Brevet FR2511938A1 — publié le 19830304

Couche isolante pour moteurs-fusées à combustible solide. La présente invention concerne, une couche isolante prévue à la périphérie extérieure de la charge propulsive et/ou à la face intérieure du carter de la chambre de combustion d'un moteur- fusée. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de ladite couche isolante. La couche isolante de la charge propulsive des moteurs- fusées à statoréacteur doit, d'une part, assurer l'isolation thermique de la charge propulsive pour la protéger contre un échauffement dé au frottement entre la fusée et l'air, ceci pour éviter que l'allure de la combustion et de ce fait de la pression ne soit altérée, et, d'autre part, protéger le carter de la chambre de combustion d'un échauffement excessif par les gaz de combustion Etant donné qu'au fur et à mesure que l'épaisseur de la couche isolante de la charge propulsive augmente, le diamètre de la charge et de ce fait le rayon d'action de la fusée se trouvent réduits, on s'efforce en outre de satisfaire aux exigences indiquées avec une couche isolante aussi mince que possible. Il est connu de réaliser la couche isolante de la charge propulsive en matière plastique, par exemple en polybutadiène (demande de brevet allemand 27 58 814) Etantdonné, cependant, que la matière plastique fond en présence des gaz de combustion et se décompose, on n'évité pas de ce fait qu'il y ait échauf- fement du carter de la chambre de combustion à de hautes tempé- ratures Il a également été proposé, pour accroître la résis- tance de la couche isolante à la conduction de chaleur, par rapport aux gaz de combustion, d'incorporer des matières miné- rales à la matière plastique,par eaoeple du silicate de métal alcalin (brevet américain 3 916 618) Etant donné que la matrice de matière plastique fond et se décompose aussi vite, l'effet ainsi obtenu est toutefois très faible. La présente invention a pour objet une couche isolante prévue à la périphérie extérieur de la charge propul- sive et/ou sur la face intérieure du carter de la chambre de combustion, y-compris le carter de la chambre de post-conbustion, dans un moteurfusée, couche isolante qui;, tout en présentant une faible épaisseur, non seulement empêche que la charge ne soit fortement échauffée par le frottement entre la fusée et l'air, mais garantisse en outre que le carter de la chambre de combustion ne subisse qu'un faible échauffement lors de la combustion La présente invention a aussi pour objet un procédé de fabrication de ladite couche isolante. La présente invention permet de résoudre ce problème par une couche isolante du type défini ci-dessus qui est cons- tituée par une couche aqueuse de silicate de métal alcalin à laquelle sont incorporés des fibres ou-un mat, et qui forme de la mousse (s'expanse) lors de la combustion de-la charge. Une autre caractéristique de la couche isolante proposée par la présente invention prévoit que la couche de silicate de métal alcalin comporte un tissu de résine époxyde sur ses deux faces. -Selon une autre caractéristique de la couche isolante proposée par-la présente invention, l'on prévoit, entre la couche de-silicate de métal alcalin ou le tissu de résine époxyde et le carter de la chambre de combustion, une couche de matière plastique expansée. Selon un premier mode de réalisation du-procédé de réa- lisation de la couche isolante, on chauffe la couche de silicate de métal alcalin à une température à laquelle elle devient plastique, à la suite de quoi on enveloppe ou chemise la charge solide avec la couche de silicate plastique, et on l'insère dans le carter de la chambre de combustion, avec formation d'une fente annulaire entre la couche de silicate ou le tissu de résine époxyde et ledit carter, puis on la chauffe à une température à laquelle la couche de silicate commence à former de la mousse, ceci afin d'obturer la fente annulaire. Selon un autre mode de réalisation du procédé, on chauffe la couche de silicate de métal alcalin à une-température à laquelle elle devient plastique, à la suite de quoi l'on revêt la face intérieure du carter de la chambre de combustion de cette couche plastique, puis on munit ladite couche ou le tissu de résine époxyde d'un agent d'adhérence, et l'on coule ensuite la masse de combustible dans le carter revêtu. Selon un autre mode de réalisation du procédé, l'on fait chauffer la couche de silicate de métal alcalin à une tempé- rature à laquelle elle devient plastique, à la suite de quoi on enveloppe ou chemise la charge propulsive avec la couche de silicate plastique et on l'insère dans le carter de la chambre de combustion, avec formation d'une fente annulaire entre la couche de silicate ou le tissu de résine époxyde et ledit carter, puis on introduit dans la fente annulaire une masse de mousse de matière plastique que l'on laisse durcir. Des couches aqueuses de silicate de métal alcalin, auxquelles sont incorporés des fibres ou des mats et qui- subissent une expansion (formation de mousse) à haute tempé- rature, sont utilisées dans le bâtiment comme panneaux de protection contre l'incendie Elles présentent une teneur en eau de 20 à 70 % en poids On utilise notamment comme fibres les fibres de verre, et comme mats des tissus de fibres de verre ou des toiles métalliques Les fibres ou les mats sont utilisés dans une proportion de 2 à 40 % en poids, de préférence de 5 à 25 % en poids, rapportée à la quantité de silicate de métal alcalin contenue dans le panneau L'expansion intervient sous l'effet des hautes températures, telles qu'elles apparais- sent, par exemple, en cas d'incendie, avec ébullition de l'eau contenue dans le panneau Avec un panneau de silicate de métal alcalin d'une épaisseur de 2 mm, on obtient ainsi une couche de mousse d'environ 15 mm d' épaisseur, qui présente une très faible conductibilité thermique (environ 0,06 W/k m) Pour former la couche de mousse, on considère qu'une pression de gonflement d'environ 5 bar est nécessaire Au-dessus d'environ 9500 C, la couche de mousse fond à nouveau (voir demande de brevet allemand 1 658 806 ainsi que le document "Palusol-Brand= schutzplatten", de la Société BASF AG, Ludwigshafen, République Fédérale d'Allemagne) La couche de mousse formée est fragile. Dans le générateur de gaz d'un moteur-fusée, la pres- sion atteint une valeur élevée, par exemple 30 bar, et la température qui y règne peut être, par exemple, de 130 Q O C, tandis qu'elle peut être encore sensiblement plus haute dans la chambre de post-combustion La vitesse d'écoulement des gaz de combustion est considérable (par exemple Mach 0,3 dans la chambre de post-combustion). Il doit donc être considéré comme très surprenant que la couche aqueuse de silicate d e métal alcalin, expansible ou apte à la formation de mousse, déjà connue dans le bâtiment, déploie pleinement ses remarquables propriétés d'isolation thermique également dans le cas du générateur de gaz ou de la chambre de post-combustion d'un moteur-fusée, en dépit des conditions susmentionnées. La raison pour laquelle la couche de silicate de métal alcalin se gonfle en formant de la mousse, en dépit de la contre- pression de, par exemple, 30 bar, dans le moteur-fusée, doit être recherchée dans la température élevée des gaz de combustion et la haute pression correspondante de la vapeur d'eau dans la couche De plus, le processus de fusion de la couche de silicate de métal alcalin dure relativement longtemps, même dans le cas des hautes températures indiquées (par exemple 10 minutes), de sorte que, pendant la durée de combustion de, par exemple, 1 à 2 minutes de la charge propulsive, la couche de mousse ne fond que très peu, de sorte que sa résistance à la transmission de chaleur n'en est qu'à peine affectée. C'est ainsi que, lors de la combustion d'une charge propulsive à base de bore, chemisée dans une couche de silicate de métal alcalin de 2 mm d'épaisseur, conforme à la présente invention, la mesure effectuée à la face extérieure du carter de la chambre de combustion, constitué par une chemise d'acier, n'a révélé qu'une augmentation de température de 50 C. On peut donc utiliser, pour la fabrication de la chemise d'acier, un acier d'une qualité inférieure En outre, la charge propulsive utilisée peut être de plus grande longueur et le rayon d'action en être augmenté en conséquence Enfin, un autre avantage de la couche de silicate de métal alcalin est son faible prix. Il est connu qu'en ajoutant de l'eau on abaisse la tem- pérature d'allumage d'un propergol à base de bore, et que l'on obtient ainsi une combustion plus complète dans la chambre de post-combustion La vapeur d'eau qui s'échappe de la couche isolante selon la présente invention renforce cet effet. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure est une vue en coupe longitudinale du générateur de gaz d'un moteur-fusée, pendant la combustion. A l'intérieur du carter 1 de la chambre de combustion d'un générateur de gaz est disposé une charge propulsive solide 2, qui est du type à combustion frontale Une fente annulaire, prévue entre la périphérie extérieure de la charge 2 et la face intérieure du carter 1, est remplie d'une couche 3, qui est constituée par une couche aqueuse de silicate, à laquelle sont incorporés des fibres ou un mat. Sous l'effet de la température de combustion de la charge, la couche 3 s'expanse sur le front de combustion 4, sous la forme d'une couche de mousse 6 dont l'épaisseur est égale à plusieurs fois, par exemple 7 fois, l'épaisseur de la couche 3 Du fait de la faible conductibilité thermique et de la grande épaisseur de la couche expansée 6, on évite autant que faire se peut un échauffement du carter 1 Par ailleurs, l'épaisseur de la couche 3, qui n'est-pas expansée ou ne l'est que peu, est suffisante pour empêcher que la charge 2 ne soit trop fortement échauffée par le frottement entre la fusée et l'air. Pour la fabrication de la couche isolante 3, on fait chauffer, à une température de 60 à 100 C, une plaque de silicate de sodium aqueuse, à laquelle sont incorporés des fibres ou un mat, cette plaque devenant plastique du fait de cet échauffement. On peut se procurer de telles plaques de silicate de sodium dans le commerce, o elles sont vendues comme panneaux de protection contre l'incendie La charge 2 est alors enveloppée ou chemisée par la couche de silicate de sodium plastique, laquelle peut être collée sur la charge au moyen d'une colle au silicone. Le diamètre de la charge 2 chemisée par la couche de silicate de sodium est alors légèrement inférieur au diamètre intérieur du carter 1, de sorte qu'une fente-annulaire-est formée, après insertion du progergol solide 2 dans le carter 1, entre la couche de silicate de sodium et ledit carter 1 La face intérieure du carter 1 et/ou la face extérieure de la couche de silicate de sodium peuvent également être enduites d'une colle au silicone On chauffe alors le carter 1, de sorte que la couche de silicate de sodium atteint, pendant un bref laps de temps, une température dbplus de 1000 C, ce qui fait qu'elle s'expanse quelque peu et que la fente annulaire entre la couche de silicate de sodium et le carter 1 se trouve comblée La charge solide 2 est alors maintenue de façon sare dans le carter 1 par la couche 3 La fente formée au joint de la plaque ou couche plastique lors du chemisage de la charge 2 est également obturée par cette expansion partielle. On peut diminuer l'épaisseur de la couche 3 lorsque l'on prévoit d'insérer une couche de matière plastique expansée entre la couche de silicate de métal alcalin et le carter de la chambre de combustion C'est alors la matière plastique expansée qui assume en premier lieu la fonction d'isolation thermique de la charge contre un échauffement par le frottement entre la fusée et l'air, tandis que la protection du carter 1 contre les gaz de combustion est assurée, de façon encore parfaitement' suffisante, avec une couche de mousse 6 de plus faible épais- seur La couche de matière plastique expansée est produite par le fait que l'on met en place, dans la fente annulaire entre la couche de silicate alcalin et le carter 1, une masse de mousse de matière plastique que l'on laisse durcir. La couche de silicate de métal alcalin 3 est revêtue, sur les deux faces, d'un tissu de résine époxyde d'environ 0,1 mm d'épaisseur Ce tissu de résine époxyde empêche l'humidité de la couche de silicate de métal alcalin de pénétrer dans la charge 2, et empêche aussi en même temps l'accélérateur de combustion de migrer de la charge 2 dans la couche de silicate de métal alcalin 3. -Au lieu de chemiser la charge propulsive comme décrit ci-dessus, avec la couche de silicate alcalin 3 rendue plastique par échauffement, on peut aussi revêtir la face intérieure du carter 1 de la chambre de combustion de ladite couche de silicate de métal alcalin 3 rendue plastique par échauffement, après quoi ladite couche 3 ou le tissu de résine époxyde placé sur elle est revêtu d'un agent d'adhérence, et l'on coule ensuite la masse de combustible (case-bonding) dans le carter revêtu. REVENDICATIONS 1 Couche isolante prévue à la périphérie extérieure de la charge propulsive solide et/ou à la face intérieure du carter de la chambre de combustion d'un moteur-fusée, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une couche aqueuse de silicate de métal alcalin ( 3), à laquelle sont incorporés des fibres ou un mat, et qui forme de la mousse (s'expanse) lors de la combustion de la charge ( 2). 2 Couche isolante selon la revendication 1, caractérisée lo en ce que la couche de silicate de métal alcalin ( 3) est munie d'un tissu de résine époxyde sur ses deux faces. 3 Couche isolante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une couche de matière plastique expansée est disposée entre la couche de silicate de métal alcalin ( 3) ou le tissu de résine époxyde et le carter ( 1) de la chambre de combustion. 4 Procédé de fabrication de la couche isolante selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on chauffe la couche de silicate de métal alcalin à une température à laquelle elle devient plastique, à la suite de quoi on enveloppe ou on chemise la charge solide dans la Couche de silicate plastique, et on l'insère dans le carter de la chambre de combustion, avec formation d'une fente annulaire entre la couche de silicate ou le tissu de résine époxyde et ledit carter, puis on chauffe à une température à laquelle la couche de silicate commence à s'expanser pour obturer la fente annulaire. Procédé de fabrication de la couche isolante selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on chauffe la couche de silicate de métal alcalin à une température à laquelle elle devient plastique, à la suite de quoi on revêt la face intérieure du carter de la chambre de combustion avec cette couche de silicate plastique, puis on munit ladite couche de silicate ou le tissu de résine époxyde d'un agent d'adhérence, et on coule ensuite la masse de combustible dans le carter ainsi revêtu. 6 Procédé de fabrication de la couche isolante selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on chauffe la couche de silicate de métal alcalin & une température à laquelle elle devient plastique, à la suite de quoi on enveloppe ou on chemise la charge solide dans la couche de silicate plastique et on l'insère dans le carter de la chambre de combustion, avec formation d'une fente annulaire entre la couche de silicate alcalin ou le tissu de résine époxyde et ledit carter, puis on introduit dans la fente annulaire une masse de mousse de matière plastique que l'on laisse durcir.