Brevet FR2569236A1 — publié le 19860221

La présente invention se rapporte à un système de propulsion de courte durée et à haute densité de puissance, en particulier pour projectiles renfermant un barreau effilé agissant par seule énergie cinétique, ce système de propulsion comportant une réserve de propergol liquide à plusieurs composants qui est brûlée dans une chambre de combustion munie d'une tuyère de poussée montée en aval. Les sytèmes de propulsion de courte durée et à forte densité de puissance qui sont utilisés avant tout comme systèmes de propulsion sans recul pour barreaux doués d'éner- gie cinétique ou pour projectiles de mortiers et qui doivent imprimer des accélérations extrêmement élevées de plus de 1000 g avec une poussée de quelques 9806,65N pendant une durée de combustion de par exemple 0,1 à 0,01 seconde, présentent, dans le cas d'un système de propulsion à propergol solide, l'inconvénient que la combustion est difficile à contrôler et que le propergol solide doit être emmagasiné dans la chambre de combustion avec une grande surface de combustion et doit, pour des raisons de rigidité, être maintenu par des appuis spéciaux, ce qui entraine un volume relativement important de cette chambre de combustion, un poids élevé et la mise en oeuvre d'éléments de construction importants. Avec des systèmes de propulsion à propergol liquide à plusieurs composants et à haute densité de puissance, par exemple un système hypergolique à deux propergols, la diffi culté réside par contre dans le transport de ce propergol attendu que la quantité totale de ce dernier doit, pendant une fraction de seconde, être pompée des réservoirs de stockage et amenée dans la chambre de combustion pour y être brûlée. Ce tour de force, si toutefois il est possible, n'est réalisable qu'avec un appareillage important qui augmente fâcheusement le poids et le volume total du système de propulsion. La présente invention a par conséquent pour objet de réaliser un système de propulsion ou propulseur de courte durée et à haute densité de puissance qui fonctionne avec un propergol liquide à plusieurs composants et qui cependant, malgré un faible volume et un faible poids, présente une structure de conception extrêmement simple et, en particulier, ne nécessite aucun système de transport et d'injection généralement compliqué pour les composants du propergol. Ce résultat est atteint selon l'invention au moyen d'un système de propulsion de courte durée du type précité qui est caractérisé par le fait que la réserve de propergol liquide est stockée sous la forme d'une colonne de liquide directement dans la chambre de combustion, que les composants du propergol sont répartis régulièrement les uns dans les autres dans la colonne de liquide et sont séparés par des cloisons destructibles ou escamotables et que pour soutenir la colonne de liquide pendant la combustion, une paroi est disposée sur l'extrémité arrière, vue dans le sens du vol, de la chambre de combustion. Dans le système de propulsion de courte durée selon l'invention, la totalité de la réserve de propergol liquide se trouve, déjà avant l'allumage du système de propulsion, dans la chambre de combustion elle-même, ce qui permet de supprimer tous les sytèmes de transport nécessaires à l'injection des différents composants du propergol dans la zone de combustion haute pression, et, en même temps, l'assujetissement spécial de la colonne de liquide garantit, même à des accélérations extrêmement-elevées, une fixation sûre du propergol liquide dans la chambre de combustion ainsi qu'une rapide combustion avec évacuation sans encombre des gaz, et ce, sans qu'il soit nécessaire, comme pour pour les systèmes de propulsion à propergol solide connu, de recourir à des dispositifs auxiliaires compliqués augmentant défavorablement le poids et le volume, avec l'avantage particulier que, grâce à la répartition régulière des composants du propergol, on obtient déjà un pré-mélangeage de ces derniers et que la forme spatiale choisie pour les différents composants du propergol permet de réduire la dimension des surfaces limites entre les composants du propergol par rapport au volume total du liquide et d'accélérer ainsi la vitesse de combustion de la façon indiquée. Le système de propulsion selon l'invention convient donc particulièrement pour les cas d'utilisation ot l'on exige des puissances élevées en des temps très courts et en même temps une construction simple, compacte et légère, donc en particulier pour les projectiles à barreaux cinétiques ou en tant que système de propulsion pour projectiles de mortiers ou à charge creuse, par exemple pour la défense anti-chars. En vue d'obtenir un degré de pré-mélangeage élevé, la colonne de liquide est, par des cloisons, avantageusement divisée en un certain nombre de chambres individuelles juxtaposées et dont chacune est alternativement remplie d'un composant différent du propergol. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les cloisons sont réalisées en un matériau à paroi mince et susceptible d'être détruit sous l'action d'une onde de choc, par exemple en verre, ce qui, en plus de la résistance chimique vis-à-vis des composants du propergol, présente l'avantage que les cloisons, sous l'action de cette onde de choc produite. lors de l'allumage, se brisent en éclats, si bien que les différents composants du propergol viennent presque simultanément en contact par leurs surfaces limites totales et que les-éclats de verre, en raison de leur poids spécifique élevé se déplacent, sous l'effet de l'accélération, à l'encontre du courant gazeux vers l'extrémité arrière, dans le sens du vol, des chambres de combustion et produisent un fort tourbillonnement et un mélange des gaz chauds et des propergols n'ayant pas encore réagi.Ces cloisons peuvent également être réalisées en un matériau fondant à la chaleur, par exemple en aluminium à paroi mince, ce qui présente l'avantage que l'on obtient un élargissement contrôlé du front de réaction à partir du point d'allumage et que le matériau des cloisons fondant très rapidement sous l'effet de la température de combustion élevée des propergols peut, par exemple sous la forme d'une addition métallique, participer complétement ou en partie au processus de combustion. Le propergol liquide est avantageusement constitué par un système hypergolique à deux composants, de façon qu'au niveau des surfaces limites de ces deux composants, il se produise une réaction spontanée après disparition des cloisons. Pour l'allumage du système de propulsion, les cloisons sont entièrement ou partiellement détruites de préférence à partir de l'extrémité avant de la-chambre de combustion, et ce, au moyen d'une charge d'allumage solide placée sur l'extrémité avant'de la chambre de combustion. Pour garantir une- évacuation, non perturbée aux fortes accélérations, des gaz brûlés de la chambre de combustion, il est avantageux, pour les gaz chauds s'échappant pendant la combustion de la colonne de liquide, de prévoir un canal de dérivation partant de l'extrémité avant, vue dans le sens du vol, de la chambre de combustion et allant à la tuyère de poussée, ce canal comportant de préférence une ou plusieurs sections disposées dans le sens longitudinal de la colonne de liquide et étant directement limitrophes de cette dernière, ce qui permet d'obtenir, en plus d'une construction compacte, un effet d'échange de chaleur entre les gaz chauds allant, à l'encontre du sens du vol, vers la tuyère de poussée et la colonne de liquide et une bonne inter-réaction des composants du propergol.Si les cloisons sont réalisées en un matériau fondant à la chaleur, il est possible, par cet effet d'échange de chaleur, de libérer des surfaces de réaction supplémentaires à l'intérieur de la colonne de liquide et de commander ainsi la réaction.dans le sens d'une accélération de la combustion.Du fait des fortes accélérations, on obtient une forte action de séparation entre le propergol liquide et les gaz brûlés produits à l'intérieur de la colonne de liquide et le liquide est, par suite de son poids spécifique plus élevé, comprimé sur l'extrémité arrière de la chambre de combustion ou il est maintenu par la paroi de cette dernière, tandis que les gaz brûlés de poids spécifique plus léger sont chassés de la colonne de liquide dans le sens du vol et sont, par le canal de dérivation, amenés à la tuyère de poussée en même temps que les gaz bru lés engendrés sur la face frontale de la cplonne de liquide.Même lors de l'amor çage de la réaction à l'intérieur de la colonne de liquide ou partir de ces surfaces de limitation non libres, le système de propulsion selon l'invention garantit donc une évacuation non perturbée des gaz brûlés sans qu'il y est risque que du propergol liquide non brûlé soit entraîné dans le courant de gaz vers la tuyère de poussée.Les gaz brûlés traversant l'intérieur de la colonne assurent un mélange intime des propergols non encore brûlés et, en cas de cloisons destructibles par la chaleur, un élargissement augmentant rapidement du front de réaction en direction de la colonne de propergol, Dans un mode de construction particulièrement avantageux, le canal de privation comporte une section annulaire disposée dans le sens longitudinal de la chambre de combustion entre une enveloppe extérieure et la colonne de liquide et peut comporter en plus ou à la place de cette section de canal un ou plusieurs tubes de gaz traversant la colonne de liquide de l'extrémité avant jusqu'à l'extrémité arrière, cdt tuyère de poussée, de la chambre de combustion. Comme déjà mentionné, le déroulement de la réaction peut être modifié dans le sens d'une accélération ou d'un ralentissement par la forme spatiale des cloisons et par le choix des points de départ à partir desquels la réaction débute. Pour commander la vitesse de combustion, la colonne de liquide peut en outre avantageusement contenir des additions chimiques telles que des antidétonants, des capteurs de radicaux ou analogues pour pouvoir assurer, même en cas de propergols liquides très actifs, une combustion contrôlée sans risque de réaction explosive. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel la fig. 1 représente schématiquement un système de propulsion réalisé selon l'invention en liaison avec un projectile renfermant un barreau doué d'énergie cinétique; la fig. 2 est une coupe suivant I-I de la fig. l représentant a une échelle agrandie une disposition spatiale possible des cloisons; la fig. 3 est une vue correspondant à la fig. 2, représentant une autre forme spatiale des cloisons de la chambre de combustion. La fig. 1 représente un projectile 2 qui renferme un barreau cinétique et qui est doté d'un propulseur de courte durée 4 réalisé selon l'invention. Le projectile 2 comporte une enveloppe externe cylindrique 6 qui, au niveau de l'ogive du projectile, se transforme en un revêtement conique 8 et, à l'extrémité arrière du projectile, en une tuyère de poussée 10. Dans la partie avant, séparée par une cloison 12, du projectile 2, est logé, dans un tube de guidage coaxial à l'axe du projectile, le barreau 16 cinétique pourvu d'une charge propulsive 18 se trouvant à son extrémité arrière, tandis que l'espace annulaire 20 compris entre le tube de guidage 14 et l'enveloppe externe 6 ou le revêtement 8, sert à recevoir des dispositifs auxiliaires, par exemple le dispositif de guidage. Le diamètre extérieur de l'enveloppe externe 6 correspond au calibre du dispositif de tir du projectile. Le propulseur 4 se trouvant dans la partie arrière du projectile 2 contient une chambre de combustion 26 qui, par l'intermédiaire de pièces d'écartement 22 et en laissant subsister une section de canal annulaire 24, est disposée coaxialement à l'enveloppe externe 6 et à distance axiale de la cloison 12, cette chambre de combustion étant constituée par une enveloppe cylindrique 28 et une paroi 30 placée à l'extrémité arrière, vue dans le sens de vol F, de la chambre de combustion et étant traversée par un tube de gaz central 32 ouvert à l'extrémité arrière de la chambre de combustion en direction de la tuyère de poussée 10. Dans l'espace annulaire compris entre l'enveloppe cylindrique 28 et le tube à gaz 32, la chambre de combustion 26 est, par des cloisons destructibles 34 de faible épaisseur de paroi, divisée en un certain nombre de chambres individuelles 36 fermées et disposées parallèlement les unes aux autres de l'extrémité avant jusqu'à l'extrémité arrière de la chambre de combustion, et est remplie d'une colonne de propergol liquide 38 constituée par un système hypergolique à deux composants, les deux composants A, B étant alternativement placés dans des chambres juxtaposées 36. A l'extré- mité avant, vue dans le sens du vol F, est disposé, dans la chambre de combustion 26, une charge d'allulage solide 40 placée à proximité du tube à gaz 32 et de la colonne de liquide 38. Les cloisons 34 sont chimiquement résistantes vis-à-vis des composants de propergol A et B et congues de façon à ne pas se briser sous l'action des chocs ou des charges brusques normales intervenant par exemple pendant le transport, de sorte que ces composants A et B ne peuvent pas venir en contact les unes des autres par leur surface limite avant l'allumage du propulseur 4. Sur les fig. 2 et 3 dont chacune représente schématiquement une coupe partielle du propulseur 4 dans la zone de la chambre de combustion 26, on peut voir deux modes de réalisation possibles de la disposition spatiale des cloisons 34 et des chambres individuelles 36 délimitées par ces dernières. Sur la fig. 2, la chambre de combustion 26 est, par les cloisons 34, divisée en un certain nombre de chambres individuelles 36 en forme de nids d'abeilles dont chacune est remplie alternativement par les composants A et B du propergol. Sur la fig. 3, les cloisons 34 constituent un certain nombre de tubes à paroi mince contenant le composant A du propergol, tandis que les espaces intermédiaires entre ces tubes sont remplis de l'autre composant B. De nombreuses autres dispositions spatiales des cloisons sont également possibles. Ainsi, on peut par exemple disposer dans la chambre de combustion un composant dans des billes creuses à parois minces de quelques millimètres de diametre, tandis que l'autre composant remplit les espaces interm6- diaires entre ces billes, ou encore on peut, par des cloisons disposées en forme de rayons dans le sens radial diviser la chambre de combustion en un certain nombre d'étroites chambres individuelles dans le sens périphérique, ces chambres individuelles étant remplies alternativement des différents composants du propergol.Dans chaque cas, grâce à la répartition essentiellement uniforme des composants du propergol dans la colonne de liquide, on réalise une sorte de pré-mélangeage, le degré de ce pré-mélangeage dépendant de la disposition spatiale des cloisons et étant d'autant plus grand que la surface totale des surfaces limites formées par les cloisons 34 entre les deux composants A, B est importante par rapport au volume du liquide. Selon le degré de ce pré-mélangeage des composants A, B stockés dans la chambre de combustion 26, on peut contrôler le déroulement de la réaction d'une façon prédéterminée dans le sens d'une accélération ou d'un ralentissement de la combustion. Une autre possibilité de contrôle réside dans le choix du matériau pour les cloisons 34.Si ces cloisons sont réalisées en un matériau, par exemple en verre à paroi mince, qui résiste aux chocs et aux à-coups normaux, mais qui se brise sous l'action d'une forte onde de choc, toutes les cloisons 34 dans la chambre de combustion 28 sont brusquement détruites lorsque la charge d'allumage pyrotechnique 40 est allumée en produisant un fort coup de bélier, après quoi les composants A et B viennent presque en même temps au contact par toutes leurs surfaces limites dans la colonne de liquide 38 et réagissent spontanément.Les gaz chauds s'écoulant à l'extrémité avant de la chambre de combustion sont en partie déviés dans le tube central 32 traversant la colonne de liquide 38 et sont amenés par ce dernier à la tuyère de poussée -10, tandis que le reste du gaz brûlé quitte la chambre de combustion 26 par l'extrémité avant de la chambre de combustion dans le sens du vol F et, par la section du canal annulaire 24 compris entre l'enveloppe 28 de la chambre de combustion et llenve- loppe extérieure 6 refoule vers la tuyère de poussée 10 ot, après mélange avec le courant partiel revenant par le tube 32, il se détend en produisant la force de poussée.Les gaz brûlés refoulant dans la section de canal 24 ou dans le tuyau de gaz 32 sur toute la longueur de la chambre de combustion assurent un réchauffement de la colonne de liquide immédiatement limitrophe et une bonne réaction des propergols. Les fortes accélérations obtenues pendant le temps dé combustion du propulseur 4 agissent également favorablement sur le déroulement de la réaction : sous la forte action d'accélération en effet, d'une part, les éclats produits par la destruction des cloisons 34, donc par exemple les éclats de verre, se déplacent, en raison de leur poids spécifique élevé, rapidement vers l'extrémité arrière de la chambre de combustion et provoquent ainsi un fort tourbillonnement et un mélange intime des gaz brûlés ainsi que des composants de propergols n'ayant pas encore inter-réagi, et, d'autre part, les gaz brûlés chauds, dont le poids spécifique est faible par rapport au propergol liquide, sont, sous l'effet de l'effet de séparation également fort, chassés vers l'extré- mité avant de la chambre de combustion et assurent en plus un mélange intime des.composants encore liquides. L'enveloppe 28 de la chambre de combustion, le tube à gaz 32 et surtout la paroi 30 sont conçus de façon à garantir, même en cas de fortes accelerations, un maintien sûr de la colonne de liquide 38 et des éclats des cloisons 34. Si, par contre, les cloisons 34 sont réalisées en un matériau fondant ou se consommant sous l'effet de la chaleur, par exemple en aluminium à paroi mince, la réaction, après la mise à feu de la charge d'allumage 40 qui se décompose elle-même, s'amorce tout d'abord à l'extrémité avant de la chambre de combustion et la colonne de liquide 38 brûle à partir de sa face frontale libre tournée vers l'extrémité avant de la chambre de combustion pour se propager en augmentant vers l'arrière. Par suite de la température de combustion élevée des composants hypergoliques A, B, les cloisons 34 atteignent très rapidement leur température de fusion et par conséquent, par exemple sous la forme d'une addition métallique, participent entièrementou en partie à la combustion. Du fait de l'échange de chaleur entre les gaz chauds refoulant par la section de canal 24 et le tube à gaz 32 et la colonne de liquide 38 immédiatement limitrophe, on a la possibilité de créer dans la colonne de liquide 38 des points d'initiation supplémentaires pour le processus de réaction à des endroits prédéterminés le long des parois 28 ou 30 de la chambre de combustion et du tube à gaz 32 et, par conséquent, de contrôler la vitesse de combustion en ce sens que l'on fait fondre localement les cloisons 34 voisines des parois 28 ou 30 de la chambre de combustion et du tube à gaz 32, de sorte que les composants A et B dans cette zone viennent au contact l'un de l'autre par leurs surfaces limites préalablement séparées et réagissent spontanément. Les gaz chauds ainsi produits, et qui, par suite de l'action d'accélération dans la colonne de liquide 38, s'écoulent dans le sens de vol F vers l'extrémité avant de la chambre de combustion, détruisent des zones de paroi limitrophes sous l'effet de la chaleur de sorte que le front de réaction va en s'élargissant dans le sens du vol F. On peut fixer d'une façon prédéterminée la position de ces points d'initiation supplémentaires, par exemple en réalisant quelques cloisons 34 localement en un matériau de plus grande sensibilit à la chaleur ou en les disposant à une plus faible distance que les autres des cloisons 28, 30 ou du tube à gaz 32 ou encore en conférant à l'enveloppe 28 de la chambre de combustion, à la paroi 30 ou au tube à gaz 32 des coefficients de transmission de chaleur localement différents. On peut également réaliser les cloisons en partie en un matériau sensible à la chaleur et en partie en un matériau destructible sous l'action d'une forte onde de choc. Si l'on veut intervenir dans la réaction en vue de retarder la combustion, on peut le faire en introduisant des éléments inhibant la réaction, par exemple du charbon poreux, dans la colonne de liquide, ainsi que par des additions chimiques comme par exemple des agents anti-détonants, des capteurs de radicaux et analogues, ce qui, en particulier avec les propergols fortement actifs, permet d'eviter une réaction explosive de la colonne de propergol. REVENDICATIONS 1. Propulseur de courte duree et à haute densité de puissance, en particulier pour projectile renfermant un barreau effilé agissant par seule énergie cinétique ce propulseur comportant une réserve de propergo' liquide à plusieurs composants qui est brûlée dans une chambre de combustion munie d'une tuyère de poussée montée en aval, caractérisé par le fait que la réserve de propergol liquida est stockée sous la forme d'une colonne de liquide directement dans la chambre de combustion, que les composants du propergol sont repartis régullêrement les uns dans les autres dans la colonne de liquide et sont épatés par des cloisons destructibles ou escamo7::dbles et que pour la fixa- tion de la colonne de liquide pendant 'a combustion, une paroi est disposée sur l'extrémité arr ee, dans le sens du vol, de la chambre de combustiDn. 2. Propulseur de courte durée selon la revendication l, caractérisé par le fait que la colonne de liquide est divisee par les cloisons en un certaIn nombre de chambres indviduel- les juxtaposées et dont chacune est alternativement remplie d'un composant différent du propergol. 3. Propulseur de courte durée selon la revendication l ou 2, caractérisé par le fait que les cloisons sont en tout ou partie constituées par un matériau à paroi mince et susceptible d'être détruit sous l'action d'une onde de choc, par exemple en verre. 4. Propulseur de courte durée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les cloisons sont en tout ou partie constituées par un matériau fondant à la chaleur, par exemple de l'aluminium à paroi mince. 5. Propulseur de courte durée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le propergol liquide est constitué par un système hypergolis que à deux composants. 6. Propulseur de courte durée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une charge d'allumage solide disposée à l'extrémité avant de la chambre de combusticnt 7, Propulseur de courte durée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour les gaz chauds s'écoulant pendant la combustion de la colonne de liquide, il comporte un canal de déviation partant de l'extrémité avant, vue dans le sens du vol, de la chambre de combustion, et allant à la tuyère de poussée et qui présente une ou plusieurs sections de canal disposées dans le sens longitudinal de la colonne de liquide et directement limitrophes de cette dernière. 8. Propulseur de courte durée selon la revendication 77 caractérisé par le fait que le canal de déviation comporte une section de canal annulaire disposée dans le sens longitudinal de la chambre de combustion entre une enveloppe externe et la colonne de liquide. 9. Propulseur de courte durée selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait que le canal de déviation comporte un ou pludieurs tubes à gaz traversant la chambre de liquide de l'extrémité avant à l'extrémité arrière, c8tF tuyère de poussée, de la chambre de combustion. 10. Propulseur de courte durée selon l'unie quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour la commande de la vitesse de réaction, des additifs chimiques et/ou des éléments rapportés sont placés dans la colonne de liquide.