Brevet FR2625793A1 — publié le 19890713

BLOC D'ISOLATION THERMIQUE La présente invention concerne un bloc d'isolation thermique, plus particulièrement un bloc d'isolation thermique destiné à être placé à l'extérieur du corps d'un mobile se déplaçant à très grande vitesse tel qu'un véhicule spatial pour le protéger de l'échauffement cinétique. En effet, dans le cas d'un véhicule spatial, en particulier dans le cas d'un appareil devant subir- plusieurs rentrées dans l'atmosphère terrestre, telle qu'une navette spatiale, il est absolument nécessaire d'isoler thermiquement la structure de l'appareil contre l'échauffement cinétique qui se produit lors du lancement et lors de la rentrée dans l'atmosphère mais aussi lors du vol orbital. Cette isolation thermique est réalisée à l'aide de blocs d'isolation thermique ou tuiles qui forment la structure externe de l'appareil. Ces blocs d'isolationthermique doivent répondre à un certain nombre de critères. Leur surface extérieure doit être étanche pour protéger ce véhicule contre la pollution par le "kérosène" et contre la pénétration d'humidité.De plus, ces blocs d'isolation thermique doivent pouvoir absorber les différences de pression existant entre l'environnement et la partie interne de la protection sans risque de rupture. Ils doivent être réalisés de manière à présenter le poids le plus faible possible associé avec la meilleure protection thermique. D'autre part, ils doivent présenter une certaine souplesse pour pouvoir s'adapter au profil extérieur à obtenir. La présente invention a pour but de proposer un nouveau bloc d'isolation thermique répondant à l'ensemble des critères ci-dessus. Ainsi, la présente invention a pour objet un bloc d'isolation thermique, caractérisé en ce qu'il est constitué par la superposition - d'une couche support permettant l'adaptation à la forme de la surface à isoler, - d'une structure semi-rigide liée à la couche support, cette structure semi-rigide étant formée d'un gaufrage réalisé à partir de fibres minérales ou organiques polymérisées, - d'une structure composite comportant au moins une couche de matériau Isolant et un écran réflecteur, la structure composite recouvrant la structure semi-rigide en délimitant des cavités remplies par une protection isolante, et - d'un tissu de surface étanche recouvrant la structure composite. L'originalité de la présente invention réside principalement dans la structure semi-rigide qui permet au bloc d'isolation thermique de s'adapter facilement à la forme de la surface à isoler touts en donnant un bloc d'isolation thermique suffisamment rigide et cependant léger. Selon un mode de réalisation préférentiel, la structure semi-rigide est constituée par un matériau composite embouti à base d'un tissu constitué de couches uni-directionnelles de fibres continues, superposées et non tissées et d'un liant. Les fibres continues sont, de préférence, choisies parmi les fibres de carbone, de silice, de verre, de carbure de silicium. D'autre part, la structure composite isolante peut être réalisée de diverses manières. Elle peut être constituée par la superposition de feutres réalisés à base de fibres de carbone, de fibres phénoliques carbonisées, de fibres de poly-acrylo-nltrile, de fibres de zircone, de fibres de silice comprimées et d'écrans réflecteurs constitués soit par une feuille d'aluminium ou une feuille de graphite qui peut être recouverte d'une couche d'un matériau réfléchissant, tel que l'aluminium. L'ensemble peut être aiguilleté. D'autre part, la surface extérieure du feutre externe est, de préférence, recouverte d'une couche d'un matériau réfléchissant tel que l'aluminium déposé par dépôt sous vide.Le nombre de couches et/ou ltépaisseur des couches sera choisi pour que la température au niveau de la surface inférieure de la structure composite ne dépasse pas 3000 C. Conformément à la présente invention, cette structure composite est recouverte d'un tissu de surface étanche réalisé, de préférence, en fibres de silice. Pour obtenir une meilleure protection contre les ruissellements, ce tissu est recouvert extérieurement par une couche de nitrure de titane obtenue par vaporisation sous vide. On réalise ainsi une céramisation de la surface externe du bloc d'isolation thermique. D'autre part, selon une autre caractéristique de la présente invention, le tissu et la structure composite sont fixés sur la structure rigide par piquage. De ce fait, la surface supérieure du gaufrage est pré-trouée et le piquage est réalisé avec une fibre de silice ou une fibre vendue sous la marque NEXTEL, ces fibres étant préparées pour résister aux températures d'utilisation. Ce piquage est réalisé de manière lâche pour que, lorsque le bloc d'isolation thermique est mis en forme, la surface extérieure du bloc d'isolation thermique soit bien tendue et ne présente aucun plissement. D'autre part, pour permettre l'adaptation du bloc d'isolation thermique à la surface à recouvrir, la structure semi-rigide est liée à une couche support constituée par un matériau à forte capacité afin d'offrir une bonne inertie thermique. Cette couche support est constituée, par exemple, par une mousse alvéolaire telle qu'une mousse de polyimide. De préférence, la mousse polyimide est collée sur la structure support en utilisant un film adhésif tel que celui connu sous la marque "COTRONIX". Selon une autre caractéristique de la présente invention, la protection isolante remplissant les cavité réalisées par gaufrage est constituée par une superposition de n couches isolantes et de n-l écrans-réflecteur.Dans ce cas, les écrans réflecteurs sont des écrans en aluminium et les couches isolantes sont des feutres de silice pure, appelée aussi laine de quartz. Cette protection isolante présente l'avantage d'avoir une faible densité, de l'ordre de 17 Kg/m3, de bonnes caractéristiques mécaniques, hygrothermiques et thermiques, et une excellente tenue aux vibrations. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un bloc d'isolation thermique conforme à la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe par II/II de figure 1, et - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe agrandies de différents modes de réalisation de la structure composite utilisée dans le bloc d'isolation thermique conforme à la présente invention. Comme représenté sur les figures 1 et 2, un bloc d'isolation thermique conforme à la présente invention est constitué essentiellement d'une couche support 1, d'une structure semi-rigide 2, d'une structure composite 3, et d'un tissu de surface 4 étanche recouvrant la structure composite. Un des éléments essentiels du bloc d'isolation thermique est constitué par la structure semi-rigide 2. Cette structure est obtenue en emboutissant un matériau composite à base d'un tissu constitué de couches unidirectionnelles de fibres continues superposées et non tissées et d'un liant. Ce matériau composite est embouti, de manière à former un gaufrage présentant des nervures 2' et délimitant des cavités 2" qui sont remplies par une protection isolante 5. La structure semi-rigide est réalisée, de préférence, en utilisant le procédé décrit dans les demandes de brevets français N086 13007 et N087 05107 déposées au nom de la Demanderesse. Dans ce cas, les fibres continues constituant le tissu sont choisies parmi les fibres de carbone, de silice, de verre, de carbure de silicium. Le liant est constitué, de préférence, par une résine de type phénolique. En utilisant le procédé décrit dans les demandes de brevets français N086 13007 et 87 05107, on peut réaliser un emboutissage profond et obtenir des pièces en matériau composite dont les fibres ne soient pas détériorées lors de leur réalisation. Ce matériau est suffisamment rigide mais peut s'adapter facilement à la forme de la surface à recouvrir du fait des nervures 2' lui donnant une certaine souplesse. Les cavités réalisées par le gaufrage sont remplies par une protection isolante, plus particulièrement, par une protection du type de celle décrite dans le brevet français NO 1 124 717 au nom de la Demanderesse: Cette protection est constituée par une superposition de n couches isolantes réalisées, par exemple, en laine de quartz (silice pure) et de n - 1 écrans réflecteurs réalisés de préférence en aluminium. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, on a représenté trois couches isolantes 50 en un matériau minéral tel que la laine de quartz, et deux écrans réflecteurs 51 en aluminium. Il est évident pour l'homme de l'art que, suivant la protection thermique souhaitée et l'épaisseur des nervures 2', un nombre différent de couches isolantes et d'écrans réflecteurs peut aussi être utilisé. L'un des avantages de la protection ci-dessus est sa faible densité, qui est de l'ordre de 17 Kg/m . Ceci permet d'obtenir un gain non négligeable sur le poids de l'ensemble sans compromettre les caractéristiques mécaniques, hygrothermiques et thermiques du bloc d'isolation thermique. Comme représenté sur les figures 1 et 2, la structure semi-rigide est recouverte d'une structure composite 3. Cette structure composite peut être réalisée de différentes manières. Toutefois, elle doit faire tomber la température au niveau de l'extrémité supérieure des nervures 2 à une valeur de l'ordre de 3000C en réduisant la transmission de chaleur par rayonnement et par convection. Ainsi, comme représenté sur la figure 3, elle peut être constituée par la superposition d'un premier feutre 30 réalisé en fibres de carbone, d'un écran en graphite 32 et d'un deuxième feutre 31 en fibres de carbone, d'épaisseur inférieure ou égale à celle du premier feutre. Dans ce cas, pour obtenir une structure plus dense, l'ensemble est aiguilleté, comme représenté par la référence 35. De plus, pour améliorer les propriétés de réflection thermique, la surface extérieure du feutre 31 est recouverte d'une couche 34 d'un matériau réfléchissant tel que de l'aluminium déposé par dépôt sous vide. De préférence, l'écran en graphite est lui aussi recouvert d'une couche 33 d'un même matériau réfléchissant. Selon un autre mode de réalisation représenté 8. la figure 4, la structure composite est constituée par la superposition de feutres denses 36 réalisés à base de fibres phénoliques carbonisées, de fibres poly-acrylo-nitriles, de fibres de zircone, de fibres de silice comprimées ou similaires. Entre ces différents feutres, sont intercalés des écrans réflecteurs 37 qui peuvent être réalisés à l'aide d'une feuille d'aluminium ou d'une feuille de graphite. La feuille de graphite est, de préférence, recouverte d'une couche d'un matériau réfléchissant tel que l'aluminium. Bien que ne présentant pas de bonnes caractéristiques' mécaniques, les fibres phénoliques carbonisées peuvent entre utilisées dans le cadre de la présente invention car elles présentent l'avantage d'avoir une section excessivement fine, à savoir une section d'environ 2 prn. D'autre part, l'épaisseur de la structure' composite sera choisie de telle sorte que la température au niveau des extrémités des nervures 2' ne dépasse pas 3000C. De plus, pour obtenir des structures plus denses, l'ensemble peut être aiguilleté. Comme représenté sur les figures 1 et 2, la structure composite 3 est recouverte d'un tissu de surface 4. Ce tissu de surface doit être étanche au ruissellement et pouvoir rester tendu qu'elles que soient les déformations apportées au bloc d'isolation thermique lorsqutil est mis en position sur la surface à protéger. Ce tissu de surface est, de préférence, réalise en fibres de silice. Ces fibres de silice sont tissées de manière très serrée pour obtenir un tissu type satin. D'autre part, pour améliorer l'étanchéïté, le tissu est revêtu extérieurement par une couche de nitrure de titane obtenue par vaporisation sous vide. Eventuellement, on peut vaporiser sur le tissu un agent imperméabilisant agissant contre les agents de moisissure. Conformément à la présente invention, le tissu 4 et la structure composite 3 sont fixés sur la structure rigide 2 par piquage 8. Pour faciliter ce piquage, la surface supérieure des nervures 2' est munie de place en place de trous 7. Pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques et hygrothermiques, le piquage est réalisé, de préférence, avec une fibre de silice ou avec une fibre vendue sous la marque NEXTEL, préparée spécialement. D'autre part, pour que le bloc d'isolation thermique puisse s'adapter à la surface à protéger sans entraîner de déchirure du tissu ou de modifications très importantes dans l'épaisseur des couches supérieures, le piquage est réalisé de manière lâche. Comme représenté sur les figures i et 2, la structurerigide 2 est fixée sur une couche support 1 dont le but essentiel est de permettre une adaptation à la forme de la surface à isoler. Cette couche support 1 est constituée, de préférence, par une mousse alvéolaire telle qu'une mousse de polyimide. Cette mousse polyimide est liée à la structure semi-rigide par collage, de préférence, en utilisant un film adhésif tel que le film vendu sous la marque "COTRONICS". De plus, comme représenté sur la figure 2, l'interieur des nervures 2' est rempli de fibres telles que des fibres de laine de silice qui donnent une certaine rigidité aux nervures tout en permettant leur déformation. Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemple et qu'ils peuvent être modifiés, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Bloc d'isolation thermique, caractérisé en ce qu'il est constitué par la superposition - d'une couche support (1) permettant une adaptation à la forme de la surface à isoler, - d'une structure semi-rigide (2) liée à la couche support, cette structure semi-rigide étant formée d'un gaufrage réalisé à partir de fibres minérales ou organiques polymérisées, - d'une structure composite (3) comportant au moins une couche de matériau isolant et un écran réflecteur, la structure composite recouvrant la structure semi-rigide en délimitant des cavités remplies par une protection isolante (5), et d'un tissu de surface (4) étanche recouvrant la structure composite. 2. Bloc dtisolstion thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure semi-rigide (2) est constituée par un matériau composite embouti à base d'lln tissu constitué de couches unidirectionnelles de fibres continues superposées et non-tissées et d'un liant. 3. Bloc d'isolation thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres continues sont choisies parmi les fibres de carbone, de silice, de verre, de carbure de silicium. 4. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de matériau isolant utilisée dans la structure composite (3) est constituée par un feutre (30,31,36) réalisé à base de fibres de carbone, de fibres phénoliques carbonisées, de fibres poy-acrylo-nitriles > de fibres de zircone, de fibres de silice comprimées. 5. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'écran réflecteur (32,37) est constitué par une feuille d'aluminium ou une feuille de graphite. 6. Bloc d'isolation thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'écran (32) en graphite est recouvert d'une couche (33) d'un matériau réfléchissant. 7. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 4 â 6, caractérisé en ce que les différentes couches constituant la structure composite sont aiguilletées (35). 8. Bloc d'isolation thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface extérieure de la couche externe de matériau isolant (31), utilisée dans la structure composite (3), est recouverte d'une couche (34) d'un matériau réfléchissant. 9. Bloc d'isolation thermique selon les revendications 6 ou 8, caractérisé en ce que le matériau réfléchissant (33,34) est constitué par de l'aluminium. 10. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le -tissu de surface (4) est un tissu en fibres de silice. 11. Bloc d'isolation thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le tissu est recouvert extérieurement par une couche de nitrure de titane obtenue par vaporisation sous vide. 12. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 å 11, caractérisé en ce que le tissu et la structure composite sont fixés sur la structure rigide par piquage (8). 13. Bloc d'isolation thermique selon la revendication 12, caractérisé en ce que la surface supérieure du gaufrage est pré-trouée (7). 14. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le piquage est réalisé avec une fibre de silice ou de "nextel" préparée pour résister. aux températures d'utilisation. 15. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le piquage est lâche. 16. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la couche support (1) est constituée par une mousse alvéolaire telle qu'une mousse de polyimide. 17. Bloc d'isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la couche support est liée à la structure semi-rigide par collage. 18. Bloc d'isolation' thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la protection isolante (5) remplissant les cavités réalisées par gaufrage est constituée par une superposition de n couches isolantes (50) et de n-1 écrans réflecteurs (51) (n > / 2).