Brevet FR2567198A1 — publié le 19860110

PROCEDE DE FERMETURE D'UN PROPULSEUR A POUDRE; INSTALLATION INDUSTRIELLE POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE, ET PROPULSEUR A POUDRE FERME SELON CE PROCEDE L'invention concerne un procédé de fermeture d'un propulseur à poudre, mais elle concerne également une installation industrielle mettant en oeuvre ce procédé, et un propulseur à poudre de construction métallique; fermé selon ce procédé. Un propulseur à poudre est constitué essentiellement par une charge d'un propergol solide qui est contenue dans une chambre de combustion métallique, laquelle chambre comprend: - une enveloppe cylindrique en tôle mince fermée par un fond arrière d'une part, et par un fond avant, d'autre part ; ce fond avant porte la tuyère d'éjection des gaz de combustion de la charge de propergol. Les propulseurs à poudre trouvent leur application dans les engins propulsés, tels que les fusées, les missiles, les projectiles et les objets similaires. Les propulseurs à poudre sont utilisés soit pour lancer un engin, soit pour maintenir sa vitesse de croisière Un propulseur à poudre peut être caractérisé par son indice constructif Fm donné par la relation suivante: Fm = MT - MT dans laquelle M p est la masse de propergol et MT la masse totale du propulseur ; la masse de propergol est limitée par le volume interne de la chambre de combustion du propulseur. Lors de la fabrication d'un propulseur à poudre, dans une première étape, l'enveloppe cylindrique et le fond arrière sont assemblés par soudure pour fournir une enceinte dans laquelle sera placée, ultérieurement, la charge de propergol. Dans une seconde étape, l'enceinte ayant reçu sa charge de propergol, doit être fermée pour constituer une chambre de combustion ; à cet effet le fond avant du propulseur est assemblé sur l'enveloppe cylindrique. Selon la technique actuelle, la fermeture du propulseur à poudre est une opération sans apport de calories, ou tout au moins, une opération ne dégageant pas de calories susceptibles d'élever localement la température du bloc de poudre et de provoquer son inflammation intempestive. La technique actuelle de fermeture des propulseurs la plus courante consiste à souder préalablement sur l'enveloppe cylindrique une couronne massive sur laquelle est usiné un filetage et à accroître localement la masse du fond avant afin d'y disposer un filetage correspondant. L'opération de vissage du fond avant sur l'enveloppe se fait sans dégagement de calories, ainsi tout risque d'inflammation accidentelle du propulseur se trouve exclu. L'inconvénient majeur de ce procédé de fermeture des propulseurs à poudre réside dans le fait que l'indice constructif Fm du propulseur n'est pas optimal. La masse de métal nécessaire pour disposer les deux filetages n'est nullement négligeable par rapport à la masse à vide Mo du propulseur, et le volume emprunté par cette masse de métal réduit la masse utile Mp de propergol qui peut être emmagasinée dans la chambre de combustion. La figure 1 est une vue simplifiée en coupe d'un propulseur à poudre de construction conventionnelle. Ce propulseur 1 est constitué par un bloc de poudre 2 placé à l'intérieur d'une chambre de combustion métallique comprenant: une enveloppe cylindrique 3, un fond arrière 4 et un fond avant 5, lequel porte la tuyère d'éjection 6 des gaz de combustion du bloc de poudre. Le propulseur I représenté se rapporte à un propulseur à combustion radiale, dans lequel, l'allumeur 7 est supporté par le fond arrière 4 de l'enceinte. La forme la plus usuelle de construction d'un propulseur à poudre consiste à réaliser séparément l'enveloppe cylindrique 3 et les fonds arrière 4 et avant 5. Puis, l'enveloppe cylindrique et le fond arrière sont assemblés par un cordon de soudure circulaire 8 pour former une enceinte ouverte.L'intérieur de cette enceinte reçoit un revêtement inhibiteur 9, ou "liner", et alors, la charge de propergol solide est coulée dans l'enceinte pour fournir le bloc de poudre 2. L'opération finale consiste à visser le fond avant sur une couronne massive 10, laquelle couronne a été préalablement rapportée par soudure sur l'enveloppe cylindrique, lors des opérations de fabrication de celle-ci. La chambre de combustion est construite en un acier à haute résistance et notamment l'enveloppe cylindrique est obtenue par l'enroulement hélicoïdal d'une bande de tôle mince soudée bord à bord. La figure 2 se réfère à la figure 1, elle montre le moyen d'assemblage de l'enveloppe cylindrique et du fond avant portetuyère du propulseur. La paroi de l'enveloppe cylindrique 3 est une tôle mince capable de résister à la pression de combustion du bloc de poudre et le fond avant 5 est un élément semi-sphérique d'épaisseur également faible. La couronne 10 est un élément massif rapporté sur l'extrémité de l'enveloppe cylindrique 3 par un cordon de soudure 11. La face interne de cette couronne comporte un filetage 12 et la périphérie du fond avant comporte une excès de matière incluant un filetage adapté à celui de la couronne 10 L'étanchéité de la chambre de combustion est assurée par un joint torique 13, placé dans une gorge annulaire localisée dans la couronne de l'enveloppe cylindrique. On décrira maintenant les détails techniques et les différentes opérations du procédé de fermeture d'un propulseur à poudre selon l'invention. Si les extrémités des deux éléments métalliques que l'on souhaite assembler sont en contact intime, une ligne de fusion, avec pénétration totale du métal peut être obtenue avec un apport de calories relativement faible, lorsque cet apport de calories est fourni par l'absorption d'un faisceau d'énergie laser focalisé sur la ligne de contact, et que cette ligne de contact défile avec une vitesse constante.Cependant, en présence des corps étrangers, tels que, le revêtement inhibiteur et le bloc de poudre, les vapeurs éventuellement dégagées par ces corps sous l'effet de l'élévation locale de température, ne doivent pas diffuser dans l'interstice résiduel des deux éléments en contact, si l'on veut obtenir une ligne de soudure homogène qui ne dégrade pas la résistance à la rupture de la chambre de combustion. D'un autre côté, cette élévation locale de température ne doit en aucune façon provoquer l'inflammation accidentelle de la charge de propergol. Le processus de fusion filiforme d'un matériau soumis à un faisceau laser de puissance surfacique élevée, résulte de l'absorption de l'énergie du faisceau laser par le matériau. La figure 3, à titre illustratif, reproduit une courbe expérimentale qui montre, pour un acier particulier et une longueur d'onde laser donnée, le coefficient d'absorption Co du matériau en fonction de la puissance surfacique P5 (W/cm2) du faisceau d'énergie laser. Cette courbe permet de considérer trois régions distinctes, délimitées par les températures de fusion Tf et de vaporisation Ty du matériau: - la région 1 correspond aux processus de traitement thermique. - la région 2 correspond au processus de fusion du métal et de soudure de deux matériaux de propriétés physiques sensiblement identiques. - la région 3, correspond au processus d'évaporation du métal, mis en oeuvre dans la découpe des matériaux. La forme de cette courbe dépend des propriétés physiques du métal, notamment de sa conductibilité thermique, mais elle peut également varier en fonction de "l'angle de tir" du laser, èest-à-dire l'angle d'incidence du faisceau avec la normale à la surface du matériau. Les propriétés du matériau doivent être prises en compte si l'on souhaite obtenir la fusion du matériau avec un apport minimal de calories. De plus si les deux éléments à souder sont réalisés en des matériaux différents, il faut vérifier la compatibilité de leurs propriétés physiques respectives. La figure 4 est une vue en coupe, qui montre la zone de contact des deux éléments: l'enveloppe cylindrique 3 et le fond avant porte-tuyère 5. Ces deux éléments 3 et 5 sont séparés de la charge de propergol 2 par le revêtement inhibiteur 9, décrit précédemment, et ils sont en contact suivant la ligne 20 qui représente l'interstice résiduel entre les éléments. L'extrémité de l'élément 3 comporte un excès de matière 3a permettant d'usiner un épaulement sur lequel vient s'emboiter l'élément 5. Les deux élé ments 3 et 5 sont soumis à l'action d'une force de poussée F qui assure un contact intime des surfaces en regard. Le faisceau A d'énergie laser est focalisé en Pf dans la paroi des éléments. Conjointement, un flux de gaz, est dirigé sur la ligne de fusion pour éviter toute oxydation du métal. Les deux éléments 3 et 5 sont mis en rotation autour de leur axe longitudinal et le faisceau laser est déclenché à intervalles réguliers afin de pointer la ligne de contact dans le but de consolider l'accostage des éléments9 et d'éviter ultérieurement la déformation éventuelle de la ligne de contact. L'opération de pointage consiste à réaliser des points de soudure de faible diamètre avec pénétration partielle du métal. L'opération de fusion continue de la ligne de contact peut être alors entreprise, en déclenchant le faisceau d'énergie laser pendant au moins une revo- lution complète des éléments. Expérimentalement on a vérifié que la zone de fusion du métal, délimitée sur la figure par les pointillés, était parfaitement homogène. La profondeur h de la zone de fusion peut être maintenue sensiblement égale à l'épaisseur e des éléments. La largeur L de la zone de fusion du métal est sensiblement égale à la profondeur h de pénétration dans le métal. La surépaisseur locale E de l'élément 3, peut être limitée à deux fois la profondeur h de la zone de fusion. On a pu également mesurer que la diffusion par conductibilité thermique des calories de la zone de fusion vers la charge de propergol était suffisamment faible, pour que localement la température du propergol 2 ait une valeur notablement inférieure à la températeur d'inflammation du bloc de poudre. La figure 5 est une vue en coupe partielle qui montre une forme de construction du moyen de fermeture d'un propulseur à poudre. L'enveloppe cylindrique 3 comporte, à son extrémité un excès de matière 3a permettant d'usiner un épaulement externe, qui en plus d'améliorer l'accostage de l'enveloppe cylindrique au fond avant 5, obstrue l'interstice situé sur la ligne de contact 20 de ces deux éléments. Le fond avant 5 comporte un épaulement interne adapté à l'épaulement externe de l'enveloppe cylindrique, et il est recouvert d'un matériau Sa à faible érosion tel que le graphite. L'extrémité de l'enveloppe cylindrique 3 comporte un rétreint 17 dont la fonction est de permettre une certaine dilation de la charge de propergol 2. Enfin, le revêtement inhibiteur 9, recouvre la surface interne de l'enveloppe cylindrique, le rétreint 17 et partiellement l'élément en graphite Sa. Les matériaux de construction de l'enveloppe cylindrique et du fond avant doivent avoir des propriétés physiques similaires. On peut remarquer l'intérêt d'utiliser des matériaux dont la résistance à la rupture est élevée, en effet, l'épaisseur des éléments est alors plus faible, ce qui réduit proportionnellement l'apport de calories nécessaire pour assurer la soudure de ces éléments. Les figure 6a et 6b montrent une installation industrielle destinée à la fermeture des propulseurs à poudre, selon le procédé de soudure par absorption d'un faisceau d'énergie laser. La figure 6a est une vue verticale d'un atelier équipé 100 ; cet atelier comprend une première 101 et une seconde 102 cellules contigües, lesquelles cellules sont physiquement isolées par une cloison résistante 103. La première cellule renferme le générateur d'onde laser 110 lequel délivre un faisceau d'énergie laser qui se propage horizontalement suivant l'axe 105, dans la seconde cellule à travers une ouverture obturable 104 disposée dans la cloison 103 d'isolement des cellules. Le milieu actif du générateur d'onde laser est constitué par une enceinte dans laquelle circule un mélange de CO2, N2 et He et la longueur d'onde correspondante est 10,6 /um. L'émission du faisceau laser est continue, toutefois elle peut être modulée, ou pulsée, ou encore son niveau de puissance peut être programmé suivant une loi donnée. La puissance de sortie du générateur d'onde laser doit se situer dans la plage de 50w à 5Kw. Très souvent, le générateur laser incorpore une source laser auxiliaire de faible puissance qui émet dans la région visible du spectre électromagnétique afin de matérialiser le point d'impact du faisceau d'énergie laser. Dans le but d'assurer la sécurité des opérateurs, le générateur d'onde laser est placé sur un bati surélévateur 120 de construction extrèmement rigide. La seconde cellule 102 renferme une table l#0 solidement ancrée dans le sol de l'atelier et sa construction est renforcée afin de pouvoir résister à la poussée du propulseur en cas d'allumage accidentel du bloc de poudre. Cette table 160 est destinée à supporter le propulseur 1 et permet de positionner celui-ci horizon talement et longitudinalement, et, de lui imprimer une vitesse de rotation parfaitement régulée. Le bras horizontal 125 d'une potence supporte un réflecteur 130 qui permet de dévier à la verticale le faisceau d'énergie laser 115 afin de diriger celui-ci sur la tablesupport 160. Le bras vertical 135 de la potence est muni d'une structure 140 qui porte les éléments optiques 1459 et la buse de soudage 150.La distance relative de la lentille focalisatrice par rapport au propulseur peut être réglées afin d'amener la tache focale du faisceau d'énergie laser sur la ligne de contact des éléments à souder. Cette seconde cellule, en cas d'inflammation accidentelle du propulseur 1, comporte dans lune de ces parois une large ouverture escamotable (non représentée) afin de limiter la surpression du bâtiment. De plus, la cloison d'isolement 103 des deux cellules comporte un hublot 1059 permettant aux opérateurs de suivre visuellement le déroulement des opérations du positionnement précis de la ligne de contact des éléments par rapport à la tache focale du faisceau d'énergie laser. A cet effet9 les opérateurs disposent dtun réticule (non représenté) permettant de vérifier que la ligne de contact du fond avant et de l'enveloppe du propulseur est parfaitement centrée sur la tache focale au cours d'une révolution complète du propulseur. La figure 6b est une vue horizontale de l'atelier 100, qui montre plus particulièrement les équipements auxiliaires. Le générateur d'onde laser 110, est connecté d'une part à une baie 111 d'alimentation électrique à haute tension et3 à un échangeur thermique 112, d'autre part. Un panneau 113 permet de régler les débits d'alimentation en gaz du générateur d'onde lasers les sources des différents gaz étant fournies par des bouteilles 114. Une console 119, rassemble: les commandes nécessaires au fonctionnement du générateur d'onde laser et du banc de positionnement du propulseur, et les commandes destinées à assurer la sécurité des personnels. L'ouverture 104 dans la cloison d'isolement 103 peut être obturée par un volet 116, lequel permet d'éviter toute diffusion éventuelle des gaz de combustion du propulseur en cas d'accident. Un second volet 117 muni d'une charge dissipative 118 permet par dissipation d'énergie d'interrompre le transfert du faisceau d'énergie laser entre la première cellule et la seconde cellule de l'atelier. Dans la seconde cellule 102, sur l'axe longitudinal du propulseur 1 est disposé un mur de renvoi 160 permettant en cas d'accident de dévier le dard du propulseur vers le fond de la cellule. La figure 7 est une vue en coupe qui représente une forme de construction de la buse de soudage 150 indiquée précédemment. Cette buse de soudage est constituée par un corps de révolution 151, d'axe Z-Z', et elle comprend un canal d'entrée 152, dont le diamètre interne ~L est sensiblement supérieur au diamètre du faisceau d'énergie laser 115 et un canal de sortie 153 de diamètre réduit Le canal d'entrée et le canal de sortie sont reliés par un élément tronconique où est disposée une lentille focalisatrice 155 dont la fonction est de former la tache focale Pf à l'extérieur du canal de sortie. Selon la distance focale de la lentille focalisatrice, le diamètre de la tache focale Pf peut être fixé entre 60 et 300 lum, tandis que le diamètre du faisceau d'énergie laser est constant et de l'ordre de 40 mm.Le corps 151 de la buse de soudage comporte un orifice d'alimentation en gaz 156 qui est relié à une source d'un gaz neutre (non représentée), par exemple, à une source d'argon (Ar) sous pression qui fournit un courant gazeux de débit contrôlé qui diffuse par le canal de sortie 153 de la buse. La fonction de ce courant gazeux est d'éviter l'oxydation du métal en fusion. Selon une variante de construction de l'équipement laser, la buse de soudage et la lentille focalisatrice ne sont pas solidaires mécaniquement afin de permettre leurs déplacements indépendants. La figure 8 représente une variante de fermeture d'un propulseur à poudre. Comme décrit précédemment, les propriétés physi ques des matériaux de construction des éléments à souder doivent être sensiblement identiques si l'on veut obtenir une zone de fusion uniforme. La masse à vide M du propulseur étant un élément o critique, il est avantageux de construire l'enveloppe cylindrique 3 en un matériaux à très haute résistance mécanique de rupture, par exemple, en un acier tel que l'acier "MARAGING't. Par contre, il devient coûteux de construire le fond 5 de forme semi-sphérique dans un matériau identique. Le problème peut-être résolu par l'utilisation d'un cadre annulaire 15, réalisé en acier "MARAGING", qui s'encastre dans un épaulement réalisé à la périphérie du fond 5. D'autre part, l'enveloppe cylindrique peut-etre obtenue par le procédé de fluotournage des métaux, laquelle permet, en outre, de fournir un excès de matière 3a en extrémité. Cet excès de matière 3a est utilisé d'une part, pour usiner un épaulement sur lequel s'emboîte le cadre 15, et d'autre part, pour isoler thermiquement le bloc du propergol 2 de la zone de fusion du métal localisé sur la ligne de contact 20. L'étanchéité de la chambre de combustion est assurée par un joint circulaire 16 qui est placé dans une gorge usinée dans l'épaulement périphérique du fond 5.Comme montré sur cette figure 8, le cadre 15 peut être également utilisé pour assurer la liaison avec le tronçon adjacent de l'engin équipé d'un tel propulseur. A cet effet, le cadre 15 comporte un crantage 21 destiné à recevoir un arceau d'accouplement. Le procédé selon l'invention est applicable à des propulseurs à poudre de tailles notablement différentes puisque seules les dimensions du banc de positionnement des propulseurs doivent être adaptées aux dimensions des propulseurs les plus importants et que les grandeurs des paramètres de réglages du niveau de puissance du faisceau d'énergie laser et la vitesse linéaire de soudure peuvent être facilement déterminées. L'épaisseur de la paroi de l'enveloppe cylindrique est de l'ordre de un à deux millimètres selon les propriétés mécaniques du matériau de construction, dans le cas d'un propulseur fournissant une poussée de 25 000 daN et des durées de combustion d'une dizaine de secondes.Pour un tel propulseur l'apport d'énergie nécessaire pour réaliser la soudure des éléments est de l'ordre de 35 jouleslmm, ce qui exclut tout danger d'inflammation du propulseur lors de l'opération de fermeture de la chambre de combustion. On voit maintenant plus clairement les avantages fournis par l'invention ; ainsi l'indice constructif Fm du propulseur peut être accru d'au moins 10%, ce qui, par voie de conséquence augmente notablement les performances de vitesse de l'engin. L'invention n'est pas limitée dans ses caractéristiques par la forme des éléments et la nature des matériaux qui sont données à titre indicatif mais nullement limitatif. D'autre part, selon la technique de chargement du propergol, le fond porte-tuyère est fixé sur l'enveloppe du propulseur et l'opération de fermeture du propulseur chargé est réalisé avec le fond arrière. D'une façon générale l'invention trouve son application dans la fabrication des propulseurs à poudre de performances élevées. REVENDICATIONS 1. Procédé de fermeture d'un propulseur à poudre comprenant une charge d'un propergol solide (2) qui est placée dans une chambre de combustion constituée par une enveloppe cylindrique métallique (3) fermée par un premier fond avant 2. Procédé de fermeture d'un propulseur à poudre selon la revendication i, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations successives suivantes:: a) - le montage de la chambre de combustion sur un banc (160) équipé d'un moyen de rotation et d'un moyen de translation selon l'axe longitudinal de cette chambre de combustion, b) l'accostage par emboitement du second fond (5) et de l'enveloppe cylindrique (3) de la chambre de combustion, c) - l'application d'une force de poussée longitudinale (F) sur ce second fond 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une opération supplémentaire consistant à la suite de l'opération de centrage des deux éléments à pointer ceux-ci, en leur imprimant un mouvement de rotation et en déclenchant le faisceau d'énergie laser à intervalles réguliers. 4. Installation industrielle pour la mise en oeuvre du procédé de fermeture d'un propulseur selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un atelier (ion) ayant une première (101) et une seconde (102) cellules contigües qui sont physiquement isolées par une cloison commune (103) comportant une ouverture destinée à fournir un libre passage au faisceau d'énergie laser (115), la première cellule (101) renfermant le générateur d'onde laser (110) ses équipements auxiliaires et les commandes de l'installation et la seconde cellule (102) renfermant un banc (160) du positionnement du propulseur (1), une buse de soudage (150) et ses moyens de couplage optique (145) au faisceau d'énergie laser (115). 5 Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le faisceau d'énergie laser (115) est indirectement transmis à la buse de soudage (150) par l'intermédiaire d'un réflecteur (130) situé à la verticale du banc de positionnement (120) du propulseur. 6. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la seconde cellule (102) de l'atelier est munie d'une ouverture escamotable, sous l'effet d'un accroissement de pression éventuel provoqué par l'inflammation accidentelle du propulseur. 7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un mur de renvoi (160) est disposé obliquement à l'axe longitudinal du propulseur et en regard du fond arrière porte-tuyère de ce propulseur. 8. Propulseur à poudre comprenant une charge de propergol qui est Placée dans une chambre de combustion constituée par une enveloppe cylindrique (3) fermée par un premier fond (4) et par un second fond (5 > , caractérisé en ce que la liaison mécanique entre l'enveloppe cylindrique (3) et l'un des deux fonds résulte de la fusion filiforme de la ligne de contact (20) de ces deux éléments. 9. Propulseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enveloppe cylindrique (3) est obtenu par fluotournage d'une ébauche en un matériau ayant une résistance de rupture élevée, tel que l'acier "MARAGING". 10. Propulseur selon la revendicàtion 9, caractérisé en ce que, l'enveloppe cylindrique (3) étant obtenue par fluotournage, I'ex- trémité de cette enveloppe en contaet avec le fond soudé par fusion filiforme de sa ligne de contact comporte un excès de matière (3a) dans lequel est usiné un épaulement externe. 11. Propulseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fond soudé (5) est formé de deux éléments: un premier élément de forme semi-sphérique en contact avec l'enveloppe cylindrique (3) et un second élément (15) constitué par un cadre annulaire soudé à l'enveloppe cylindrique d'une part, et emboité à la périphérie du premier élément d'autre part. 12. Propulseur selon la revendication 11 destiné à la propulsion d'un missile, caractérisé en ce que la partie externe du cadre annulaire (15) est muni d'un moyen d'accouplement (21) au tronçon adjacent du missile.