur sensiblement parallèlement à l'axe de celui-ci. Une partie des gaz produits lors de l'allumage et expulsés vers 1 'ar- rière pénètre ainsi directement dans les tuyaux 61 afin de provoquer l'ouverture du décollement 53 au cas où celui-ci serait fermé. Bien entendu diverses modifications et adjonctions pourront être apportées aux modes de réalisation décrits plus haut d'un dispositif anti-clappement conforme à l'invention sans pour cela sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Dispositif anti-clappement pour un propulseur comportant un bloc de propergol solide avec une chambre de combustion et séparé de la structure de fond du propulseur par au moins un décollement qui communique avec la chambre de combustion, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des éléments liés au bloc de propergol e t a u f o n d d u propul seur e t définissant au moins un passage qui fait communiquer le décollement avec la chambre de combustion et dont la section reste sensiblement constante lors de mouvements de fermeture ou d'ouverture du décollement produits par un déplacement relatif entre le -bloc -de propergol et la structure de fond du propulseur. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux éléments liés r e s p e c t i v e m e n t au bloc de propergol et au fond du propulseur et le ou chaque passage est délimité par des surfaces en regard de ces deux éléments espacées l'une de l'autre et s'étendant sensiblement parallèlement à la direction du déplacement relatif entre le bloc de propergol et de la structure de fond du propulseur lors d'une fermeture ou ouverture du décollement. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces en regard délimitant le ou chaque passage sont des surfaces annulaires coaxiales avec le propulseur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites surfaces en regard sont cylin--- driques à section circulaire. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites surfaces sont tronconiques. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que des pièces rigides maintiennent l'écartement entre lesdites surfaces en regard délimitant le ou chaque passage. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 a 6, caractérisé en ce qu'au moins un des éléments est monté sur une pièce support en matériau déformable. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une cloison déformable liée de façon étanche au bloc de propergol et à la structure de fond du propulseur et des conduits rigides traversant cette cloison. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cloison déformable forme soufflet.