Brevet FR2624581A1 — publié le 19890616

Isolation thermique multicouche Pour véhicules spatiaux L'invention concerne une isolation thermique multicouche pour l'isolation de véhicules spatiaux, comprenant des paquets de couches poreuses enveloppées, par exemple des couches en fibres céramiques. On connait déjà différents modes de réalisation d'isolations thermiques multicouches, par exemple pour des véhicules dits de rentrée. Par rapport à des isolations monocouches, elles fournissent une isolation thermique sensiblement supérieure tout en ayant le meme poids. Les applications connues jusqu'à présent concernent la pression stationnaire, par exemple lors de l'utilisation au sol ou dans le vide. Lors de la rentrée de véhicules spatiaux, la pression dans une isolation multicouche se modifie en fonction de l'altitude de vol et la conduction thermique dans les gaz contenus dans l'isolation multicouche augmente. Pour une altitude de vol déterminée et une i 5 sélection déterminée des couches, la conduction thermique dans les gaz ne contribue par exemple que pour moitié à la conduction thermique totale. Pour des trajectoires de rentrée typiques, la valeur maximale de l'échauffement aérodynamique est atteinte à des altitudes de vol relativement grandes (environ 75 à 65 km) et à des pressions basses correspondantes, alors qu'à de faibles altitudes de vol et à des pressions supérieures le revêtement extérieur est beaucoup moins chauffé voire meme refroidi. Or, tous ces modes de réalisation non seulement nécessitent une 2 5 dépense en poids relativement importante mais ils augmentent en plus considérablement les dimensions de l'engin spatial, c'est-à-dlre que l'application de couches relativement épaisses sur le revêtement extérieur de la cellule augmente considérablement le diamètre de l'engin ou diminue l'espace intérieur disponible. Par le brevet US-4 344 591 on connaît un système d'isolation thermique multicouche qui se compose de panneaux en sandwich à - 2- structure en nid d'abeilles et de feuilles métalliques ou'de fibres. Là aussi, le poids et les dimensions sont trop importants. La présente invention a pour but de créer une isolation thermique multicouche du type cité au début, qui, dans des conceptions de bouclier thermique pour des corps rentrant dans l'atmosphère terrestre, permet non seulement d'obtenir une réduction de poids, en supprimant la conduction dans les gaz à de grandes et moyennes altitudes de vol, et une diminution de la trahsmission de chaleur par rayonnement, mais qui dégage lors de la rentrée transitoire, à de faibles altitudes de vol, la chaleur emmagasinée dans le système de protection thermique de préférence vers l'extérieur. Ce but est atteint grace à une isolation multicouche comprenant des paquets de couches poreuses enveloppées, par exemple des couches en fibres céramiques, dans laquelle les charges de fibres de chaque paquet d'isolation multicouche sont séparées par des feuilles à haute réflexion perméables au gaz et le diamètre des fibres diminue et/ou la densité de la couche de fibres augmente dans les couches de fibres de l'extérieur (face exposée à l'écoulement du véhicule 2 0 spatial) vers l'intérieur. Selon des modes de réalisation et aspects particuliers, non limitatifs, de l'invention: 1) on peut choisir des matériaux de fibres d'un poids volumique minimal en fonction de la température d'utilisation admissible des 2 5 matériaux de fibres employés, de préférence ceux qui possèdent, sur le coté le plus chaud pour des températures très élevées - par exemple d'environ 1100 C -, une part plus importante de fibres A1203 et sur le côté le plus froid, une part plus importante de fibres SiO2, 2) dans les couches de fibres il existe des directions préférentielles d'orientation des fibres, par exemple sur le côté le plus froid, des orientations dans des plans perpendiculaires à la hauteur de construction du paquet, 3) les fibres céramiques utilisées pour les couches de fibres peuvent etre entièrement ou partiellement recouvertes d'une couche hautement réflectrice, 4) des particules hautement réfléchissantes peuvent etre. enrobées dans les couches de fibres en fibres céramiques d'une faible densité, ) on peut utiliser comme feuilles à haute réflexion: a) des feuilles métalliques d'une épaisseur minimale disponible et applicable, par exemple des feuilles d'aluminium épaisses de 5 um jusqu'à des températures d'environ 550 C, des feuilles d'or ou de cuivre épaisses de 5 um ou des feuilles de nickel épaisses de 25 pm jusqu'a environ 900 C et des feuilles T.Z.M. recouvertes de platine épaisses de 30 ym jusqu'à des températures d'environ 1350'C, b) des feuilles metallques d'une épaisseur minimale disponible et applicable dont les surfaces ont subi un traitement spécial par des revêtements ou par implantation d'ions, c) des feuilles de support à revêtement métallique d'une épaisseur minimale disponible et applicable, par exemple du polyamide connu sous la marque Kapton revêtu d'aluminium jusqu'à des températures d'environ 400 C et des tissus de fibres de verre et des tissus de fibres céramiques métallisés par vaporisation de métaux précieux (groupes Au ou Pt) pour des températures plus élevées, 6) sur le cOte le plus chaud du paquet on peut disposer un plus grand nombre de feuilles de réflexion du rayonnement que sur le cOté 2 5 le plus froid, 7) l'enveloppe du paquet se compose de feuilles métalliques et de la plaque de fond élastique, imprégnée de manière à etre hydrophobe - de préférence en mousse de polyimide - et entre deux paquets d'isolation multicouche voisins est insérée une matière de remplissage de joint qui se compose également de couches de fibres céramiques et de feuilles métalliques perforées, 8) l'enveloppe peut être un tissu résistant aux températures élevées, par exemple un sac "Nextel'" (marque déposée), -4- 9) la résistance mecanique du paquet peut etre augmentée par des coutures ou par collage ponctuel des couches de fibres avec les feuilles, ) la charge de fibres céramiques peut présenter sur le coté le plus froid une part plus importante de fibres en verre de borosilicate, 11) les densités des couches de la charge de fibres céramiques augmentent de l'extérieur vers l'intérieur, passant d'environ 8 kg/m3 à 40 kg/m3, 12) le diamètre moyen des fibres céramiques diminue de l'extérieur vers l'intérieur, passant d'environ 4 um à environ 0,4 ym, 13) les couches de fibres peuvent etre remplacées par des couches poreuses d'un autre type d'une résistance aux températures correspondante, si celles-ci sont capables de bloquer la transmission de chaleur par conduction dans l'air pour des altitudes de vol différentes, à savoir à haute altitude pour les couches extérieures et à faible altitude pour les couches interieures. Un exemple de réalisation est expliqué dans la description ci-après et illustré à l'aide du dessin, sur lequel la figure la représente une vue schématique de cote d'un véhicule spatial rentrant dans l'atmosphère terrestre, avec des surfaces, indiquées par des hachures différentes, sous lesquelles peuvent être installées des isolations thermiques multicouches, 2 5 la figure ib représente une vue schématique du véhicule spatial selon la figure la avec les agencements multicouches différenciés de la partie supérieure du véhicule et, au- dessous de la ligne médiane, avec les agencements de la partie inférieure du véhicule, la figure 2 représente une vue en perspective d'une structure schématique des paquets d'isolation multicouches, en coupe partieJlle, la figure 3 représente une coupe d'un paquet dans la zone des éléments d'espacement, indiquant la direction dans laquelle la - 5 - densité des couches augmente et la direction dans laquelle le diamètre des fibres diminue, la figure 4 représente une coupe transversale partielle d'un paquet d'isolation dans la zone de jonction de deux paquets, avec un remplissage de joint, et la figure 5 représente un diagramme du trace typique de la conductibilité thermique dans un mat de fibres, en fonction de la pression atmosphérique à de faibles températures. Les figures la et lb montrent schématiquement un véhicule spatial 100 rentrant dans l'atmosphère terrestre, dont la surface est pourvue d'un bouclier de protection thermique sous lequel se trouve dans le cas présent une isolation thermique multicouche 101. A des endroits déterminés de la surface du véhicule spatial 100, cette isolation 101 est exposée à différentes températures, comme l5 'iilustrent les figures. Les conceptions proposées ici apportent des améliorations considérables notamment en cas d'augmentation de la pression et de charge thermique transitoire qui atteint son maximum aux faibles pressions. Comme le montre le dessin, toutes les parties ne sont pas soumises à la meme charge thermique et par conséquent, on dispose aussi à la surface du véhicule des paquets 10 correspondants qui sont adaptés aux températures conformes à l'expérience régnant sur les surfaces individuelles. Ainsi on distingue une structure chaude, qui se situe dans la zone du nez du véhicule spatial, sur la flèche des ailes et aux empennages, une 2 5 structure normale constituée de plaques ou de bardeaux rigides et une structure d'isolation flexible. Pour chacune des deux premières zones, les paquets sont réalisés de façon spécifique comme cela sera explique ci-après en détail. Chaque paquet 10 se compose de plusieurs couches d'une charge 11 de fibres céramiques, qui sont séparées les unes des autres par des feuilles métalliques 12 àhaute réflexion de préférence perforées, la densité de couche, vue du revêtement de la cellule du véhicule spatial, augmentant de l'extérieur vers l'intérieur alors que le diamètre des fibres diminue. La charge 11 de fibres céramiques de chacun des paquets d'isolation multicouches 10 possède sur le coté le plus chaud une part plus élevée de fibres A1203, tandis qu'une part plus elevee de fibres SiO2 est prévue pour le côté le plus froid. La figure 2 montre une illustration schématique d'un exemple de réalisation d'une isolation multicouche proposée. Les couches poreuses d'une épaisseur d'environ 0,1 à 1 cm sous forme d'une charge 11 de fibres céramiques sont séparées par des, feuilles métalliques 12 perforées à haute réflexion. L'enveloppe 14 de ce "groupe de couches" sous forme d'un paquet 10 se compose d'une feuille métallique et d'une plaque 13 en mousse de polyimide. Conmme le montre la figure 3, le paquet 10 ainsi enveloppé est placé entre la structure du véhicule spatial et sa surface de bouclier thermique absorbant les charges mécaniques, des passages 15, prévus pour les éléments d'espacement nécessaires de la structure du véhicule 1 5 spatial, étant disposés à cet effet dans l'isolation multicouche et dans les paquets 10. La figure 4 montre la manière dont des remplissages 16 de joint, formés a partir de couches 16a de fibres céramiques et de feuilles métalliques 16b perforées, sont disposés entre deux paquets 10 voisins. Ces remplissages 16 et la plaque 13 de mousse de polyimiae assurent l'aération et la désaération de l'isolation multicouche ou isolation thermique multicouche 101. Un mode de réalisation avantageux spécifique propose l'utilisation de feuilles métallisées, par exemple de feuilles de 2 5 polyimide connu sous la marque Kapton métallisées (jusqu'à 400 C) ou de feuilles métalliques extrêmement minces pour la séparation des couches, à savoir des feuilles d'aluminium d'une épaisseur d'environ pm pour des températures allant jusqu'à 550'C. Pour des températures jusqu'à 900 C, des feuilles d'or d'une épaisseur d'environ 5 um sont recommandées et Il est également possible d'utiliser des feuilles de nickel qui doivent toutefois présenter une épaisseur d'environ 25 pm. Pour des températures allant jusqu'à environ 1350 C, il est encore possible d'utiliser par exemple des feuilles TZM recouvertes de platine d'une épaisseur d'environ 3$Oum ou, plus avantageusement, éventuellement des tissus de fibres céramiques recouverts de platine. Par ailleurs, il est particulièrement efficace et avantageux que la charge Il de fibres céramiques possède sur le coté d'utilisation le plus chaud une part plus importante de fibres A1203 et sur le côté le plus froid une part plus importante de fibres SiO2 ou de fibres de verre de borosilicate. De telles charges de fibres sont disponibles dans le commerce. Pour une solution optimale du problème, les densités des charges Il de fibres céramiques, 1 0 c'est-à-dire des couches de fibres, doivent augmenter de l'extérieur vers l'intérieur, à savoir de 8kg/m3 à 40 kg/m3 dans l'exemple de réalisation proposé, pendant que le diamètre moyen des fibres doit diminuer de l'extérieur vers l'intérieur, passant ici de 4,m à 0,4 pm. Ainsi on obtient que pour des altitudes de vol inférieures à 50 I5 km et pour un échauffement aérothermique réduit, la chaleur déjà emmagasinée dans l'isolation multicouche 101 soit de. préférence dégagee vers l'extérieur. Par ailleurs il est avantageux que le nombre de feuilles sur le coté extérieur soit supérieur à celui sur le coté intérieur. En l'absence de charges de fibres, le rapport du flux de chaleur par conduction qc au flux de chaleur par rayonnement qv ( = 0,1) entre deux feuilles 12 métalliques ou de réflexion du rayonnement est à peu près le même avec Ti = 800'C, T- = o700oC et la distance àx = 1 cm. Les charges de fibres 1Il décrites précédemment 2 5 font diminuer qc en fonction de la pression, du diamètre de fibre, de l'orientation des fibres et de la porosité, comme le montre le diagramme de la figure 5. Au lieu des feuilles métalliques 12 de réflexion du rayonnement, il est possible d'utiliser également des feuilles support extrêmement minces telles que par exemple du polyimide (marque Kapton) jusqu'à 400'C, et pour des températures plus élevées, des tissus de fibres de verre et des tissus de fibres céramiques métallisés par vaporisation. Des particules hautement réfléchissantes peuvent également etre intégrées de façon - 8 complémentaire dans les couches de fibres céramiques. La'résistance peut etre améliorée par couture ou collage ponctuel des couches poreuses et des feuilles réfléchissantes.. Les modes de réalisation proposés précédemment créent une isolation thermique multicouche 101 qui est très efficace à de hautes altitudes de vol lors de la rentrée transitoire du véhicule spatial dans l'atmosphère terrestre et dégage de préférence vers l'extérieur aux faibles altitudes de vol la chaleur emmagasinée dans le système de protection thermique. Cela permet d'obtenir une réduction des dimensions et du poids. Revendications 1. Isolation thermique multicouche pour l'isolation de véhicules spatiaux, comprenant des paquets de couches poreuses enveloppees, par exemple des couches en fibres céramiques, caractérisée en ce que les charges de fibres (11) de chaque paquet d'isolation multicouche (10) sont séparées par des feuilles (12) à haute réflexion perméables au gaz et en ce que le diamètre des fibres diminue et/ou la densité de la couche de fibres augmente dans les couches de fibres de l'extérieur (face exposée à l'écoulement vehicuie spatial (100)) vers l'intérieur. 2. isolation thermique multicouche selon la revendication 1, caracterisée en ce que l'on choisit des matériaux de fibres d'un poids volumiqueminimal en fonction de la température d'utilisation admissible des matériaux de fibres employés, de préférence ceux qui possèdent, sur le coté le plus chaud pour des températures très élevées - par exemple d'environ 1100'C -, une part plus importante de fibres A1203 et sur le côté le plus froid, une part plus importante de fibres SiO2. 3. Isolation thermique multicouche selon, la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que dans les couches de fibres (11) il existe des directions préférentielles d'orientation des fibres, par eXemple sur le coté le plus froid, des orientations dans des plans perpendiculaires à la hauteur de construction du paquet (10). 4. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les fibres céramiques 2 5 utilisées pour les couches de fibres (11) sont entièrement ou partiellement recouvertes d'une couche hautement réflectrice. 5. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que des particules hautement réfléchissantes sont enrobées dans les couches de fibres 3 0 (11) en fibres céramiques d'une faible densité. - 10 - 6. Isolation thermique multicouche selon l]une quelconque oes revenaications 1 a 5, caractérisée en ce que l'on utilise comme feuilles (12) a haute réflexion: a) des feuilles métalliques d'une épaisseur minimale disponible et applicable, par exemple des feuilles d'aluminium épaisses de 5 pm jusqu'à des températures d'environ 550 C, des feuilles d'or ou de cuivre épaisses de 5 pm ou des feuilles de nickel épaisses de 25 um jusqu'à environ 900'C et des feuilles TZM recouvertes de platine épaisses de 30 Pm jusqu'à des températures d'environ 1350'C, 0 b) des feuilles métalliques d'une épaisseur minimale disponible et applicable dont les surfaces ont subi un traitement spécial par des revêtements ou par implantation d'ions, c) des feuilles de support a revêtement métallique d'une épaisseur minimale disponible et applicable, par exemple du polyimide connu sous la marque Kapton revetu d'aluminium jusqu'à des températures d'environ 400 C et des tissus de fibres de verre et des tissus de fibres céramiques métallisés par vaporisation de métaux précieux (groupes Au ou Pt) pour des températures plus élevées. 7. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée-en ce que sur le coté le plus chaud ou paquet (10) on dispose un plus grand nombre de feuilles de réflexion du rayonnement que sur le cote le plus froid. 8. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'enveloppe (14) du 2 5 paquet (10) se compose de feuilles métalliques et de la plaque de fond (13) élastique, imprégnée de manière à etre hydrophobe - de préférence en mousse de polyimide - et en ce qu'entre deux paquets d'isolation multicouche (10) voisins est insérée une matière de remplissage de joint (16) qui se compose également de couches de fibres céramiques (16a) et de feuilles métalliques (16b) perforées. 9.. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'enveloppe (14) est un - 11 - tissu résistant aux températures élevées, par exemple un sac "'Nextel". 10. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la résistance mécanique du paquet (10) est augmentée par des coutures ou par collage ponctuel des couches de fibres (11, 16a) avec les feuilles (12, 16b). 11. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, caractérisée en ce que la charge de fibres céramiques (11) présente sur le coté le plus froid une part plus importante de fibres en verre de borosilicate. 12. isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications i à 11, caractérisée en ce que les densités des couches de la charge de fibres céramiques (11) augmentent de l5 extérieur vers l'intérieur, passant d'environ 8 kg/m3 à 40 kg/m3. 13. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le diamètre moyen des fibres céramiques diminue de l'extérieur vers l'intérieur, passant d'environ 4 ym à environ 0,4pjm. 14. Isolation thermique multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les couches de fibres (11, 16a) peuvent etre remplacées par des couches poreuses d'un autre type d'une résistance aux températures correspondante, si celles-ci sont capables de bloquer la transmission de chaleur par 2 5 conduction dans l'air pour des altitudes de vol différentes, à savoir à haute altitude pour les couches extérieures et à faible altitude pour les couches intérieures.