Brevet FR2489419A1 — publié le 19820305

La présente invention 'concerne un grain de générateur de gaz et sa fabrication. Il existe depuis peu un besoin d'un grain de propergol et un grain de générateur de gaz est utilisé pour lancer des fusées, en particulier des missiles de petite taille. Le grain de propergol doit brûler en peu de temps et produire une poussée relativement forte, et le grain de géné- rateur de gaz doit lui aussi brûler en peu de temps et pro- duire une Quantité de gaz relativement importante. Tous deux sont utilisés pour lancer des fusées. Le pre- mier est utilisé dans des moteurs auxiliaires de fusées, et le second dans les systèmes générateurs de gaz de lanceurs. Les explosifs de ces moteurs fusées du type brûlant en peu de temps et de ces systèmes générateurs de gaz ont été utilisés jusqu'à présent de la manière suivante. Les propergols sont très généralement sous les formes à perforation unique ou à perforationsmultiples et ils ont été appliqués à un système multigrains pour moteurs fusées dans lequel un propergol à perforation unique est introduit en grandes quantités dans un moteur. Dans le cas particulier des canons, on connaît un pro- cédé de préparation d'un grain consistant à découper une pou- dre explosive sous forme de feuilles à une dimension détermi- née à l'avance, à empiler les feuilles obtenues et à les fi- xer avec des fils. Cependant, ces feuilles ont des inconvénients particu- liers lorsqu'on les utilise dans les moteurs fusées ou dans les générateurs de gaz qui donnent naissance à des pressions de 1950 à 19500 kPa pendant la courte durée de la combustion. Le propergol à perforation unique ou à perforations multiples ne permet pas d'obtenir un modèle homogène de sur- face de combustion en raison de la forme des grains de poudre, et l'absence d'uniformité s'observe dans les caractéristiques pression-temps et/ou poussée-temps. En outre, ces propergols ont l'inconvénient que lorsqu'on les utilise dans un moteur fusée, ils brûlent en donnant des grains de poudre de faibles dimensions, de sorte que les grains de poudre en combustion se dispersent de tous côtés, et le rendement de la combustion décroît en conséquence. En ce qui concerne le propergol à perforation unique du système multigrains, lorsqu'on les utilise dans un moteur fusée, il est difficile de les maintenir en place, donc d'em- pêcher des morceaux brisés de propergol en combustion de s' échapper du moteur. En outre, le procédé ci-dessus comprenant l'empilement de feuilles de poudre explosive et leur fixation par des fils ets... est utile dans le cas d'une poudre à canon, dans la- quelle ils sont utilisés sous une pression supérieure à 49000 kPa et dans le cas d'un moteur fusée ou d'un générateur de gaz dans lesquels ils sont utilisés sous une pression de 1950 à 19500 kPa, car un allumage uniforme ne peut pas etre obtenu sur leur surface de combustion. Un des buts de l'invention est de fournir un grain de générateur de gaz dans lequel aucune des bases n'est en con- tact avec une autre base et qui présente d'excellentes carac- téristiques d'allumage. Un autre but de l'invention est de fournir un grain de générateur de gaz ayant un modèle de surface de combustion uniforme, qui présente des caractéristiques stables de rela- tion pression-temps lorsqu'il est utilisé dans un générateur de gaz. Un autre but de l'invention est de fournir un grain de générateur de gaz ayant un rendement de production de gaz extrêmement élevé. Un autre but de l'invention est de fournir un grain de générateur de gaz pouvant être produit simplement et en toute sécurité. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple: la Fig. 1 est une représentation schématique d'une feuille de poudre explosive utilisée dans le grain de généra- 3- teur de gaz représenté à la Fig. 2; la Fig. 2 est une-vue schématique d'un grain de généra- teur de gaz suivant un mode de réalisation de l'invention, dont une partie du grain a été retirée; les Fig. 3 et 5 sont des vues schématiques d'une feuil- le de poudre explosive utilisée dans les grains de générateur de gaz des Fig. 4 et 6, respectivement; et les Fig. 4 et 6 sont des vues schématiques de grains de générateur de gaz suivant d'autres modes de réalisation de l'invention, dans lesquels des parties des grains ont été retirées. La présente invention est basée sur cette découverte qu'un grain, préparé en se procurant des poudres explosives sous la forme d'une feuille portant plusieurs protubérances sur au moins une face de la feuille de poudre explosive et en empilant plusieurs des feuilles de poudre explosive ainsi ob- tenues en contact les unes avec les autres, présente d'excel- lentes caractéristiques d'allumage. et qu'en outre les grains peuvent brûler en un temps court, produisant ainsi une grande quantité de gaz. Le grain de générateur de gaz de l'invention est obte- nu par un procédé qui consiste (a) à mouler une composition cie poudre explosive constituée d'une nitrocellulose, d'un nitroplastifiant et d'additifs, sous la forme d'une feuille moulée préliminaire, (b) à faire passer la feuille moulée préliminaire entre deux rouleaux d'un laminoir parallèle pour obtenir une feuille de poudre explosive, les surfaces de ces deux rouleaux portant un dessin négatif correspondant à la forme de surface de la feuille de poudre explosive désirée portant les protubérances désirées, (c) à découper cette feuille de poudre explosive en plusieurs feuilles de poudre unitaires, à les empiler et à les fixer. Les nitroplastifiants utilisés dans l'invention sont des nitroplastifiants connus tels que la nitroglycérine (llG), le dinitrate de diéthylèneglycol(DEGDN), le trinitrate de triméthyloléthane (TMETN), le trinitrate de butanetriol (BTTN) Ces nitroulastifiants sont utilisés dans un mélange avec au moins un des produits suivants: un plastifiant, un stabilisant, un catalyseur de combustion et un agent oxydant. Le plastifiant est un plastifiant usuel tel que la tri- acétine (TA), le phtalate de diéthyle (DEP), le phosphate de tributyle (TBP) etc.. Ces plastifiants sont utilisés seuls ou en mélanges. Le stabilisant est un stabilisant utilisé dans un propergol habituellement à deux bases, préparé par le procédé par extrusion ou par le procédé par coulée. On citera par exemple la diphénylamine (DA), la 2-nitro- diphénylamine (2-lDA), l'éthyl-centralite (ECL) etc... Les catalyseurs de combustion sont par exemple des oxy- des de métaux lourds, tels que le plomb et le cuivre, et des sels organiques ou minéraux des métaux lourds. Comme agent oxydant, on citera des agents oxydants minéraux tels que des perchlorates, des nitrates, etc.. ou des agents oxydants or- ganiques tels que la cyclotriméthylène trinitramine (RDX), la cyclotétraméthylène tétranitramine (IHJE), le tétranitrate de pentaérythritol (PETN) etc... L'agent oxydant est de préférence un agent oxydant or- ganique satisfaisant aux exigences d'absence de fumée des gaz brûlés lors de la combustion du grain du générateur de gaz et de compatibilité avec le constituant nitrocellulose (NC) et avec le constituant nitroplastifiant; il est avantageusement d'une taille de particules aussi faible que possible, de pré- férence non supérieure à 100 microns pour la sécurité de l'o- pération de laminage. La proportion dans le mélange de chacun des constituants de la poudre explosive sous forme de feuille utilisée dans 1' invention est déterminée en fonction des performances de com- bustion et des caractéristiques physiques désirées, mais on préfère habituellement qu'elle soit de 20 à 70 % par rapport à l'étalon de poids (l'étalon étant précisé ci-dessous) pour la nitrocellulose, de 10 à 50 % pour le nitroplastifiant, de 0 à 20 - pour le plastifiant, de O à 70,% pour l'agent oxy- dant et de 1 à 10 % pour la somme du stabilisant et du cata- lyseur de combustion. Pour former la feuille de poudre explosive, on procède comme suit. On mélange d'abord une nitrocellulose généralement fi- breuse (;C) et un nitroplastifiant dans un rapport de mélange déterminé à l'avance, en ajoutant la quantité voulue d'addi-_ tifs et en mélangeant soigneusement. Puis on soumet le mélange obtenu à un moulage prélimi- naire par laminage suivant un procédé connu, ce qui fournit le produit moulé préliminaire. On lamine ensuite la feuille ayant subi le moulage pré- liminaire entre deux rouleaux d'un laminoir parallèle dont le dessin en creux (négatif) correspond à la forme de la surface de la feuille de poudre explosive désirée. On obtient ainsi une feuille de poudre explosive présentant les protubérances désirées. Les creux du dessin négatif de la surface de ce rouleau ont la forme d'un sillon, d'une demi- sphère, d'une pyramide triangulaire, d'un cylindre etc... suivant la forme de la feuille de poudre explosive désirée, mais ils sont de préfé- rence disposés à intervalles réguliers. La profondeur du creux est déterminée en fonction de la hauteur des protubé- rances de la feuille de poudre explosive désirée. Lorsque la profondeur du creux de la feuille de poudre explosive est trop faible, les intervalles entre les bases voisines du grain du négérateur de gaz qui sont réalisées en disposant ou en assemblant ces feuilles de poudres explosives ne sont pas suffisants, et par conséquent le grain du générateur de gaz ne permet pas un allumage uniforme et à plein rendement. Au contraire, lorsque la profondeur des creux est ex- cessive, il n'est pas facile d'obtenir une dispersion com- plète dans les creux de la poudre explosive du produit ayant subi le moulage préliminaire, et on risque une combustion de la poudre explosive résultant de la réaction exothermique provoquée par la compression adiabatique de l'air restant dans les creux. En conséquence, la profondeur des creux, c'est-à-dire la hauteur des protubérances est de préférence de 0,2 à 2 mm environ. Le laminoir parallèle avec lequel sont pratiqués les creux est conçu pour réaliser à volonté les creux sur les deux surfaces des rouleaux parallèles ou sur un seul des rou- leaux de la paire. Le laminoir parallèle fonctionne en général à une vites- se égale des rouleaux (rapport de rotation 1:1). En ce qui concerne la séparation de la feuille de pou- dre explosive du laminoir parallèle, on peut la réaliser à une vitesse des rouleaux légèrement différente. Lorsque le rapport de rotation est trop élevé, la pou- dre explosive peut s'enflammer, et par conséquent le rapport de rotation est de préférence de 1:1 à 1:1,1. La température de la poudre explosive et du rouleau lors de la formation de la poudre explosive est de 15 à 90 C, de préférence de 40 à 800 C, car à basse température, la pou- dre explosive est dure et difficile à déformer plastiquement, de sorte qu'il est difficile de mouler les protubérances de la poudre explosive. A température élevée, le nitroplastifiant s'évapore et la sensibilité de la poudre explosive devient élevée. Lorsque l'épaisseur de la base est trop faible, celle- ci est difficile à façonner. Lorsqu'elle est trop élevée, il faut beaucoup de temps pour former une feuille élaborée de la poudre explosive ayant sa propre densité. En conséquence, l'épaisseur de la base est de préfé- rence de 0,4 à environ 4 mm. On découpe la feuille de poudre explosive ainsi formée a une forme prédéterminée pour obtenir des feuilles de poudre explosive unitaires, que l'on empile ensuite pour obtenir le grain de générateur de gaz. Pour préparer le grain de générateur de gaz, il est avantageux de maintenir chaque feuille de poudre explosive avec le dispositif de maintien. Il est également avantageux, pour manipuler le grain du générateur de gaz et pour améliorer la stabilité de la com- bustion, de lier une partie ou la totalité des protubérances de chacune des feuilles de poudre explosive unitaires avec les feuilles voisines pour former un corps unique au moyen d'un solvant ou d'un liant. Le solvant utilisé pour cette opération est un solvant qui dissout la feuille de poudre explosive et ne réagit pas avec celle-ci, et dont le point d'ébullition est bas. Comme solvant, on connaît des solvants polaires dont les points d'ébullition sont dans l'intervalle de 50 à 150 C, par exemple des cétones comme l'acétone, la méthyléthyl céto- ne, la méthyl isobutylcétone, des esters comme l'acétate d' éthyle, l'acétate de butyle, le lactate d'éthyle, des alcools et des éthers. Ce solvant est utilisé sous forme de solution mélangée constituée d'un ou plusieurs solvants. Le liant est un liant pouvant coexister avec la poudre explosive utilisée pour le grain de générateur à gaz. Il existe deux procédés pour disposer plusieurs feuil- les de poudre explosive afin de former un grain de générateur de gaz. Le premier consiste à découper une feuille de poudre explosive en feuilles de poudre explosive unitaires et à les empiler. Le second consiste à réunir des feuilles de poudre explosive de forme prédéterminée en un corps unique et à trai- ter le produit obtenu pour obtenir le grain de générateur de gaz. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après des Figures du dessin annexé qui illustrent des modes de réalisation préférés de l'invention. Dans toute la description et les dessins, les mêmes nu- méros de référence désignent des parties identiques. Dans les Fig. 1 et 2, la désigne une feuille de poudre explosive, et des protubérances 2a constituées de petites hémisphères sont disposées sur les deux faces d'une base 3a. Les feuilles de poudre explosive sont découpées en feuilles de poudre explosive unitaires ayant la forme de dis- ques du type "beignet" 4a, 4a', Aa"... De plus, plusieurs de ces feuilles de poudre explosive unitaires sont empilées comme le montre la Fig. 2, et l'on obtient ainsi un grain de générateur de gaz 5a. Les Fig. 3 et 4 sont respectivement des vues schémati- ques d'une feuille de poudre explosive suivant un autre mode de réalisation de l'invention et d'un grain de générateur de gaz obtenu en découpant la feuille de poudre explosive en feuilles de poudre explosive unitaires 4b, 4b', 4b"... comme le montre la Fig. 3 et en les empilant. La feuille de poudre explosive lb est dotée de protubé- rances 2b en réseau sur une face d'une base 3b. Les feuilles de poudre explosive unitaires 4b, 4b' sont empilées comme le montre la Fig. 4, ce qui fournit un grain de générateur de gaz 5b. Les Fig. 5 et 6 sont respectivement des vues schémati- ques d'une feuille de poudre explosive le suivant un autre mode de réalisation de l'invention et d'un grain de généra- teur de gaz 5c obtenu en découpant la feuille de poudre ex- plosive lc en feuilles de poudre explosive unitaires 4c, 4c' et en les empilant. 2c désigne des protubérances en forme de baguettes et 3c désigne une base. Le grain de générateur de gaz obtenu conformément à l'invention présente les avantages et a les effets suivants. (1) Une feuille de poudre explosive obtenue par le pro- cédé connu consistant à empiler des feuilles de poudre explo- sive et à fixer le produit empilé avec un fil etc.. ne peut pas brtler uniformément sur toute sa surface de combustion. Au contraire, le grain de générateur de gaz de l'in- vention possède de remarquables caractéristiques d'allumage, car aucun métal d'une base ne vient au contact direct de la base voisine grâce à la présence des protubérances. (2) Le grain du générateur de gaz de l'invention peut avoir un modèle de surface de combustion homogène, car il existe des intervalles appropriés entre chacune des bases et la base voisine. Par conséquent, lorsqu'on l'utilise dans un dispositif générateur de gaz, il confère à ce dispositif des caractéristiques pression-temps stables. (3) Dans le procédé connu qui est caractérisé en ce qu' une poudre explosive à perforation unique ou à perforations multiples est introduite dans un moteur fusée, une partie de la poudre explosive est évacuée vers l'extérieur au cours de la combustion, de sorte que le rendement de la combustion de ce moteur est abaissé. Au contraire, le grain de générateur de gaz de l'inven- tion est amalgamé en un corps unique. En conséquence, lors- au'on utilise le grain de générateur de gaz de l'invention dhns un dispositif génératiui 'e gaz; les grains du généra- teur de gaz ne sont pas chassés vers l'extérieur, de sorte que le rendement de la combustion est très élevé. (4) Conformément à l'invention, le grain de poudre ex- plosive peut être fabriqué sans aucun danger d'inflammation, d'explosion etc..., bien qu'il contimenne des agents oxydants organiques explosifs tels que RDX, IE, etc... (5) Conformément à l'invention, la feuille de poudre explosive est formée d'une seule pièce avec une base et des protubérances au moyen d'un rouleau portant en creux le des- sin correspondant à celui de la feuille explosive désirée. Par conséquent, le grain de générateur de gaz de l'in- vention est facile à fabriquer. Les exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. Sauf indications contraires, les parties et pourcentages sont en poids. Exermple 1 On disperse dans de l'eau 53 parties de nitrocellulose fibreuse, on y ajoute lentement et en agitant 32 parties de nitroglycérine et 11 parties de phtalate de diét'-yle, puis 2 parties de diphénylamine et 2 parties d'un catalyseur d'in- flammation (sel organique de plomb). Après avoir mélangé soigneusement, on déshydrate le mé- lange au moyen d'un déshydrateur centrifuge et on le soumet à un moulage préliminaire sur un laminoir, ce qui donne un pro- duit moulé préliminaire d'une épaisseur de 1,0 m, contenant 1 y' d'humidité. On fait passer le produit ayant subi le moulage préli- minaire à travers deux rouleaux d'un laminoir parallèle dont les deux faces portent les dessins négatifs correspondant à la forme de la surface de la feuille de coudre explosive de la Fig. 1, et qui sont maintenus à 70 C, ce qui fournit une feuille de poudre explosive. La hauteur des protubérances est de 0,5 mm et l'épaisseur de la base est de 0,7 mm. La dépression du dessin négatif porté par la surface du rouleau a la forme d'une hémisphère de 0,5 mm de diamètre, et de 0,7 mm de profondeur; l'intervalle entre les dépres- - sions est de 0,5 mmi. L'espace entre deux rouleaux du laminoir parallèle est de 0,5 mm et sa vitesse de rotation tangentiel- le est de 1 m/min. Puis on découpe la feuille de poudre ex- plosive obtenue avec un emporte-pièce équipé d'une double lame d'un diamètre externe de 70 mm et d'un diamètre interne de 20 mm. On obtient ainsi un grand nombre de disques du ty- pe "beignet" portant des protubérances. On revêt en outre chaque projection d'un adhésif obtenu en dissolvant de l'acétate de cellulose dans une solution mixte constituée d'acétate de méthyle/ méthyl isobutylcétone/ ester lactique (rapport pondéral 1/1/1), après quoi on empile ces disques du type "beignet" pour lier les protubérances d'un disque à la surface du disque voisin. On obtient ainsi un grain de générateur de gaz pesant 350 g, d'une longueur de 110 mm. On soumet le grain de poudre explosive obtenu à l'essai de combustion suivant. Comme appareil d'allumage, on utilise un tube d'allluma- ge de 20 mm de diamètre externe, 16 mm de diamètre interne, 120 mm de long, muni de 150 orifices d'émission des gaz de 1 mm de diamètre, rempli de balles d'inflammation et de pou- dre noire. On introduit cet appareil d'inflammation et le grain de générateur de gaz décrit ci-dessus dans un générateur de gaz, et on effectue l'essai de combustion pour ce générateur de gaz par le -rocédé connu. 1 1 L'allumage et la combustion sont normaux et la courbe caractéristique pression-temps est normale (temps de combus- tion 0,025 sec., pression de combustion 11800 kPa). Exemples 2 et 3 On fabrique des grains de générateurs de gaz en suivant le même mode opératoire qu'à l'exemple 1, excepté qu'on uti- lise la composition de mélange et les conditions de façonnage indiquées dans le Tableau 1. Puis on effectue les essais de combustion pour chaque grain de générateur de gaz en opérant comme à l'exemple 1. On trouve que l'allumage et la combustion des grains sont normaux, et l'on obtient des courbes caractéristiques pression-temps normales. Le Tableau 2 donne les résultats obtenus. TABLEAU 1 1. N C 53 55 35 plastifiant N G 32 20 24,5 itraté DEGDI - 10 - plastifiant D E P 11 11i 7 H! ro S stabilisant D A 2 2 2 I catalyseur desel organi- 2 2 icombustion que de plomb o agent H M X - - oxydant R D - - - _ _. _.X Total Creux de rouleau surface les deux surfaces une sur- face une sur- face forme hémisphère rainure rainure espace entre 1 rouleaux (mm) 0,7 1 intervalle (mm) ,0 ,0 ,0 conditions rapport de de rotation 1:1 1:1,05 1:1, 08 laminage temperature 60 50 50 50 50 intervalle 0,5 0,6 2 2 (mm) (mm) épaisseur de la feuille de poudre explosive ayant subi le moulage préli- minaire épaisseur de la base (mm) 1,0 0,7 forme des protu-, z, 1,2 4,5 1, 0 0,6 hemisphere bérances - o hauteur des pro- 1,4 tubérances 0,6 09 intervalle entre 5,0 60,0 20,0 les protubérances aspect humidité (%) 0,2 0,3 0,3 masse volumique (g/cm3) 1,57 1,58 1,65 * CdO Os-i ri o 0 o 0 O 9 o rd O o o 1 H À rl.1 o od O V0 o G> D. H oM o d) X O G,| -ic Pi H H MA - Pi TABLEAU 2 I diamètre externe 70 70 90 ) diamètre interne 20 20 25 tO | longueur 110 250 150 t poids 350 500 500 taux d'assemblage des protubébrances total total partiel des protubérances pression (kPa) 120 100 80 4> temps (sec.) 0,025 0,035 0,115 Cd H D:S caractéristiques rasiontius- normales normales normales pression-temps a combustion normale normale normale combustion normale normale normale Revendications 1 - Grain de générateur de gaz caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs feuilles unitaires (4a,a',a" - 4b,b',b"' - c,c',c") de poudre explosive de forme Prédéterminée, qui portent des protubérances (2a, 2b, 2c) venues de matière sur au moins une face de la feuille de poudre explosive, et qui sont empilées en ordre et fixées. 2 - Grain de générateur de gaz suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la base (la, lb, lc) de la feuille de poudre explosive unitaire est de 0,4 à 4 mnm et en ce que la hauteur des protubérances est de 0,2 à 2 mm. 3 - Grain de générateur de gaz suivant la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que chacune des protubérances (2a, 2b, 2c) des feuilles de poudre explosives a la forme d' une baguette, d'un hémisphère, d'une pyramide triangulaire ou d'un cylindre et en ce que les protubérances sont dispo- sées à des intervalles réguliers. 4 - Procédé de fabrication d'un grain de générateur de gaz caractérisé en ce:ue (a) on moule une composition de pou- dre explosive comprenant une nitrocellulose, un nitroplasti- fiant et des additifs sous forme de feuille moulée prélimi- naire, (b) on fait passer la feuille moulée préliminaire en- tre deux rouleaux d'un laminoir parallèle pour obtenir une feuille de poudre explosive, la surface de ces deux rouleaux portant un dessin négatif correspondant à la forme des surfa- ces de la feuille de poudre explosive désirée portant des protubérances, (c) on découpe cette feuille de poudre explo- sive en plusieurs feuilles de poudre explosive unitaires, que l'on empile et fixe. - Proc'dé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une des surfaces des deux rouleaux porte un dessin négatif correspondant à la forme de la feuille de pou- -dre explosive portant des protubérances. 6 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport des vitesses de rotation des deux rouleaux du laminoir parallèle est de 1:1 à 1:1,1. 7 - Procédé suivant l'unlme quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les protubérances des feuilles de poudre explosive ont la forme de baguettes, un himnisphè- re, de pyramides triangulaires ou de cylindres et sont dis- posées à intervalles réguliers.