Brevet FR2624582A1 — publié le 19890616

Système de Protection thermique-pour engins volants L'invention concerne un système de protection thermique résistant aux températures élevées pour des engins volants entrant dans l'atmosphère terrestre et des avions à grande vitesse, comprenant des feuilles métalliques multicouches et des mats de fibres ou de fibres céramiques intercalés entre les premières. Par le brevet US-4 456 208 on connait un bouclier de protection thermique en construction à embottement métallique, comprenant une charge de mats de fibres et le cas échéant également des feuilles de réflexion du rayonnement. En dehors du fait qu'il est quasiment 1 0 impossible de réutiliser les éléments individuels, la depense en matériaux aussi bien qu'en poids est très importante. Leisolation thermique est ici assurée par la charge. Pour des raisons mécaniques, le couvercle métallique de la botte doit être conçu relativement stable et lourd et il ne contribue pour ainsi -dire pas 1 5 a l'isolation thermique. Il en est de meme pour le système de protection thermique connu par le brevet US-4 344 591, comprenant plusieurs couches de panneaux métalliques qui sont combinés avec une ou deux couches de mats de fibres céramiques et pour lesquels on utilise par ailleurs des structures métalliques à nid d'abeilles. Ici s'ajoute encore l'augmentation relativement importante du diamètre extérieur de l'engin volant ou la diminution de l'espace intérieur de celui-ci. La présente invention a pour but de créer un systeme de protection thermique résistant à des températures élevées du type 2 5 cité au début, qui peut etre réutilisé et dont la construction est prévue de telle manière que les avantages de feuilles portant une charge d'une épaisseur minimale soient combinés avec les avantages de couches céramiques non portantes et qu'ainsi soit fourni un système de protection dont le poids et les dimensions sont réduits à un minimum. Ce but est atteint grace à un système de protection thermique comprenant des feuilles métalliques multicouches et des mats de 2- fibres ou de fibres céramiques intercalées entre les premieres, dans lequel chaque panneau du système de protection thermique se compose de trois a quatre couches différentes dont la première couche est formée par une feuille métallique extérieure et une intérieure et une feuille métallique embossée intercalée entre ces deux feuilles, la deuxième couche se compose d'une suite de feuilles-métalliques ondulées tournées à chaque fois de 90' l'une par rapport à l'autre, une couche de fibres céramiques d'une capacité d'isolation thermique définie étant intercalée entre les feuilles métalliques, la troisième couche se compose d'une suite de couches de fibres céramiques séparées par des feuilles de réflexion du rayonnement libres, non-portantés et la quatrième couche se compose d'une plaque terminale à renforcement intégral constituée de deux feuilles métalliques entre lesquelles est intercalée une feuille métallique embossée. Selon des modes de réalisation et aspects particuliers de l'invention: 1) toutes les feuilles portantes peuvent etre reliées les unes aux autres, par exemple par soudage par diffusion, 2) la feuille métallique extérieure de la première couche possède une épaisseur de paroi d'environ 100 pm, la feuille métallique embossee une épaisseur d'environ 70 um. et la feuille métallique intérieure une épaisseur d'environ 50pm, 3) la hauteur totale de la première couche est de l'ordre de 4 2 5 mm et la distance entre les bosses correspond a environ 20 mm. 4) les feuilles de la deuxième couche possèdent une épaisseur d'environ 50 um, la hauteur des ondulations correspond à environ 6 mm et la distance entre les ondulations à environ 30 mm, ) la troisième couche peut être entourée par un cadre de feuille métallique rigidifié par ondulation qui transmet la charge mécanique entre la deuxième couche et la quatrième couche 6) la feuille métallique de la quatrième couche possède une épaisseur d'environ 30 ym, la feuille métallique embossée une - 3 épaisseur d'environ 70 jum et la feuille metallique une épaisseur d'environ 50 Sm, 7) on peut utiliser pour les feuilles métalliques des alliages de titane pour des températures allant jusqu'à 500'C, des alliages à. base de nickel jusqu'à 900'C, des alliages à base de cobalt jusqu'à 10500C, des alliages TD nickel-chrome ou des alliages à base de Fe jusqu'à 1200'C et des métaux réfractaires et leurs alliages (alliages à base de molybdène) jusqu'à 1300'C, 8) on peut utiliser comme feuilles de réflexion du rayonnement non portantes hautement réflechissantes, des feuilles de.polyimide (marque Kapton) recouvertes d'aluminium d'une épaisseur d'environ 6 pm pour des températures allant jusqu'à 400'C, des feuilles d'aluminium epaisses d'environ 5 im pour des températures jusqu'à 550'C et des feuilles d'or, de nickel, de cuivre ou des feuilles de 1 5 tissu céramique recouvertes d'or épaisses d'environ 10 um pour des températures jusqu'à 900'C, 9) la charge de fibres céramiques possède de préférence une part de fibres Al203 plus élevée du côté le plus chaud et une part de fibres SiO2 plus élevée du côté le plus froid et la densité des mats de fibres augmente de l'extérieur vers l'intérieur, passant d'environ 8 kg/m3 à environ 40 kg/m3, pendant que -le diamètre moyen de fibre diminue de l'extérieur vers l'intérieur d'environ 4.m à 0,4 pm, ) la feuille métallique la plus extérieure possède de 2 5 préférence un coefficient d'émission thermooptique élevé ú Z 0,9) sur sa surface tournée vers l'extérieur, 11) toutes les feuilles intérieures possèdent de préférence un faible coefficient d'émission allant de E flexible ayant la même fonction. -- 5 -- La description ci-après explique un exemple de realisatlon qui est llustre de façon schematlque par les dessins, sur lesquels la figure la représente une vue de coté d'un engin volant avec les zones d'utilisation 1 à 4 de systèmes de protection thermique sur la structure de l'engin volant, la figure lb représente une vue en plan de l'engin volant selon la figure la, la face supérieure de cet engin étant montrée au-dessus de l'axe médian et la face inférieure étant montrée au-dessous de l'axe médian, 1 0 la figure 2 représente une vue en perspective de la structure d'un panneau de protection thermique, la figure 3 représente de façon schématique une coupe partielle d'une jonction de deux panneaux sur la structure cellulaire, avec le joint de dilatation et le recouvrement, et la figure 4 représente une coupe partielle schématique de deux panneaux adjacents avec le joint de dilatation, le recouvrement et le système ae fixation à encliquetage à l'état encliqueté. Comme le montrent les figures la et lb, différentes "zones de charge thermique" existent sur un engin spatial ou un avion à haute performance lors ce son entrée dans l'atmosphère terrestre. Les zones déslgnées par 1 et 2 nécessitent une conception de la protection thermique pour des températures très elevées, alors que les zones désignées par 3 et 4 doivent garantir une protection contre des températures légèrement plus basses. L'idée qui, entre 2 5 autres, est à la base de l'invention est de créer un système de protection thermique 10 résistant à des températures élevées dont les panneaux 11, qui doivent etre reliés entre eux et fixés sur la structure cellulaire de l'engin spatial, possèdent tous la meme construction et peuvent néanmoins être utilisés pour les différentes températures nécessaires des zones 3 et 4. L'autre idée fondamentale de la présente invention est de concevoir la construction de ce système de protection thermique 10 de manière à combiner les avantages de feuilles métalliques portant la charge - c'est-à-dire une faible dispersion dans la matière (réduction du 262 4 58 2 - 6- rayonnement thermique) et une construction en granaes surfaces - avec les avantages de couches de fibres céramiques non portantes mais permettant une isolation thermique spécifique élevee (reduction de la conduction dans les gaz en fonction de l'altitude de vol). De plus, la construction doit être prévue de telle façon que lors de l'entrée transitoire dans l'atmosphère terrestre, la chaleur emmagasinée dans le système de protection thermique. soit de préférence dégagée vers l'extérieur dès que l'on atteint de faibles altitudes de vol. Dans l'exemple de réalisation, décrit ci-après et représente schématiquement dans la figure 2, d'un panneau Il du système de protection thermique 10 proposé, ledit panneau Il se compose essentiellement de quatre couches 12, 13, 14, 15. La première couche 12 est formée par une feuille métallique exterieure 12a d'une épaisseur d'environ 100 um, une feuille métallique 12b embossée (feuille avec des creux et des saillies) d'une épaisseur d'environ 70 pm et finalement une feuille métallique intérieure 12c d'une épaisseur d'environ 50 >m. Ces feuilles sont reliéees les unes aux autres par soudage par diffusion, la distance entre les bosses étant d'environ 20 mm et la hauteur de construction de la couche 12 étant d'environ 4 mm. La deuxième couche 13 se compose d'une suite de feuilles métalliques 13a ondulées, tournées à chaque fois de 90 l'une par rapport à l'autre et reliées les unes aux autres aux emplacements de 2 5 croisement par soudage par diffusion. Les espaces entre les feuilles 13a sont remplis avec des couches 13b de fibres céramiques d'une capacité d'isolation thermique définie. Les feuilles métalliques i3a possèdent une épaisseur d'environ 50 um et la hauteur des ondulations est d'environ 6 mm, tandis que la distance entre les ondulations est d'environ 30 mm. La troisième couche 14 se compose d'une suite de couches-14a de fibres céramiques séparées par des feuilles 14b de réflexion du rayonnement libres, non-portantes. Cette couche 14 est entourée à ses boras par un cadre en feuille métallique rigidifié par -7 - ondulation qui transmet la charge mécanique entre la deuxième couche 13 et la quatrième couche 15. Il est possible de prévoir à cet effet également une structure en grille etc. La quatrième et dernière couche 15 se compose d'une plaque terminale à renforcement intégral constituée d'une feuille métallique 15a d'une épaisseur d'environ 30 pm, d'une feuille métallique 15b embossée d'une épaisseur d'environ 70 ym et d'une feuille métallique 15c d'une épaisseur d'environ 50 pm. La distance entre les bosses, la hauteur de construction et la technique de liaison correspondent sensiblement à celles de la couche 12. Les différentes matières pour la réalisation des panneaux Il sont sélectionnées en fonction de l'utilisation prévue de ces panneaux dans les zones de charge thermique, citées au début, de la surface de l'engin volant. Pour les feuilles métalliques exposées a une charge thermique allant jusqu'à 500'C, on utilise des alliages de titane, par exemple Ti6A14V. Si les- températures dans les zones correspondantes atteignent des valeurs jusqu'à 900 C, on utilise des alliages a base de nickel, par exemple IN 718, et des températures jusqu'à 1050eC exigent des alliages à base de cobalt, par exemple HS 188. Pour les zones qui sont exposées à des températures jusqu'à 12000C, on utilise des feuilles en alliages nickel-chrome, par exemple TD Ni Cr, et pour des températures jusqu'à 1300 C, on utilise des feuilles en alliages de molybdène, par exemple des alliages TZM recouverts d'une couche. 2 5 Pour l'utilisation comme feuilles 14b de reflexion du rayonnement conviennent des feuilles extremement minces, hautement réfléchissantes et non portantes, à savoir pour des températures jusqu'à 400'C: par ex. des feuilles de polyimide (marque Kapton) recouvertes d'alumi- 3 0 nium épaisses d'environ 6 pm, des températures jusqu'à 550'C: des feuilles d'aluminium épaisses de ym, des températures jusqu'à 900*'C: des feuilles d'or, de nickel, de cuivre ou des feuilles de tissu - 8 céramique recouvertes d'or épaisses d'environ 10 Pm. Sur le cote le plus chaud, la charge de fibres céramiques possède une part de fibres A1203 plus élevée, et est constituée par exemple par le produit connu sous la désignation Fiberfrax H (marque déposée). Sur le côté le plus froid, une part de fibres SiO2 plus élevée ou une part de verre de borosilicate, tel que le produit dénommé Microlite (marque déposée de la société John et Manville), est prévue. La densité des mats de fibres augmente de l'extérieur vers l'intérieur, passant d'une valeur de 8 kg/m3 à une valeur de 40 kg/m3. Par contre, le diamètre de fibre diminue de l'extérieur vers l'intérieur, passant d'environ 4 ym à 0,4 um. Cela permet d'obtenir que, pour des altitudes de vol inférieures a 50 km et un échauffement aérothermique réduit, la chaleur emmagasinée dans le bouclier thermique soit dégagée essentiellement vers l'extérieur. La feuille métallique la plus extérieure 12a est pourvue sur sa surface tournée vers l'extérieur d'une couche -possédant un coefficient d'émission thermooptique élevé, un recouvrement approprié permettant d'atteindre une valeur j > 0,9. Ainsi une 2 0 grande partie de la chaleur produite est immédiatement dégagée par rayonnement. Sur la face intérieure, la feuille métallique 12a possède un coefficient d'émission plus faible, ce qui est le cas de toutes les feuilles intérieures. Les valeurs se situent entre 6 métallique épaisse de 50 ym. L'aération et la désaération des couches 12 à 15 se font par le nombre minimal nécessaire de perforations des feuilles respectivement des mats 17a qui terminent les panneaux 11 du cote des joints de dilatation 16. Sous chacun des joints de dilatation 16 se trouve une bande 18 de papier céramique comprimée, d'une épaisseur d'environ 1 à 3 mm. Ces bandes possedent une largeur d'environ 5 cm. La surface restante entre la face inférieure 15 du panneau et la structure 20 est remplie par exemple avec un feutre 1 5 Nomex (marque déposée) de meme épaisseur ou avec un couche 19 de mousse de polyimide. La fixation des panneaux 11 individuels à la structure 20 de la cellule de l'engin volant se fait par des systèmes à encliquetage 21 qui sont réalisées par exemple à partir d'alliages de titane et tiennent la couche inférieure 15 dû panneau. Le jeu prévu pour le fonctionnement des systèmes à encliquetage permet.une compensation des différences de dilatation thermique entre la couche terminale 15 du panneau et la structure 20, mais il n'est toutefois pas suffisant pour qu'un degagement non intentionnel de la fixation soit possible. 2 5 L'ouverture des encliquetages avec des outils introduits à travers les joints de dilatation 16 permet le retrait des panneaux. Seuls les mats de céramique 17a flexibles doivent éventuellement etre remplacés de temps en temps. - 10 - Revendications 1. Systeme de protection thermique résistant aux températures élevees pour des engins volants entrant dans l'atmosphère terrestre et des avions a grande vitesse, comprenant des feuilles métalliques multicouches et des mats de fibres ou de fibres céramiques intercalés entre les premières, caractérisé en ce que chaque panneau (11) du systeme de protection thermique (10) se compose de trois à quatre couches différentes (12, 13, 14, 15) dont la premiere couche (12) est formée par une feuille métallique extérieure (12a) et une intérieure (12c) et une feuille métallique (12b) embossée intercalée entre ces deux feuilles, la deuxième couche (13) se compose d'une suite de feuilles métalliques (13a) ondulées tournées à chaque fois de 90' I'une par rapport à l'autre, une couche (13b) de fibres céramiques d'une capacité d'isolation thermique définie étant& intercalée entre les feuilles métalliques (13a), la troisième couche (14) se compose d'une suite de couches (14a) de fibres céramiques séparées par des feuilles (14b) de reflexion du rayonnement libres, non- portantes et la quatrième couche (15) se compose d'une plaque terminale a renforcement intégral constituée de deux feuilles métalliques (15a, c) entre lesquelles est intercalée une feuille métallique (15b) embossée. 2. Système de protection thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les feuilles portantes (12a, b, c; 13a, 2 5 15a, b, c) sont reliées les unes aux autres, par exemple par soudage par diffusion. 3. Système de protection thermique selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que la feuille métallique extérieure (12a) de la première couche (12) possède une épaisseur de paroi d'environ 100 pm, la feuille métallique embossée (12b) une épaisseur d'environ 70 pm et la feuille métallique intérieure (12c) une épaisseur d'environ Pm. - il - 4. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendlcations i à 3, caracterise en ce que la hauteur totale de la première couche (12) est de l'ordre de 4 mm et la distance entre les bosses correspond à environ 20 mm. 5. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les feuilles de la deuxième couche (13) possèdent une épaisseur d'environ 50 pm, la hauteur des ondulations correspond à environ 6 mm et la distance entre les ondulations à environ 30 mm. 6. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la troisième couche (14) est entourée par un cadre de feuille métallique rigidifié par ondulation qui transmet la charge mécanique entre la deuxieme couche (13) et la quatrième couche (15). 7. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la feuille métallique (15a) de la quatrième couche (15) possède une épaisseur d'environ 30 pm, la feuille métallique embossée (15b) une épaisseur d'environ 70 um et la feuille métallique (15c) une épaisseur d'environ 50pm. I 8. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on utilise pour les feuilles métalliques des alliages de titane pour des températures allant jusqu'à 500 C, des alliages à base de nickel jusqu'à 900'C, des alliages à base de cobalt jusqu'à 1050C, des alliages TD 2 5 nickel-chrome ou des alliages à base de Fe Jusqu'à 1200'C et des métaux réfractaires et leurs alliages jusqu'à 1300C. 9. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on utilise comme 0 feuilles (14b) de réflexion du rayonnement non portantes hautement réflechissantes, des feuilles de polyimide (marque Kapton) recouvertes d'aluminium d'une épaisseur d'environ 6 im pour des températures allant jusqu'à 400'C, des feuilles d'aluminium épaisses d'environ 5 ym pour des températures jusqu'à 550'C et des feuilles - 12 - d'or, de nickel, de cuivre ou des feuilles de tissu céramique recouvertes d'or épaisses d'environ 10 ym pour des températures jusqu'à 900'C. 10. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la charge de fibres céramiques (13a) possède une part de fibres A1203 plus élevée du coté le plus chaud et une part de fibres SiO2 plus élevée du côté le plus froid et la densité des mats de fibres augmente de l'extérieur vers l'intérieur, passant d'environ 8 kg/m3 à environ 40 kg/m3, pendant que le diamètre moyen de fibre diminue de l'extérieur vers l'intérieur d'environ 4 ym a 0,4 ym. 11. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la feuille métallique la plus extérieure (12a) possède un coefficient d'émission thermooptique élevé ( ú > 0,9) sur sa surface tournée vers l'extérieur. 12. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que toutes les feuilles intérieures possèdent un faible coefficient d'émission allant de ú 0,1 à 0,3. 13. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 a 12, caractérisé en ce que la feuille métallique la plus extérieure (12a) possède en prolongement une surface de recouvrement (12d) qui recouvre le joint de dilatation (16) forme 2 5 avec le panneau (11) voisin. 14. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les joints de dilatation (16) sont rendus étanches au moyen de mats de céramiques (17a) flexibles, collés sur le côté correspondant du panneau (11), 0 et d'une cornière (17b) périphérique en feuille métallique d'une épaisseur de 50 m. 15. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les joints de dilatation (16) sont recouverts en plus du coté de la structure - 13 - avec des bandes (18) de papier céramique comprimées et épaisses d'environ 1 à 3 mm et la'surface restante entre la face inférieure du panneau (couche 15) et la structure çellulalre (20) de.l'engin volant est remplie de mousse de polyimide (19) ayant la meme épaisseur. 16. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les panneaux (11) sont fixés sur la structure cellulaire (20) au moyen d'encllquetages (21). 1 0 17. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'onlutilise des tissus de fibres céramiques mécaniquement porteurs de charge, recouverts d'une couche fortement réflectrice, ayant des épaisseurs correspondantes. 18. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la charge mécanique est transmise entre les deuxième et quatrième couches (13, 15) par une structure en grille, des bandes renforcées (bandes multi-parois) ou des éléments.d'espacement. 19. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les couches (12) et (15) sont remplies d'une matière poreuse - par exemple de fibres. 20. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que la troisième couche 2 5 (14) est omise dans le cas de températures données basses. 21. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que l'on utilise comme élément d'espacement une structure en nid d'abeilles pour la première couche (12) et des entretoises pour la deuxième couche (13). 22. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que les surfaces des feuilles métalliques sont pourvues d'un traitement de surface. - 14 - 23. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérise en ce que les fibres ceramiques possèdent un revetement fortement réfléchissant ou que des particules à haute réflexion sont introduites dans les couches de fibres. 24. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que des glissières, des systèmes à baTonnette ou des systèmes de fixation par pression sont utilises comme fixation mécanique des panneaux (11). 25. Système de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que la mousse de polyimide (19) est remplacée par un support flexible ayant la meme fonction.