Brevet FR2561743A1 — publié le 19850927

VANNE PYROTECHNIQUE La présente invention a pour objet une vanne pyrotechnique monocoup permettant soit d'ouvrir une canalisation initialement fermée, soit de fermer une canalisation initialement ouverte. On utilise largement les vannes pyrotechni- ques à l'heure actuelle pour ouvrir une canalisation de passage d'un fluide, notamment à bord d'engins aé- riens ou de véhicules spatiaux. Le principe de fonc- tionnement consiste à utiliser Les gaz sous haute pression produits par un dispositif pyrotechnique afin de déplacer une pièce rigide: celle-ci peut être un boisseau coulissant présentant une ou plusieurs protu- bérances afin que son déplacement ait pour effet de soulever une soupape, permettant ainsi le passage du fluide. Dans d'autres types de vannes, la pièce rigide mobile perfore une canalisation ou bien sectionne un embout prédécoupé. Ce deuxième type de vanne est uti- lisé surtout dans les engins spatiaux, par exemple pcr pousser une masse de liquide propulsif: un gaz étant stocké sous forte pression (de l'ordre de quel- ques centaines de bars), l'ouverture de la vanne lui permet de se détendre et de pénétrer dans le réservoir de liquide sous une pression de l'ordre d'une dizaine de bars, ce qui est suffisant pour pousser le liquide dans le circuit du propulseur. Une autre application spatiale est l'analyse de l'atmosphère entourant une planète: la chambre de mesure, en communication avec la partie aval de la vanne, est mise sous vide avant le lancement. La partie amont se remplit de gaz lors- que l'engin arrive dans l'atmosphère à étudier et l'ouverture de la vanne provoque le remplissage de la chambre de mesure par aspiration. On comprend que la vanne doit présenter une étanchéité parfaite, surtout dans le deuxième cas pour ne pas fausser les mesures, ou lorsque le fluide cir- culant dans la vanne présente un danger pour L'envi- ronnement. Or, la plupart des systèmes actuels ont l'inconvénient de ne pas présenter une étanchéité ou une herméticité suffisante entre la zone o se trou- vent Les gaz produits par les dispositifs pyrotechni- ques et la zone de passage du fluide. Ceci a pour conséquence que ces vannes ne répondent pas à certai- nes exigences sévères et elles ne peuvent pas être utilisées dans des ensembles pneumatiques embarqués à bord d'engins spatiaux exigeant que l'environnement ne devienne pas pollué par leur fonctionnement. La présente invention a justement pour but d'éliminer cet inconvénient en proposant une vanne pyrotechnique qui présente une excellente étanchéité entre la zone de passage du fluide et la zone o se trouvent les gaz produits par le dispositif pyrotech- nique et qui en outre présente un encombrement réduit et une faible masse, ce qui lui permet de bien s'inté- grer dans des systèmes complexes de lanceurs ou de satellites et de résister aux conditions sévères d'en- vironnement spatial. La vanne pyrotechnique objet de l'invention est constituée, de manière classique, par un corps de vanne présentant une cavité interne dont les parois comportent un orifice d'entrée d'un fluide et un ori- fice de sortie dudit fluide, une masselotte rigide montée su-r une membrane déformable séparant de manière étanche ladite cavité interne en deux parties dont l'une est en communication avec les gaz produits par un dispositif pyrotechnique et dont l'autre contient les orifices d'entrée et de sortie du fluide, la mas- selotte étant apte à se déplacer sous l'action des gaz produits par le dispositif pyrotechnique de manière à déplacer une pièce se trouvant dans la deuxième partie 61743 de Ladite cavité interne. Selton l'invention, Ladite membrane est apte à se déformer plastiquement sous L'effet des gaz produits par le dispositif pyrotechni- que et Ladite cavité interne présente un siège sur Lequel vient s'appliquer La membrane une fois qu'elle a été déformée. Selon une autre caractéristique de la vanne objet de l'invention, l'ensemble constitué par la mem- brane et la masselotte présente, du côté d'arrivée des gaz, un évidement servant à absorber le premier choc thermique des gaz. Suivant un premier mode de réalisation, lorsque la vanne objet de l'invention est utilisée pour ouvrir une canalisation initialement fermée, la pièce mobile est un poinçon apte à cisailler un embout obturant l'orifice d'entrée du fluide. Dans une première variante, la masselotte et le poinçon sont séparés l'un de l'autre. Dans une deu- xième variante, la masselotte et le poinçon consti- tuent une seule pièce comportant un trou de passage disposé de manière à permettre le passage du fluide une fois que la pièce constituée par la masselotte et le poinçon s'est déplacée sous l'action des gaz. Dans l'un et l'autre cas, on peut avantageu- sement prévoir des moyens permettant de verrouiller le poinçon à l'intérieur de la cavité une fois qu'il a été déplacé sous l'action de la masselotte. La vanne objet de l'invention peut également être utilisée pour fermer une canalisation initiale- ment ouverte. Dans ce cas, les orifices d'entrée et de sortie du fluide sont ouverts et la vanne comporte un obturateur disposé à l'intérieur de la cavité interne et pouvant se déplacer sous l'action de la masselotte de manière à obturer l'un au moins des orifices d'en- trée ou de sortie du fluide. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nulLement limitatif, en réfé- rence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation de la vanne pyrotechnique objet de l'invention avant le déclenche- ment du ou des dispositifs pyrotechniques, - la figure 2 est une vue semblable à la figure I montrant l'état de la vanne une fois, que la masselotte et le poinçon -se sont déplacés sous l'ac- tion des gaz, - la figure 3 est une vue semblable à la figure 1 illustrant un deuxième mode de réalisation de la vanne objet de l'invention, avant que L'on ait dé- clenché le ou les dispositifs pyrotechniques, et - la figure 4 est une vue semblable à la figure 3 montrant l'état de la vanne une fois que l'ensemble constitué par la masselotte et le poinçon s'est déplacé sous l'action des gaz, et - la figure 5 est une vue semblable à la figure 1 illustrant à plus grande échelle un troisième mode de réalisation de la vanne objet de l'invention, utilisable pour fermer une canalisation initialement ouverte, avant le déclenchement du ou des systèmes py- rotechniques. La vue en coupe de la figure 1 illustre un premier mode de réalisation de la vanne objet de l'in- vention, utilisable pour ouvrir une canalisation ini- tialement fermée, o l'on voit que le dispositif se compose-d'un- corps de vanne 2 constitué d'une première partie ou corps supérieur 6 et d'une deuxième partie ou corps inférieur 8 réunis l'un à l'autre, par exem- 256 1743 pLe au moyen d'une soudure 10. Le corps inférieur 8 a une forme sensiblement cylindrique et il est creux: Le corps supérieur 6 est lui aussi de forme sensible- ment cylindrique et iL présente un évidement de sorte qu'une fois les deux corps supérieur et inférieur as- semblés, soit définie une cavité 3 à l'intérieur du corps de vanne 2. Les parois du corps inférieur 8 sont percées d'un premier orifice 12 pour l'arrivée d'un fluide et d'un deuxième orifice 14 pour Le départ de ce fluide, les deux orifices 12 et 14 étant places sensiblement suivant un même diamètre du corps infé- rieur 8. Un embout 16 est placé dans l'orifice d'arri- vée 12 et peut être fixé dans cet orifice par tout moyen, notamment par soudure. L'embout 16 peut être raccordé à une canalisation d'arrivée du fluide grâce à un filetage 18 et il présente un trou borgne 20. La partie de l'embout 16 située à l'intérieur du corps 8 présente une protubérance 22 dans laquelle se trouve le fond du trou borgne 20. L'orifice 14 de sortie du fluide est équipé d'un embout 23 pouvant également être fixé par soudure ou par tout autre moyen sur Le corps 8, l'embout 23 comportant un filetage 24 permet- tant de le raccorder à une canalisation de sortie du fluide. Les orifices12 et 14 peuvent avoir une forme quelconque de même que les embouts 16 et 23; la pro- tubérance 22 peut également avoir une forme quelconque (section droite circulaire ou rectangulaire par exem- pLe). L'embout 23 présente également un orifice de passage 26, mais il ne s'agit pas d'un trou borgne: l'orifice 26 traverse l'embout 23 de part en part. A l'intérieur du corps 8 et au niveau des orifices 12 et 14 se trouve une pièce rigide ou poin- çon 28 présentant une cavité 30 dont la forme et les dimensions correspondent sensiblement à celles de la protubérance 22 afin que cette dernière puisse être maintenue dans La cavité 30. Suivant un mode préféré de réalisation, le poinçon 28 est équipé de moyens de verrouillage qui, dans l'exemple décrit ici, sont constitués par des crochets 32 pouvant pénétrer dans un espace 34 prévu à une extrémité de la cavité 3. Une membrane 36 équipée d'une masselotte ri- gide 38 est fixée de manière étanche à l'intérieur de la cavité 3 et sépare celle-ci en une première partie et une deuxième partie 7. La première partie 5 est en communication avec les gaz produits par un ou plu- sieurs dispositifs pyrotechniques tels que 40. En principe, un seul de ces dispositifs suffit, mais il est préférable d'en prévoir deux pour augmenter la sécurité de fonctionnement. Les dispositifs 40 peuvent éêtre constitués par des étoupilles ou tout autre sys- tème apte à produire brusquement une grande quantité de gaz sous haute pression. Dans l'exemple représenté ici, les dispositifs 40 sont montés sur le corps supé- rieur 6 du corps de vanne 2, mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en prévoyant un dispositif py- rotechnique séparé de la vanne et relié à la cavité 5 par une canalisation de raccordement. Le fonctionnement de l'appareil est le sui- vant: lorsqu'on déclenche les dispositifs pyrotech- - niques 40, une grande quantité de gaz est produite dans la cavité 5, ce qui a pour effet d'augmenter bru- talement la pression et de déformer la membrane 36. La masselotte 38 est alors projetée contre le poinçon 28. Sous l'action du choc, celui-ci est poussé vers le bas, cisaillant du même coup la protubérance 22 de l'embout 16. La forme et les dimensions de l'ensemble ont été calculées pour que le choc entraîne le poinçon 28 jusqu'à la partie inférieure du corps 8 afin d'as- surer le verrouillage du poinçon 28 par encliquetage des crochets 32 dans l'espace 34 (figure 2). La protu- bérance 22 de l'embout 16 a été entraTnée par le poin- çon 28 et elle reste maintenue à l'intérieur de la cavité 30. Le trou 20 débouche alors dans l'espace interne du corps inférieur 8 et le fluide peut circu- ler à travers la vanne de l'orifice d'entrée 12 à l'orifice de sortie 14 comme cela est représenté par les flèches sur la figure 2. On voit encore sur cette dernière que la masselotte 38 présente un évidement 42 du côté d'arri- vée des gaz produits par les dispositifs 40. Cet évi- dement sert à absorber le premier choc thermique des gaz et joue un rôle de déflecteur pour diminuer les effets thermiques sur la partie périphérique de la membrane 36. En effet, les gaz produits par les disposi- tifs pyrotechniques 40 se trouvent à très haute tempé- rature et peuvent constituer une flamme. S'il n'y avait pas l'évidement 42, cette flammepourrait entrer en contact avec la membrane 36 et la détériorer, même la percer, et la membrane n'assurerait plus sa fonc- tion principale d'étanchéité vis-à-vis du liquide cir- culant à travers la vanne (ce rôle d'étanchéité sera explicité plus loin en référence aux figures 2 et 3). La présence de l'évidement fait que la flamme entre en contact avec la masselotte 38 seulement (qui ne risque pas d'être percée étant donné son épaisseur), lui cède une partie de sa chaleur, et c'est du gaz refroidi qui arrive en contact avec la membrane 36, supprimant tout risque de détérioration. La figure 3 illustre un autre mode de réali- sation de la vanne objet de l'invention dans lequel les embouts 16 et 23 ne sont pas rapportés sur le corps inférieur 8, mais font partie intégrante de celui-c.i; l'embout 16 présente également un trou borgne 20 et une protubérance 22. Les dispositifs py- rotechniques 40 sont identiques à ceux de la figure 1 et ont été représentés en traits mixtes pour plus-de cLarté. On a encore une membrane 36 séparant la cavité 3 en deux parties mais, dans cette variante, la masse- lotte 38 et le poinçon 28 sont solidaires de manière à ne former qu'une seule pièce 44 présentant un orifice de passage 46 pour Le fluide. Le trou borgne 20 de L'embout 16, le trou 26 de l'embout 23 et le passage 46 sont cylindriques et ont des diamètres égaux. Le fonctionnement de l'appareil est le même que dans le cas des figures 1 et 2, mais c'est L'en- semble de la pièce 44 qui se déplace suite à La défor- mation de la membrane 36 provoquée par Les gaz issus des dispositifs 40. On arrive ainsi à La situation de la figure 4 o le poinçon 28 est verrouillé grâce aux crochets 32, tandis que L'orifice 46 de la pièce 44 est aligné avec les trous 20 et 26 des embouts 16 et 23. On voit encore sur la figure 3 que Les parois de la cavité 3 présentent, du côté du poinçon 28 par rapport à La membrane 36, une partie 48 de forme tronconique servant d'appui pour La masselotte et éventuellement pour la membrane 36 une fois que l'ensemble s'est dé- formé et déplacé sous L'action des gaz. Le fait que la membrane se déforme plasti- quement et sans rupture assure une étanchéité parfaite vis-à-vis du fluide circulant dans Le dispositif. Même si une partie de ce dernier s'infiltre entre la paroi interne du corps inférieur 8 d'une part, la masselotte 38 et/ou la membrane 36 d'autre part, il n'y a aucun risque de fuite ni vers L'extérieur, ni du côté d'ar- rivée des gaz pyrotechniques, puisque La membrane est soudée au corps inférieur 8 et que aLà soudure n'a pas été sollicitée mécaniquement au cours de sa déforma- tion. Ceci est particulièrement important dans le cas d'une utilisation spatiale o il est impératif de ne , pas polluer L'environnement. La figure 5 est une vue semblabLe aux figu- res 1 et 3 illustrant à plus grande échelle un troi- sième mode de réalisation de la vanne objet de L'in- vention, utilisable pour fermer une canalisation ini- tialement ouverte. La structure est pratiquement La même que dans Les cas précédents avec un corps de vanne 2 cons- titué d'un corps supérieur 6 et d'un corps inférieur 8 et présentant une cavité 3 séparée en deux parties par une membrane 36 sur laquelle est montée une masselotte 38. Les dispositifs pyrotechniques 40 sont les mêmes, mais la masselotte 38 comporte un prolongement massif de forme sensiblement cylindrique qui pénètre dans une cavité de forme correspondante 52 ménagée dans un obturateur 53. Celui-ci a sensiblement La forme d'un tronc de cône dont les dimensions correspondent à cel- les de la partie inférieure de la cavité 3 o débou- chent les orifices 12 d'entrée et 14 de sortie du fluide. En position de départ, l'obturateur 53 est fixé à l'intérieur de la cavité 3 grâce à une bride ou une collerette 54 et ses dimensions sont telttes qu'il ne gêne pas le passage du fluide de l'orifice d'entrée 12 à l'orifice de sortie 14. Lorsqu'on déclenche le ou les dispositifs pyrotechniques 40, la membrane 36 se déforme comme précédemment et la masselotte 38 est poussée vers le bas. La protubérance 50 frappe le fond de la cavité 52, ce qui a pour effet de cisailler l'obturateur au niveau de la collerette 54 et dele projeter vers le fond de la cavité 3: comme la forme et Les dimensions de l'obturateur correspondent à celtes du fond de la cavité 3, ceci a pour effet de boucher Les orifices 12 d'arrivée et 14 de départ du fluide. 256 1743 1 0 La figure 5 montre que L'on a prévu deux conduits supplémentaires: l'un, 56, relie La partie inférieure de la cavité 3 à l'orifice 14 de sortie du fluide et l'autre, 58, relie l'orifice d'entrée à la cavité 3 et débouche en un point situé au-dessus des orifices 12 et 14. On voit sur la figure que la partie inférieure de la cavité 3 se trouve au- dessous des orifices 12 et 14 et, lorsque le poinçon 28 se déplace pour venir boucher ces orifices, le liquide ou le gaz contenu dans la partie inférieure de la cavité 3 est chassé par le conduit 56 jusque dans la canalisation de sortie. Quant à l'autre conduit 58, il permet au fluide arrivant par la canalisation d'entrée de péné- trer dans la cavité 3 pendant le mouvement de l'obtu- rateur et après: on évite ainsi d'éventuels coups de bélier dans les canalisations amont et on assure le verrouillage de l'obturateur 53 puisque la pression de fluide arrivant dans la cavité 3 le plaque sur le fond de celle-ci. Ainsi, la vanne objet de l'invention présen- te de nombreux avantages, dont le premier est d'assu- rer une étanchéité parfaite entre la zone de passage du fluide -et la zone d'arrivée des gaz. Cette étan- chéité est obtenue non seulement par la fixation de la membrane sur le corps de vanne, mais aussi par le fait que, la membrane étant très déformable, tout risque de rupture est évité. On peut utiliser un matériau très déformable pour réaliser la membrane ou réaliser une prédéformation comme cela est illustré à la figure 3. De plus, cette vanne est d'une construction simple, donc peu coûteuse, et elle peut avoir des dimensions -réduites, ce qui diminue sa masse et lui permet de bien s'intégrer dans des systèmes complexes tels que ceux équipant les lanceurs de satellites ou les engins spatiaux. REVENDICATIONS 1. Vanne pyrotechnque du type comprenant un corps de vanne (2) présentant une cavité interne (3) dont les parois comportent un orifice d'entrée (12) d'un fluide et un orifice de sortie (14) dudit fluide, une masselotte rigide (38) montée sur une membrane dé- formable (36) séparant de manière étanche ladite cavi- té interne (3) en deux parties dont l'une (5) est en communication avec les gaz produits par un dispositif pyrotechnique (40) et dont l'autre (7) contient les orifices d'entrée (12) et de sortie (14) du fluide, la masselotte (38) étant apte à se déplacer sous l'action des gaz produits par le dispositif pyrotechnique (40) de manière à déplacer une pièce (28) se trouvant dans la deuxième partie (7) de ladite cavité interne (3), caractérisée en ce que ladite membrane (36) est apte à se déformer plastiquement sous l'effet des gazproduits par le dispositif pyrotechnique et en ce que ladite cavité interne (3) présente un siège sur lequelt vient s'appliquer la membrane une fois qu'elle a été défor- mée. 2. Vanne pyrotechnique selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'ensemble constitué par la membrane (36) et la masselotte (38) présente, du côté d'arrivée des gaz, un évidement (42) servant à absorber le premier choc thermique des gaz. 3. Vanne pyrotechnique selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un embout (16) placé à l'in- térieur de ladite cavité interne (3) et obturant de manière étanche l'orifice d'entrée du fluide, cet em- bout (16) pouvant être cisaillé par un poinçon (28) mobile à l'intérieur de ladite cavité interne (3), la disposition de ces éléments étant telle que la masse- Lotte (38) provoque le dépLacement du poinçon (28) et le cisaillement de l'embout (16) lorsqu'elle-même se déplace sous l'action des gaz produits par le disposi- tif pyrotechnique (40). 4. Vanne pyrotechnique selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que la masselotte (38) et le poinçon (28) sont séparés l'un de l'autre. 5. Vanne pyrotechnique selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que la masseLotte (38) et le poinçon (28) contituent une seule pièce (44) com- portant un trou de passage (46) disposé de manière à permettre Le passage du fluide lorsque la pièce (44) s'est déplacée sous l'action des gaz. 6. Vanne pyrotechnique seLon l'une queLcon- que des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens permettant de verrouiller le poinçon (28) à l'intérieur de la cavité (3) une fois qu'il a été déplacé sous l'action de la masselot- te (38). 7. Vanne pyrotechnique selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que Les orifices d'entrée (12) et de sortie (14) du fluide étant ouverts l'un et l'autre, elle comporte un obtu- rateur (53) disposé à l'intérieur de la cavité interne (3) et pouvant se déplacer sous l'action de La masse- lotte (38) de manière à obturer l'un au moins des ori- fices d'entrée (12) ou de sortie (14) du fluide.