Brevet FR2569773A1 — publié le 19860307

La présente invention concerne un moteur fusée à propergol solide et un procédé permettant de le fabriquer. Dans les moteurs fusées classiques à propergol solide fixé à la paroi de la chambre il y a, entre la paroi intérieure de la chambre de combustion et le propergol solide, une couche isolante et/ou une couche d'inhibition. Ces matières remplissent deux fonctions: d'une part elles doivent protéger la chambre contre les gaz de combustion chauds vers la fin de la combustion, d'autre npart elles assurent une liaison solicre dans le cas de Dropergols solides fixés à la paroi de la chambre. Ces couches isolantes et/ou inhibi- trices ont des épaisseurs oscillant entre 1 et 5 mm. Selon la technologie mise en oeuvre, leur introduction se fait soit par coulée et centrifugeage avec durcissement simultané de l'isolant, soit par enfoncement à force avec durcissement ultérieur.Malheureusement ces deux technologies prennent beaucoup de temps, donc sont coateuses, et en outre elles diminuent le volume qui est à la disposition du propergol. Il en résulte une diminution de puissance du moteur fusée, diminution qui est parfois loin d'être négligeable. Le problème à résoudre était donc le suivant: concevoir un moteur fusée à propergol solide permettant de se passer, dans la partie cylindrique de la chambre de combustion, de l'essentiel du matériau d'isolement et/ou d'inhibition dont il a été question ci-dessus. Dans les moteurs fusées à haut degré de remplissage qui présentent une combustion érosive à l'extréLité tuyère de la chambre de combustion on ne peut pas se passer totalement d'un isolant car, lors d'une combustion de ce type, même si la configuration intérieure du propergol est favorable, les gaz de combustion chauds atteignent encore la paroi de la chambre de combustion au cours du fonctionnement du moteur fusée. La présente invention résout le problème posé grâce à un propergol solide coulé directement dans une chambre de com- bustiorn comportant, à son extrémité tuyère, un manchon isolant. Conformément au procédé de l'invention on applique, sur la paroi intérieure de la chambre de combustion, une colle à une seule composante ou à deux composantes en une épaisseur de couche comprise entre 10 et 100 em, on enfonce, de préférence à force, dans la tête de la chambre de combustion un capuchon isolant de type connu et, dans l'extrémité tuyère, un manchon isolant, puis on coule le propergol dans la chambre de combus- tion et on le durcit. On utilise plus particulièrement, dans le présent procédé, des chambres de combustion dont les parois ont des épaisseurs allant de 0,6 à 1,5 mm, de préférence de 0,8 à 1,2 mm.. Les propergols solides dont il est fait usage ici sont essentiellement constitués d'oxydants, d'un additif métalli- que et de polymères présentant, après le durcissement, des pro- O10 priétés rappelant celles du caoutchouc. Les oxydants sont généra- lement les sels d'ammonium ou de métaux alcalins de l'acide nitrique et de l'acide perchlorique. Citons, à titre d'exemples, le perchlorate d'ammonium, le nitrate d'ammonium, le perchlorate de potassium et le nitrate de sodium. Les polymères que l'on préfère sont des polybuta- diènes télomères ou des copolymères du butadiène et de l'acrylo- nitrile porteurs de groupes fonctionnels. Les groupes fonctionnels peuvent être soit aux extrémités des chaînes, soit répartis sta- tistiquement le long de la chaîne. Il s'agira par exemple de poly- butadiènes à groupes carboxy terminaux (dénominations commercia- les:Butarez CTL, Telagen CT, Hycar, HC 434), de polybutadiènes à groupes hydroxy terminaux (Butarez HT, PBd R 45, Telagen HT), de copolymères du butadiène et de l'acide acrylique (PBAA) ou de terpolymères du butadiène, de l'acide acrylique et de l'acrylo- nitrile (PBAN). Lorsque les groupes fonctionnels sont des groupes carboxy les polymères correspondants peuvent être durcis au moyen d'aziridines, d'époxydes ou d'amines. Les polymères à groupes hydroxy sont durcis au moyen de di- ou poly-isocyanates aromati- ques ou aliphatiques. Selon la réactivité de l'isocyanate mis en jeu on peut être obligé d'ajouter des accélérateurs de durcisse- ment ou des inhibiteurs de durcissement. Le système liant peut évidemment être modifié aussi par des composantes qui ne prennent pas part directement au processus de durcissement. Parmi ces composantes figurent avant tout les divers hydrocarbures et esters aliphatiques ou aromatique qui exercent des fonctions de plastifiants, des adjuvants d'élaboration, des anti-oxydants, etc. En plus du liant et des oxydants on peut ajouter au propergol, pour augmenter sa puissance, des métaux pulvérisés, tels que l'aluminium, le bore, le magnésium et le béryllium. Dans la composition du propergol le métal peut remplacer une partie de l'oxydant. On ajoute normalement de O à 30 % de métal, de préférence de 10 à 20 %. La composition du propergol est généralement si- tuée dans les limites suivantes: de 60 à 90 % du mélange oxydant de O à 30 % de l'additif métallique de 10 à 20 % du système liant (polymère, durcisseur et plastifiant) et de O à 5 % de modérateurs de combustion. Pour assurer une bonne adhérence entre le propergol et la chambre de combustion on a recours à des adjuvants d'adhé- rence qui, cela va de soi, doivent être adaptés au propergol. C'est ainsi qu'avec des systèmes liants à groupes carboxy on utilise de préférence des adjuvants d'adhérence porteurs de grou- pes aziridinyles ou époxy, tels que les produits vendus sous les noms de MAPO, HX 760, HX 868, Epikote 162, Epon 828, etc, tandis qu'avec des systèmes liants à groupes hydroxy on utilise de pré- férence des adjuvants d'adhérence porteurs de groupes isocyanato, tels que les produits vendus sous les noms de Desmodur R ou L, ou des colles liquides à deux composantes, constituées d'un poly- mère hydroxylé et d'un poly-isocyanate. Ces matières sont appli- quées dans la chambre de combustion, peu de temps avant la coulée du propergol, par pulvérisation ou par enduction, en des couches d'épaisseur pouvant aller jusqu'à environ 100 f/m. Le manchon isolant est constitué d'un caoutchouc vulcanisé. Pour cela on peut utiliser des polybutadiènes ou des copolymères du butadiène et du styrène, ou du butadiène et de l'acry- lonitrile. Le formage est effectué sur une presse avec vulcanisa- tion simultanée. On obtient un tube cylindrique dont les dimen- sions sont adaptées à celles de la chambre de combustion. Par exemple, pour une longueur de la chambre de combustion de 1150 mm, sa longueur est de 150 mm tandis que l'épaisseur du manchon, à l'extrémité tuyère,est de 3 mm etl à i'extrémité opposée, de 0,5 mm. L'invention a fait ses preuves en particulier dans le cas de charges tubulaires à combustion intérieure, avec des configurationstube-baguette, roue de charrette, étoile plate et étoile double. Même avec des configurations intérieures étoilées extrêmes dans lesquelles le fond de chacune des vallées de la charge propulsive atteint la paroi de la chambre au cours de la combustion il est possible d'appliquer la présente inven- tion, surtout si l'on se sert de chambre de combustion à paroi épaisses. La figure 1 (coupe longitudinale) et la figure 2 (coupe trans- versale du dessin annexé représentent un nmteur fusée conforme à l'invention. L'épaisseur de la paroi de la chambre de combustion est de 1,2 mn. Le propergol composite I est coulé dans la chambre de combustion et collé directement à la paroi intérieure sur une très grande partie de la chambre de comLbustion. Le double capuchon isolant II empêche que la charge soit arrachée du fond de la chambre de combustion, tandis que le manchon isolant III situé à l'extrémité ouverte de la chambre de combustion a pour fonction de protéger celle-ci contre les gaz de combustion chauds. La coupe II-II (figure 2) montre la configuration intérieure de la charge. Les signes de référence K1, K2, K3 et K4 indiquent les endroits o la température a été mesurée à la paroi extérieure du moteur fusée. L'agent propulsif est un propergol composite qui a une tempéra- ture de combustion de 3325 C. La figure3 représente graphique- ment l'évolution de la température aux divers endroits indiqués du moteur essayé. La durée de fonctionnement du moteur fusée est de 2,71 secondes. Le léger échauffement de la chambre de combustion à 230 C à l'endroit o a été faite la mesure n'a donc lieu qu'après la combustion complète du propergol dans le moteur fusée et il est sans importance. Les avantages qu'apporte l'invention reposent sur une utilisation maximale du volume intérieur de la chambre de combustion garnie du propergol, qui permet, par rapport aux mo- teurS isolés de façon classique, une augmentation supplémentaire de la puissance, et sur un mode de fabrication beaucoup plus ra- tionnel grace à l'abandon de la quasi-totalité de l'isolement. REVENDI CATIONS 1.- Moteur fusée à propergol solide, caractérisé en ce qu'il comporte un propergol solide coulé directement dans une chambre de combustion munie à son extrémité tuyère d'un man- chon isolant. 2.- Procédé de fabrication d'un moteur fusée selon la revendication 1, procédé caractérisé en ce qu'on applique sur la paroi intérieure de la chambre de combustion une colle à une composante ou à deux composantes, en une épaisseur de couche com- prise entre 10 et 100 i-m, on introduit, de préférence à force, dans la tête de la chambre de combustion un capuchon isolant et, à l'extrémité tuyère, un manchon isolant, et ensuite on coule le propergol solide dans la chambre de combustion. 3.- Procédé de fabrication d'un moteur fusée selon la revendication 1, procédé caractérisé en ce qu'on introduit le propergol solide par une technique de liaison à la paroi de la chambre. 4.- Procédé de fabrication d'un moteur fusée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, procédé caractérisé en ce qu'on utilise des chambres de combustion ayant des parois épaisses de 0,6 à 1,5 mm, de préférence de 0,8 à 1,2 mm.