Brevet FR2566461A1 — publié le 19851227

PROCEDE DE FIXATION DE LA CHARGE PROPULSIVE A COMBUSTION FRONTALE D'UN PROPULSEUR-FUSEE A PROPERGOL SQLIDE. L'invention se rapporte à un procédé de fixation d'une charge propulsive à combustion frontale sur la paroi de la chambre de combustion d'un propulseur-fusée à propergol solide, dans lequel une couche de matière plastique durcie est prévue entre la charge propulsive et la paroi de la chambre de combustion. Un tel procédé est connu par les informations contenues dans le modèle d'utilité allemand 6 600 205. La charge propulsive munie d'une couche isolante est ici introduite dans la chambre de combustion avec formation d'une fente annulaire entre la couche isolante et la paroi de la chambre de combustion, après quoi la fente annulaire est remplie d'une masse de matière plastique expansée. La fixation de la charge propulsive doit ainsi être garantie même en cas de fortes variations de température. Dans une charge propulsive à combustion frontale, la couche en mousse synthétique nécessaire en plus de la couche isolante selon ce modèle d'utilité se traduit cependant par une réduction de la surface de combustion et par conséquent par une réduction correspondante du débit de propergol. Avec un diamètre de charge propulsive de 330 mm par exemple, la surface de combustion et par conséquent le débit de properqol sont diminués d'environ 4% par une couche de mousse svnthétique supplémentaire d'une épaisseur de 3 mm. Tout en garantissant une fixation sûre de la charge propulsive à combustion frontale même en cas de fortes variationsde température, l'invention, telle que définie ci-dessus, a par conséquent pour objet d'augmenter le débit du propergol en diminuant l'épaisseur de la couche isolante sans affecter 1' efficacité de celle-ci. L'invention repose sur la constatation surprenante -2- que sa conductibilité thermique d'une couche en mousse synthétique diminue notablement avec sa compression. Cette constatation a été faite avec le mode de procédé illustré schématiquement par le dessin, sur leauel: - la figure 1 représente une coupe transversale de plusieurs plaques en mousse synthétique disposées les unes au-dessus des autres; - les figures 2a et 2b représentent respectivement une vue en plan d'éléments de mesure insérés entre deux plaques de matière synthétique; - la figure 3 représente une coupe longitudinale d'un propulseur-fusée à propergol solide; - la figure 4 représente à une échelle agrandie une vue de détail de la figure 3. Conformément à la figure 1, on a disposé les unes au-dessus des autres six plaques en mousse synthétique A à F. Les plaques A à F sont réalisées en une mousse poly- uréthane disponible dans le commerce (type MH 25-65 de la Firme Elastogran Kunststoff-Technik GmbH, LemfOrde) et ont respectivement une épaisseur de 6 mm. Les plaques en mousse synthétique A àF sont dis- posées entre une plaque métallique 1 chauffée à 200 C et une plaque métallique 2 se trouvant à la température am- biante. Un élément de résistance 3 est, en outre, instal- lé entre la plaque chauffée 1 et la plaque en. mousse syn- thétique A, ainsi qu'un élément de résistance 4 entre les plaques en mousse synthétique E et F, et de la même façon, comme on peut le voir sur les figures 2a et 2b, un élément de résistance 5 ainsi que deux thermocouples 6 et 7 dis- posés à distance l'un de l'autre sont placés entre les plaques en mousse synthétique A et B, tandis que deux thermocouples 8 et 9 disposés à distance l'un de l'autre sont insérés entre les plaques en mousse synthétique B et C. Sur la base des valeurs mesurées avec les éléments de mesure 3 à 8, on a calculé la conductibilité thermi- - 3- que, et ce, dans le cas des contraintes de compression suivantes 0; 7,5; 15 et 20 bars entre les plaques métal- liques 1 et 2. - Le calcul de la conductibilité thermique a été effectué d'après U. Grigull et Ho Sandner Maison d'Edition Springer, 1979, pages 62 et suivantes Equation de Fourier. On a obtenu les valeurs de conductibilité thermi- ques indiquées dans le tableau suivant Contrainte de - Conductibilité Epaisseur de la compression thermique plaque (mm) (bar) (m2/s)* Taux de diminu- tion) 0 0,0938 x 10-6 6 7,5 0,0761 x 10-6 4,75 0,0716 x 10-6 3,06 20 0, 0567 x 10-6 2,88 * Mesurées 480 secondes après obtention de la contrainte de compression. Il est manifeste qu'à une contrainte de compres- sion de 7,5 bars, la conductibilité thermique diminue d'environ 18,9 %, qu'à une contrainte de compression de bars, elle diminue d'environ 23,7 % et qu'à une con- trainte de compression de 20 bars, elle diminue d'environ 39,5 % par rapport à la mousse synthétique non comprimée (0 bar). Dans le mode de procédé représenté sur la figure 1, les plaques en mousse synthétique A à F peuvent se dérober latéralement lors de la compression0 Pour obtenir une com- pression correspondante de la mousse synthétique dans une enceinte fermée, donc dans la chambre de combustion d'un propulseur-fusée à propergol solide, une contrainte de compression considérablement plus élevée est nécessaire. Par exemple, si avec une mousse polyuréthane, on obtient une certaine compression en exergant une pression de bars dans le mode de procédé ouvert selon la figure 1, une pression d'environ 40 bars est nécessaire pour obtenir la même compression dans une enceinte fermée ou une chambre de combustion. Il y a lieu de préciser que la mousse polyuréthane convient particulièrement bien pour le procédé selon l'invention en raison de sa grande compressibilité volumique. !O Exemple Dans un bloc- cylindre ayant un diamètre intérieur de 336 mm et dont la face interne est recouverte d'une couche de mousse polyuréthane de 3 mm d'épaisseur, on introduit une masse propulsive qui est préchauffée à 80 C et se compose de 25% en poids de perchlorate d'ammonium, de 25% en poids de liant en polybutadiène, de 40% en poids-de poudre de bore, de 8,5% en poids de poudre d'aluminium et de 1,5% en poids de durcisseur. On laisse durcir la masse propulsive introduite pendant 12 heures à une pression de 40 bars et à une température de 80 C. La mousse polyurêthane se trouve ainsi précon- trainte à environ 40%. L'adhérence entre la mousse polyuréthane et la charge propulsive durcie a étéexcellente en ce sens qu'au cours des premiers essais de résistance, la charge propulsive s'est fissurée à l'intérieur,mais non la surface d'adhérence entre la mousse polyuréthane et la charge propulsive. Il ne s'est également formé aucune fente entre la charge propulsive et le bloc- cylindresà des variations de température oscillant entre +60 et -40 C. Dans cette plage de températuresla charge propulsive peut se contracter sans encombre d'environ 14,4 mm. La remarquable faculté d'adhérence de la charge propulsive surla mousse polyuréthane.permet donc de supprimer toute couche adhésive entre la mousse poly- uréthane et la charge propulsive. Par ailleurs, confor- mément aux précédentes explications, à cette pression (40 bars), on obtientun taux de diminution de 1,2 mm de la couche de mousse polyuréthane avec cr-duotion de la conductibilité thermique (environ 20 à 40%). Avec une charge propulsive d'un diamètre de 330 mm + 2,4 mm et d'une longueur de 1500 mm pour une masse volumique de 1,72 g/cm3, on obtient ainsi au total un gain de propergol de 3,2 kg, attendu qu'avec une charge propulsive non comprimée, on ne peut obtenir qu'une masse volumique de 1,67 g/cm3. Sur la figure 3, entre la paroi 10 de la chambre de combustion et la charge propulsive 12 du propulseur- fusée, on introduit une couche 11 en matière synthétique moussée, par exemple en polybutadiène, polyuréthane ou silicone. Par pressage, on exerce sur la charge propul- sive 12 une pression 13, par exemple de 40 bars, à la suite de quoi la couche 11 est précontrainte, c'est-à- dire que son épaisseur diminue par exemple de 40% Sur la figure 4 qui représente à une échelle agrandie le détail X de la figure 3, l'épaisseur de la mousse s'est réduite de a à b sous l'effet de la pré- contrainte due à la pression exercée 13. Comme le coulage du propergol s'effectue à une température d'environ +80 C, l'épaisseur de la couche de mousse 11 se trouve ramenée à c en raison de la dilatation ther- mique de la charge propulsive 12. Dans la plage des températures de fonctionnement oscillant entre -40 C et +60 C du propulseur-fusée, l'épaisseur de la couche de mousse 11 varie entre d et e, une précontrainte résiduelle subsistant encore même à -40 C par rapport à la mousse a non précontrainte. Du fait du changement de température entre le coulage du propergol (+809C) et la température de fonc- tionnement la plus basse de -40 C, la charge propulsive 12 se rétracte également dans le sens axial, et ce de f à g. La mousse 11 peut cependant glisser sur la paroi de la chambre de combustion attendu que,selon l'in- vention, aucun liant n'est prévu entre la couche 11 en mousse et la paroi lQ de la chantre de combustion. Cela évite les contraintes a l'intérieur de la mousse 11. Malgré cela, grâce à la précontrainte mentionnée de la mousse 11, une fente entre la paroi 10 de la chambre de combustion et la mousse 11 est exclueet par conséquent on obtient non seulement une force d'adhérence suffi- sante de la mousse 11 sur la paroi de la chambre de combustion, mais on empêche aussi une augmentation du volume d'allumage. REVENDICATIONS 1. Procédé de fixation d'une charge propulsive à combustion frontale sur la paroi de la chambre de com- bustion d'un propulseur-fusée à propergol solide, dans lequel une couche de matière plastique mousséeest prévue entre la charge propulsive et la paroi de la chambre de combustion, caractérisé par le fait qu'on recouvre la paroi (10) d-la chambtre de combustion d'une couche (11) de matière plastique moussée durcie, après quoi on place la masse propulsive dans la chambre de combustion et on la laisse durcir avec application de pression et augmen- tation de la température. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour le durcissement de la masse propul- sive, on utilise une pression dans la chambre de combus- tion d'au moins 10 bars. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé par le fait que comme matière plastique moussée, on utilise du polyuréthane.