Brevet FR2584456A1 — publié le 19870109

Dispositif de fermeture temporaire d'un orifice interne d'un propulseur L'invention concerne un dispositif de fermeture destiné à être placé à l'amont de la structure d'une chambre de combustion d'un propul- seur, ce dispositif comportant un bouchon éjectable qui obture l'ori- fice interne situé en amont de la chambre de combustion. De tels dispositifs sont utilisés pour obturer un orifice interne avant le fonctionnement et durant le fonctionnement de la chambre de combustion située en aval dans laquelle est généralement placé un chargement propulsif réalisé en propergol solide. A l'amont de tels dispositifs de fermeture temporaire il est connu de placer soit une entrée d'air de statoréacteur, soit une autre chambre de combustion qui peut notamment recevoir un chargement propulsif de croisière, un chargement propulsif de surpoussée ou un chargement autopyrolisable générant un gaz combustible introduit dans la chambre de combustion aval du propulseur. De tels dispositifs de fermeture temporaire d'un orifice interne d'un propulseur en utilisant un bouchon éjectable sont par exemple décrits dans les brevets FR 2 177 880, US 3,879,942 ou DE 24 58 180 qui dé- crivent notamment des propulseurs à propergols solides dont la struc- ture qui forme le corps du propulseur détermine deux chambres de combustion, le brevet US 3,879,942 comportant la description de l'une des applications possibles aux statoréacteurs qui est schématiquement représentée à la figure 8 de ce brevet. Les dispositifs de fermeture temporaire doivent permettre une iso- lation totale et permanente dans toutes les conditions, y compris des conditions anormales non destructrices telles que chute ou défaut d'operculage de la tuyère, et par exemple le maintien en place d'un dispositif de fermeture par une pression de quelques bars dans la chambre de combustion arrière, n'offre pas une fiabilité suffisante pour être retenue sur des missiles performants. Les dispositifs de fermeture doivent par ailleurs présenter un poids réduit et un minimum d'encombrement et toutes les sécurités latérales ou axiales comportant des articulations ou des guidages en translation alourdissent le dispositif et restreignent le volume disponible de la chambre de combustion située en aval du missile. De plus, l'éjection des bouchons d'obturation de tous les dispositifs de fermeture temporaire actuel- lement connus nécessitent une surpression importante en amont, et si cette surpression ne présente que peu d'inconvénients lorsque de part et d'autre de ce dispositif sont disposées deux chambres de combustion fonctionnant l'une après l'autre, il n'en est pas de meme lorsque la chambre située en amont est utilisée comme chambre de surpoussée finale d'un missile, ou lorsqu'en amont est située une entrée d'air de statoréacteur. Dans ces applications particulières il est alors très important que non seulement l'éjection des bouchons s'effectue avec une surpression minimale à l'amont, mais qu'en plus l'éjection se produise dans des conditions les plus constantes possibles, l'instant précis d'éjection étant très important notamment lorsqu'un allumeur met a feu un chargement propulsif situé en amont, car le gradient de montée en pression est alors de l'ordre de 500 A 1000 bars par se- conde, et dans ces applications l'utilisation de systèmes de sécurité par élasticité ne permet que très difficilement une reproductibilité d'éjection des bouchons. La présente invention a pour but d'obtenir l'éjection des bouchons d'obturation des dispositifs de fermetures temporaires sous l'effet d'une surpression minimale à l'amont, ou mame en l'absence de toute surpression, tout en présentant une sécurité absolue de la fermeture de ce bouchon avant et durant le fonctionnement de la chambre de combustion située en aval, et l'invention se caractérise en ce que d'une part un élément frangible solidarise ce bouchon à cette struc- ture, et que d'autre part ce bouchon comporte une portée située à une distance déterminée d'une butée longitudinale amont de cette struc- ture. Plus particulièrement, l'élément frangible non calibré se rompt sous une pression aval inférieure au tiers de la pression de combustion dans la chambre aval et la distance longitudinale entre la portée du bouchon et la butée amont est supérieure à l'épaisseur longitudinale de l'élément frangible. Préférentiellement l'élément frangible se rompt par cisaillement et il peut être constitué notamment par une couronne périphérique de cisaillement qui appartient au bouchon éjectable, ou par au moins une goupille transversale qui traverse ce bouchon éjectable. La couronne périphérique de cisaillement peut être réduite par entailles à un ensemble de languettes périphériques, et si le bouchon est réalisé en deux parties vissables cette couronne périphérique peut alors appartenir à la structure du propulseur, notamment lorsqu'une virole solidaire de cette structure est inter- posée entre cette structure et le bouchon éjectable, la couronne périphérique étant alors usinée dans cette virole. Avantageusement cette virole et le bouchon sont réalisés en matériau ablatable dans les conditions thermodynamiques qui règnent dans les chambres de combustion çes propergols solides, le point de fusion de ces maté- riaux pouvant être compris entre 600 et 1 200 C et pouvant donc être réalisés en alliages à base d'aluminium. Avantageusement le bouchon est creux et présente une section longitu- dinale en forme de U dont le fond est situé vers la chambre de combus- tion, la partie tubulaire de ce bouchon étant réduite à au moins trois bras qui assurent le guidage du bouchon dans l'orifice de la structure du propulseur et qui peuvent recevoir les goupilles de cisaillement. Selon un premier mode de réalisation le bouchon a la forme générale d'un c8ne de révolution dont la grande base est située à l'aval, une telle forme permettant une éjection du bouchon prati- quement sans aucune surpression en amont lorsque le demi-angle au sommet du cône est supérieur à l'angle de frottement des surfaces latérales des cônes du bouchon et de la structure du propulseur. Selon un second mode de réalisation le bouchon a la forme générale d'un cylindre dont la surface latérale présente un très bon état de surface permettant une éjection avec un minimum de frottement. Plus particulireme nt, la face aval du bouchon éjectable est recouverte par une protection thermique sur toute sa surface, cette protection thermique présentant un rebord périphérique qui peut former un joint à lèvre lorsque cette protection est réalisée en matériau non rigide. Les avantages obtenus grace A cette invention consistent essentiel- lement en ce que l'éjection du bouchon du dispositif de fermeture temporaire est obtenue sous l'effet d'une surpression minimale, à l'amont, qui est bien déterminée et reproductible, ce qui permet de prévoir exactement les interactions sur les éléments du missile, et cela tout en permettant une sécurité absolue puisqu'il est possible d'utiliser un élément frangible qui est suffisamment résistant et qui n'a pas besoin d'être calibré avec précision pour se rompre dans des conditions bien déterminées, puisque la rupture de cet élément frangible est provoquée par la mise en pression initiale de la chambre de combustion située A l'aval du dispositif, et non par la surpression qui s'établit ultérieurement en amont. De plus le dispo- sitif de fermeture temporaire selon l'invention présente un encom- brement et un poids très réduits qui facilitent son intégration dans les missiles, qui augmentent la dégradabilité du bouchon lors de son éjection dans la chambre de combustion située en aval, et qui faci- litent l'éjection finale de ce bouchon au travers de la tuyère arrière du missile. Dans ce qui suit, l'invention est exposée plus en détail A l'aide d'un dessin dont chacune des deux figures représente un mode parti- culier d' exécution: - la figure 1 correspond à une demi-coupe axiale d'un premier dis- positif de fermeture temporaire d'une entrée d'air de statoréac- teur, située au niveau du raccord de cette entrée d'air A la chambre principale de combustion du statoréacteur, - la figure 2 correspond à une demi-coupe axiale d'un second dis- positif de fermeture temporaire de l'orifice d'injection de gaz combustible dans un missile dont la chambre de combustion aval comporte un bloc générateur de gaz oxydants à la périphérie et un chargement propulsif d'accélération au centre. Selon la figure 1, l'orifice interne à obturer temporairement est une canalisation (11) d'entrée d'air d'un statoréacteur qui est raccordée à la structure du propulseur dont la paroi transversale (1) sépare la chambre de combustion (2) située en aval des équipements embarqués (12) situés en amont. La partie centrale de cette paroi est usinée selon un cône de révolution (5) dont la grande ouverture orientée vers l'aval comporte deux chambrages cylindriques successifs, le chambrage de plus grand diamètre étant fileté pour recevoir une bague (13) à surface interne conique qui enserre la couronne périphérique (4) du bouchon éjectable (3). Le plus petit chambrage présente une arête vive au contact de cette couronne qui se raccorde sur sa face aval au corps du bouchon allumeur au moyen d'une entaille circulaire d'un diamètre légèrement plus faible que le diamètre de ce petit cham- brage. La profondeur axiale de ce chambrage est légèrement supérieure a la distance axiale déterminée qui existe entre la butée longitu- dinale (5) formée par le c8ne interne de la structure (1) et la portée de ce bouchon (3) qui est formée par le c8ne externe du bou- chon, cette distance axiale correspondant à trois fois l'épaisseur de la couronne périphérique (4) de cisaillement. La jupe du bouchon conique comporte une gorge périphérique dans laquelle est placée un joint torique (7) placé au contact du c8ne interne de la structure, et la face aval du fond (3a) de ce bouchon est recouverte par une protection thermique (6) moulée dont le bord est conformé en joint à lèvre permettant le déplacement du bouchon jusqu'au contact du cône interne de la structure (1), la paroi traversale de cette structure et la bague (13) réalisée en matériau réfractaire étant elles-mêmes recouvertes par la protection thermique (14). Lors de la mise à feu du chargement propulsif d'accélération contenu dans la chambre de combustion (2), lorsque la pression atteint envi- ron le tiers de la pression nominale de combustion, la couronne périphérique (4) est cisaillée et le bouchon (3) est plaqué contre le cône interne (5) de la structure qui constitue une butée, et la compression du joint torique (7) assure une sécurité supplémentaire d'étanchéité. Le bouchon éjectable (3) reste dans cette position d'obturation tant que la pression de combustion en aval subsiste, mais dès la fin de cette combustion dans la mesure o le demi-angle du cône est supérieur a l'angle de frottement des deux surfaces coniques la simple force de rappel élastique du joint torique (7) permet de replacer le bouchon sensiblement dans sa position initiale sans qu'il ne soit besoin d'aucune surpression en amont, et dès que les orifices d'admission d'air extérieurs au missile sont dégagés de leur protection aérodynamique, le bouchon (3) est immédiatement ejecté par la tuyère arrière du missile après avoir traversé la chambre de combustion (2). Selon la figure 2, l'orifice interne A obturer temporairement cor- respond à la sortie d'un générateur pyrotechnique de gaz combustibles dont la composition autopyrolysable n'est mise A feu qu'après la combustion d'un chargement propulsif d'accélération placé dans le canal central d'un bloc autopyrolysable générateur de gaz oxydants, dont la réaction est amorcée automatiquement à la fin de la combus- tion du chargement d'accélération, et qui est calé dans la chambre de combustion (22) située en aval du générateur pyrotechnique de gaz combustibles. La structure (21) du corps du propulseur dans laquelle est ménagée la sortie du générateur pyrotechnique forme un convergent prolongé par un col cylindrique de grande largueur dont la partie terminale est filetée pour permettre la fixation d'une virole in- terne (31) qui prend appui sur ce convergent. Cette virole est réa- lisée en un matériau ablatable tel qu'un alliage A base d'aluminium et sa partie conique externe en appui sur le convergent est muni d'une gorge périphérique dans laquelle est comprimé un joint torique (32), tandis que sa partie conique interne se termine par une butée axiale (25) destinée à limiter le déplacement longitudinal du bouchon éjectable (23). Ce bouchon est creux et présente une section longitudinale en forme de U dont le fond (23a) est situé vers la chambre de combustion (22) et dont la partie tubulaire est réduite à quatre bras de guidage dont deux bras opposés sont traversés par une goupille de cisaillement (24) qui pénètre dans la virole périphé- rique (31) solidaire de la structure (21) du corps du propulseur et qui se termine par une étanchéité. Au voisinage du fond (23a) du bouchon s'étend un bourrelet intérieur périphérique et une gorge extérieure dans laquelle est placé un joint torique (27), la face aval de ce fond étant recouverte par une protection thermique (26) qui présente un bord dont l'épaisseur est supérieure à l'épaisseur de la protection thermique (33) qui recouvre la structure (21) et l'ex- trémité aval de la virole (31). Lors de la mise à feu du chargement propulsif d'accélération contenu dans la chambre de combustion (22) lorsque la pression atteint envi- ron la moitié de la pression maximale de combustion, la goupille (24) est cisaillée et le bouchon (23) est déplacé vers l'amont jusqu'à ce que les extrémités des quatre bras (23b) qui constituent la portée de ce bouchon arrivent au contact de la butée axiale (25). Le bouchon périphérique reste dans cette position d'obturation durant toute la durée de combustion du chargement d'accélération, et lorsque la pression décroit dans la chambre de combustion aval (22) lors de la transition de la combustion initiale à la pyrolyse du bloc générateur de gaz oxydants, un allumeur secondaire assure la mise à feu du générateur pyrotechnique de gaz combustibles en amont du dispositif de fermeture temporaire, et dès que la pression en amont excède de 2 à 3 bars la pression en aval, la résistance au frottement du joint (27) est dépassée et le bouchon (23) est éjecté dans la chambre de combus- tion (22) puis au travers de la tuyère du missile. Revendications 1. Dispositif de fermeture temporaire d'un orifice situ6 A l'amont de la structure (1-21) d'une chambre de combustion (2-22) d'un propul- seur, comportant un bouchon 6jectable (3-23), caractérisé en ce que d'une part un élément frangible (4-24) solidarise ce bouchon à cette structure, et que d'autre part ce bouchon comporte une port6e situ6e à une distance d6terminée d'une butée longitudinale amont (5-25) de cette structure. 2. Dispositif selon la revendication 1, caract6risé en ce que l'élé- ment frangible (4-24) se rompt sous une pression aval inf6rieure au tiers de la pression de combustion dans la chambre (2-22). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caract6risé en ce que la distance longitudinale entre la port6e du bouchon et la butée amont (5-25) est supérieure à l'épaisseur longitudinale de l'é61&ément frangible. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément frangible est constitué par une couronne périphé- rique (4) de cisaillement qui appartient au bouchon éjectable (3). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caract6ris6 en ce que l'élément frangible est une goupille (24) transversale. 6. Dispositif selon la revendication 1, caract6risé en ce qu'une virole (31) solidaire de la structure (21) du propulseur est inter- pos6e entre cette structure et le bouchon 6jectable (23). 7. Dispositif selon la revendication 6 caract6ris6 en ce que la virole (31) et le bouchon (23) sont réalisés en matériau ablatable. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bouchon est creux et présente une section longitudinale en forme de U dont le fond (3a-23a) est situé vers la chambre de combustion (2-22). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la partie tubulaire du bouchon (23) est réduite à au moins trois bras (23b) de guidage. 10. Dispositif selon l'une des revendicatons 1 ou 4, caractérisé en ce que le bouchon (3) a la forme générale d'un cône de révolution dont la grande base est située à l'aval. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que le bouchon (23) a la forme générale d'un cylindre. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face aval du bouchon (3-23) est recouverte par une protection ther- mique (6-26).