Brevet FR2538377A1 — publié le 19840629

Chargement pyrotechnique de type annulaire, et application de ce chargement a la réalisation d'un générateur de gaz. L'invention concerne un chargement pyrotechnique destiné notamment à la réalisation de générateurs statiques de gaz, utilisables par exemple, dans des applications sous-marines, ou à la réalisation de propulseurs, utilisables par exemple, dans des roquettes ou des missiles. Le chargement pyrotechnique est de type annulaire et brûle selon au moins un front de combustion rotatif, il comporte un inhibiteur de combustion qui adhère a la surface laterale d'au moins un bloc combustible, et présente au moins une surface initiale de mise à feu. Les chargements pyrotechníques de type annulaire sont connus notamment dans le domaine des émetteurs infrarouges disposés à l'arrière des missiles autour des tuyères des engins, et par exemple, le brevet français 2 019 324 se rapporte à un tel émetteur pyrotechnique de radiations infrarouges. Les missiles s'éloignant a grande vitesse du poste de tir, et donc du dispositif de détection infrarouge qui assure le repèrage et le guidage de ces missiles, il est avantageux que la surface émissive augmente au cours du temps, une surface de combustion croissante, notamment au debut de la combustion, permettant de contribuer efficacement à cette augmentation de surface émissive. La présente invention a pour but d'obtenir un chargement pyrotechnique dont la surface de combustion est constante au cours du temps, et se caractérise en ce que chaque surface de mise à feu a une forme telle que les intersections de cette surface initiale par des plans perpendiculaires à l'axe du chargement correspondent sensiblement à des arcs de développante de cercles. Plus particulièrement, les diamètres des cercles générant les arcs de développante sont sensiblement égaux au diamètre du cercle interne de contact entre le bloc combustible et 1'inhibiteur latéral de combustion, et la surface initiale de mise à feu est legèrement supérieure, de l'ordre de 5 à 25 %, à la surface combustible parallèle à l'axe da chargement annulaire dont la projection sur un plan perpendiculaire à cet axe est une develop- pante du cercle interne de contact entre le bloc combustible et 1'inhibiteur latéral de combustion.Cette augmentation de la surface initiale de combustion peut notamment être obtenue soit en conformant cette surface selon une portion de polyedre concave, les intersections de la surface initiale de mise à feu par des plans perpendiculaires à l'axe du chargement étant des lignes brisées, soit en ondulant ou en déformant cette surface de mise à feu. Cette augmentation de la surface initiale de combustion peut également être obtenue en ne prenant pas une surface parallèle à l'axe du chargement, mais au contraire en utilisant une surface oblique par rapport à cet axe, les intersections de cette surface initiale par des plans perpendiculaires à l'axe correspondant toujours sensiblement à des arcs de développante de cercles. Avantageusement, le bloc combustible est sensiblement torique, l'angle de rotation de la surface génératrice etant inférieur ou égal à 2 K radians, et cette surface génératrice étant quelconque circulaire, trapèzoidale ou rectangulaire, le choix de sections radiales du chargement et du bloc combustible de formes rectangulaires simplifiant la fabrication du chargement.Pour les très longues durées de combustion, le bloc combustible peut être hélicoldotorique, l'angle de rotation de la surface génératrice étant supérieur à 2,c radians, et la position de la surface génératrice pour un angle de rotation 0 Selon une première variante de réalisation, la surface initiale de mise à feu correspond sensiblement à deux arcs de développante de cercle qui sont disposés symétriquement par rapport à un plan axial du chargement, deux fronts de combustion se développant symetri- quement par rapport à ce plan axial après la mise à feu du chargement. Selon une seconde variante de réalisation, le chargement pyrotechnique comporte au moins deux blocs combustibles sensiblement identiques, les surfaces initiales de combustion étant orientées de manière à ce que les fronts rotatifs de combustion tournent dans le même sens par rapport à l'axe du chargement, l'utilisation de plusieurs chargements de type annulaire.répartis symetriquement par rapport à cet axe permettant au cours de la combustion de toujours conserver, d'une part un centre de gravité positionné sur cet axe, et d'autre part un vecteur poussée coïncidant avec cet axe, lorsque les tuyères d'éjection des gaz de combustion sont elles-mêmes disposées symétriquement par rapport à cet axe. Préférentiellement,. selon la seconde variante de réalisation, les cloisons inhibitrices qui séparent les blocs de propergol correspondent sensiblement à des développantes du cercle interne de contact entre le bloc combustible et l'inhibiteur latéral de combustion, ce qui permet notamment de supprimer les résiduels de fin de combustion et donc d'améliorer le coefficient de remplissage du générateur de gaz. La mise en oeuvre de la presente invention permet de cumuler de nombreux avantages lorsque lebloc combustible est un bloc de propergol, notamment d'une part pour les gros chargements annulaires, par exemple ceux dont le diamètre du cercle interne de contact entre le bloc combustible et l'inhibiteur est supérieur à 30 centimètres et d'autre part pour les chargements présentant une grande largeur de la surface génératrice du tore de section quelconque, plus particulièrement lorsque le diamètre du cercle externe de contact entre le bloc combustible et 1 inhibiteur latéral est supérieur à 1,8 fois le diamètre du cercle interne de contact entre ce bloc combustible et cet inhibiteur latéral. L'invention se rapporte également aux applications des chargements pyrotechniques définis ci-dessus, à la réalisation de générateurs pyrotechniques de gaz utilisant des propergols, et notamment aux générateurs dont l'axe de chaque tuyère est situé dans un plan parallèle à l'axe du chargement, ce qui permet de réaliser un propulseur stable et équilibré lorsque au moins deux surfaces initiales de combustion sont en correspondance avec deux tuyères. Par contre, lorsque les générateurs pyrotechniques de gaz sont destinés à être utilisés statiquement, il est alors avantageux d'uti- liser deux tuyeres radiales montées en opposition de manière à éviter toute réaction ou tout couple de renversement.Plus particulièrement, les propulseurs utilisent préférentiellement des chargements annulaires cloisonnés comportant trois blocs élémen- taires de propergol, la juxtaposition bout à bout de trois chargements élémentaires indépendants étant toutefois réalisables pour constituer un chargement pyrotechnique complexe de forme annulaire. Les avantages obtenus grâce à cette invention consistent essentiellement en ce que la surface de combustion reste constante durant toute la combustion du chargement, la surface initiale de combustion pouvant être legèrement superieure au front de combustion en développante de cercle, de manière à compenser le retard constaté à l'allumage du chargement. Cette constance de la surface de combustion permet d'obtenir notamment, dans les-applications à la réalisation d'un générateur de gaz, d'une part une pression interne de fonctionnement qui soit constante, et d'autre part un débit de gaz constant. De plus, la réalisation de chargements générateurs de gaz annulaires permet d'obtenir de très longues durées de combustion, même lorsque la hauteur disponible est très faible. Dans ce qui suit, l'invention est exposée plus en détail a l'aide de dessins qui représentent des exemples de réalisations et pour lesquels - la figure 1 est une vue partielle en perspective qui comporte une zone écorchée montrant le bloc de propergol, et une demi-coupe gauche selon un plan diamétral passant par l'axe du chargement et l'axe de la tuyère, - la figure 2 est une vue partielle de dessus en demi-coupe gauche du chargement représenté à la figure 1, de manière a faire apparaltre la surface initiale de combustion, - la figure 3 est une vue frontale partielle en demi-coupe droite d'une seconde variante de réalisation correspondant à un chargement hélicotoroldal, - la figure 4 est une vue en perspective d'une autre variante de réalisation de l'invention, une zone écorchée montrant partiellement la surface initiale de combustion, - la figure 5 est une vue de dessus en coupe d'un chargement annulaire cloisonné destiné plus particulièrement à la réalisation d'un propulseur. Selon les figures 1 et 2 le chargement pyrotechnique annulaire est essentiellement constitué par un bloc de propergol (1) qui forme presque un anneau complet de révoluticrl autour de l'axe (2) du chargement, ce bloc étant interrompu afin de ménager une chambre de combustion (3) qui est délimitée par l'inhibiteur latéral de combustion (4), par une cloison intérieure etanche (5) et par la surface initiale de mise à feu (6). L'inhibiteur lateral de combustion est constitué par une virole interne (7) et une virole externe (8) qui sont reliées, par la face inférieure (9) en forme de couronne, et par la face supérieure (10) sur laquelle est rapportée la tuyère (12) qui debouche dans la chambre de combustion (3).La surface intérieure de l'inhibiteur adhère parfaitement au bloc de propergol, et la section de cette surface par un plan radial passant par l'axe du chargement correspond au périmètre de la surface génératrice (13) du tore a section rectangulaire qui forme le bloc de propergol, la hauteur interne de cette surface génératrice définissant le diamètre du cercle interne (20) de contact entre le bloc combustible et l'inhibiteur. La surface initiale de mise à feu correspond à une surface polyédrique concave dont les interceptions par des plans perpendiculaires a l'axe (2) du chargement déterminent des lignes brisées, telle que la ligne (14) représentée à la figure 2. Chacune des quatre faces de la surface polyédrique est oblique par rapport à l'axe du chargement, ce qui permet d'augmenter la surface initiale de combustion tout en dégageant la face intérieure supérieure de l'inhibiteur, de manière à découvrir une surface suffisante pour la mise en place de la protection thermique (15) de la tuyère (12).L'évolution de la surface de combustion est légèrement décroissante après la mise à feu du chargement au moyen d'une charge d'allumage placée dans la chambre de combustion (3), cette décroissance résultant essentiellement de l'évolution du front de combustion (16, 17) qui tend progressivement à se redresser pour former une surface parallèle à l'axe (2) du chargement, les fronts de combustion (18 et 19) représentant la phase ultime de combustion de ce chargement.Les nombreux essais de mise au point de la surface initiale de combustion ont été realisés avec les chargements représentés aux figures 1 et 2* la tuyère n'étant toutefois pas mise en place sur le chargement qui n'était pourvu que d'un orifice de sortie des gaz largement dimensionné, et la tuyère utilisée étant celle du propulseur statique expérimental dans lequel était placé lé chargement.Avec un chargement dont les diamètres internes et externes du bloc combustible sont respectivement de 139 mm et de 223 mm, dont la hauteur est de 140 mm, et dont l'inhibiteur latéral a une épaisseur de 5 mm, il a eté possible d'obtenir une courbe de pression en fonction du temps qui est rigoureusement constante entre 98 et 99 bars durant 35 secondes, une chute rapide de pression suivant ce palier, et provenant de la combustion du résiduel qui est situé entre le front de combustion (19) (représenté à la figure 2), la virole externe (8) et la cloison interieure (5). Le chargement représente à la figure 3 est du type hélicoldotoroidal et correspond à une forme générale dite "en serpentin" obtenu à partir d'une surface génératrice (30) du bloc combustible (31) qui est un parallélogramme dont la hauteur est parallèle à l'axe (32) du chargement, le pas de l'hélice étant supérieur à cette hauteur, de manière à réserver une cloison inhibitrice, (33) entre deux spires consécutives, qui présente une épaisseur suffisante. La surface initiale de mise à feu (34) est prismatique concave, les trois arêtes étant paralleles à l'axe (32). Le chargement représenté à la figure 4 est de forme sensiblement torique et présente une constitution semblable au chargement décrit ci-dessus en se référant aux figures 1 et 2. Toutefois la durée de fonctionnement est réduite de moitié et le débit des gaz est doublé puisque deux fronts de combustion (40,41) en développante de cercle se développeront symétriquement par rapport au plan passant par l'axe (42) du chargement et par l'axe de l'orifice (43) de sortie des gaz qui est ménagé dans la face supérieure (44).La surface initiale de mise a feu (45) est oblique par rapport a l'axe (42), les intersections (46, 47) de cette surface initiale par des plans perpendiculaires a l'axe étant sensiblement constituées chacune par deux arcs de déve- loppante de cercle (47 a, 47 b), symétriques par rapport au plan défini ci-dessus. L'aspect de la surface initiale de mise à feu est donc sensiblement un "tronc de cône' partiel, dont les deux bases sont constituees par des arcs de développante de cercles, les droites de plus grande pente passant par un point quelconque de cette surface initiale de mise a feu étant des droites obliques par rapport à l'axe du chargement.Une telle confå- guration permet notamment d'éviter toute cloison intérieure étanche limitant la chambre de combustion, mais le résiduel de combustion est deux fois plus important en volume que le resi- duel du chargement défini aux figures 1 et 2, les méthodes classiques de réduction des residuels pouvant être utilisees, par exemple en introduisant une lame de propergol rapide dans le plan de symétrie du chargement. Selon la figure S, le chargement propulsif est annulaire mais il est constitué de deux blocs de propergol (51 et S2) rigoureusement identiques, qui sont places dans deux chambres semi-annulaires distinctes limitées par les cloisons intérieures étanches (53 et 54), qui sont parallèles a l'axe (55) du chargement, et dont les intersections par des plans perpendiculaires à cet axe correspondent à des arcs de developpante du cercle interne (56) de contact entre les blocs combustibles (51, 52) et la virole interne (57) de l'inhibiteur latéral de combustion.Les surfaces initiales de mise à feu (58,59) des deux blocs de propergol sont parallèles aux cloisons intérieures étanches, à l'exception des parties les plus extérieures (60, 61) dont la courbure est plus prononcée de manière à ce que les surfaces initiales de mises à feu soient supérieures aux surfaces combustibles parallèles à l'axe (55) du chargement dont la projection sur un plan perpendiculaire à l'axe est un arc de développante du cercle interne (56). La longueur curviligne moyenne de chaque bloc de propergol est inférieure à la longueur correspondante des chambres semiannulaires de manière à ménager deux chambres de combustion (62, 63) dans lesquelles débouchent les deux tuyères (64, 65) dont les axes sont parallèles à l'axe (55) du chargement et qui sont rigoureusement symétriques par rapport à cet axe. Les deux fronts rotatifs de combustion tournant dans le même sens par rapport a l'axe du chargement, iL en resulte que le vecteur poussée du propulseur annulaire utilisant un tel chargement sera toujours en coïncidence avec le centre de gravité du propulseur, et cela quel que soit le nombre de blocs combustibles identiques utilisés. Un autre avantage d'une telle configuration réside dans le fait qu'il n'y aura aucun résiduel de combustion, cet avantage étant tel que pour des chargements de grande largeur, notamment ceux dont le diamètre du cercle externe de contact entre le bloc combustible et l'inhibiteur latéral est supérieur à 1,8 fois le diamètre du cercle interne de contact, il peut être préférable d'utiliser deux tuyères au lieu d'une, et cela même lorsque le chargement est mis en place dans un générateur statique gaz. Revendications 1. Chargement pyrotechnique de-type annulaire brûlant selon au moins un front de combustion rotatif et comportant un inhibiteur de combustion qui adhère à la surface latérale du bloc combustible, et présentant au moins une surface initiale de mise a feu, caractérisé en ce que chaque surface initiale de mise à feu (6 - 34 - 58 ) à une forme telle que les intersections (14 - 46, 47 - 58) -de cette surface initiale par des plans perpendiculaires à l'axe (2 - 32 - 42 - 55) du chargement correspondent sensiblement a des arcs de développante de cercles. 2. Chargement pyrotechnique selon la revendication 13 carac térisé en ce que les diamètres des cercles générant les arcs de développante sont sensiblement égaux au diamètre du cercle interne (20 - 56) de contact entre le bloc combustible (1 - 52) et l'inhibiteur latéral (4 - 57) de combustion. 3. Chargement pyrotechnique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface initiale de mise à feu est supérieure à la surface combustible parallèle a l'axe (2 - 32 42 - 55) du chargement annulaire dont la projection sur un plan perpendiculaire à cet axe est une développante du cercle interne (20 - 56) de contact entre le bloc combustible (1 - 52) et l'inhibiteur lateral (4 - 57)de combustion. 4. Chargement pyrotechnique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérise en ce que les intersections (14) de la surface initiale de mise a feu (6 - 34), par des plans perpendiculaires à l'axe (2 - 32) du chargement sont des lignes brisées ou des lignes ondulées. 5. Chargement pyrotechnique selon la revendication 1, carac terse en ce que le bloc combustible est sensiblement torique, l'angle de rotation de la surface génératrice (13) étant inférieur ou égal à 2 IT radians. 6. Chargement pyrotechnique selon la revendication 1, carac merise en ce que le bloc combustible est hélicoidotorique, l'angle de rotation de la surface génératrice (30) étant supérieur à 2 IT radians, et la position de la surface génératrice pour un angle de rotation Oc étant sans contact avec la position de la surface génératrice correspondant aux angles coe --+ ) radians. 7. Chargement pyrotechnique selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que la surface initiale de mise à feu correspond sensiblement à deux arcs de développante de cercle (47 a, 47 b) qui sont disposés symétriquement par rapport a un plan axial du chargement. 8. Chargement pyrotechnique selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérise en ce qu'il comporte au moins deux blocs combustibles (51 et 52) sensiblement identiques, les surfaces initiales de combustion (58 et 59) étant orientées de manière à ce que les fronts rotatifs de combustion tournent dans le même sens par rapport à l'axe (55) du chargement. 9. Chargement pyrotechnique selon la revendication 8, carac térisé en ce que les cloisons inhibitrices (53 et 54) qui séparent les blocs de propergol correspondent sensiblement à des développantes du cercle interne de contact (56) entre le bloc combustible et l'inhibiteur latéral (57) de combustion. 10. C':are,em.ent pyrotechnique selon l'une des revendicatiors prêccdentes, caractérisé en ce que les sections radiales (13) du charqement et du bloc combustible sont sensbler.ient rectangulaires. 11. Chargement pyrotechnique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du cercle interne (20 - 56) de contact entre le bloc combustible et l'inhibiteur est supérieur a 30 centimètres. 12. Chargement pyrotechnique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le bloc combustible-est un bloc de propergol. 13 Application d'un chargement pyrotechnique, conforme à l'une des revendications précédentes, a la réalisation d'un générateur pyrotechnique de gaz. 14. Application d'un chargement pyrotechnique selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'axe de chaque tuyère (12-64 -65) est situé dans un plan parallèle à l'axe (2 55) du chargement. 15. Application d'un chargement pyrotechnique selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que le générateur de gaz est un propulseur. 16. Application d'un chargement pyrotechnique selon la revendication 15, caractérisé en ce que le chargement propulsif est conforme aux revendications 8 et 9.