Brevet FR2627767A1 — publié le 19890901

L'invention concerne une chambre de combustion délivrant du fluor sous forme atomique destiné à être injecté dans la cavité d'émission laser d'un laser chimique à fluorure de deutérium (DF) ou à fluorure d'hydrogène (HF) Le fonctionnement des lasers chimiques du type DF ou HF implique une réaction chimique du deutérium ou de l'hydrogène avec du fluor F sous forme atomique pour produire des halogénures de deutérium ou d'hydrogène. Dans les lasers à fluorure de deutérium, l'inversion de population partielle des molécules de fluorure de deutérium vers des états vibrationnellement excités par rapport à l'état fondamental, en vue d'engendrer une émission laser, est généralement obtenue par la réaction Le retour jusqu'au niveau fondamental des molécules vibratoirement excites engendre l'effet laser et les longueurs d'ondes de l'émission laser, caractéristiques des molécules de fluorure de deutérium vibratoirement excitées, sont voisines de 4 mixerons, De grandes vitesses de réaction sont nécessaires pour obtenir un taux d'états excités de fluorure de deutérium par rapport aux états fondamentaux suffisant pour engendrer l'émission laser. De meme, dans les lasers à fluorure d'hydrogène, l'inversion de population est obtenue par la réaction : et les longueurs d'ondes de l'émission laser sont comprises entre 2,6 et 2;9 microns. On a déjà proposé un générateur de gaz dans lequel le fluor atomique est obtenu par combustion d'un mélange comportant un corps fluorocarboné, comme du polytétrafluoréthylène (CF )n en poudre, ou un produit dérivé, et un 2 sel oxydant contenant du fluor, comme du tétrafluoroborate de tétrafluorure ammonium NF4BF4. Les températures atteintes par la combustion de ce mélange sont élevées, ce qui est favorable à une bonne dissociation du fluor moléculaire en fluor atomique, mais les produits nécessaires au mélange, en parti- culier le NF4BF4, ne sont pas disponibles dans le commerce et sont très difficiles à manipuler.De plus, ce générateur de gaz s'adapte mal aux lasers chimiques émettant de brèves rafales en régime d'ondes continues car il n'est pas possible d'interrompre ni surtout de réamorcer ensuite la combustion du mélange disposé dans la chambre de combustion. Aussi, en pratique, la production de fluor atomique pour un laser à fluorure de deutérium, en amont de la cavité laser, est obtenue par combustion, dans une chambre de combustion, de fluor sous forme moléculaire F2 et d'hydrogène H2. Un excès de fluor moléculaire par rapport à la proportion stoechiométrique est introduit dans la chambre de combustion et est dissocié en fluor atomique selon la réaction grâce à l'élévation de température produite par la combustion. La dissociation du fluor moléculaire en fluor atomique dépend de la température et le rapport du nombre d'atomes de fluor au nombre de molécules de fluor augmente avec elle. La production de fluor atomique est aussi obtenue par réaction exothermique d'une substance contenant du fluor (fluor moléculaire F2, trifluorure d'azote NF3, tétrafluorure d'hydrazine N2F4..) avec de l'hydrogène H2 ou une substance source d'hydrogène (benzène C6 H6, hydrazine N2 H4...). Ces composants sont injectés dans la chambre de combustion avec un diluant inerte facul tatif (Hélium He, Azote N ) et, soi.t à la suite d'un amorçage, soit par réac 2 tion hypergolique, produisent une combustion qui crée des températures suffisantes pour dissocier la substance contenant du fluor en atomes de fluor. Mais dans certaines conditions, la combustion d'un hydrocarbure Cx Hy avec du fluor moléculaire produit des composés fluorés ou carbonés qui sont considérés comme polluants pour l'émission laser. Par exemple la combustion complète selon la réaction entraîne, dans la chambre de combustion, une élévation de température qui est favorable à la dissociation du fluor moléculaire en excès en fluor atomique, mais produit, outre le tétrafluorure de carbone CF4, du fluorure d'hydrogène HF. Si le fluor atomique et les composés carbonés et fluorés résultant de la combustion sont ensuite injectés dans la cavité d'émission d'un laser à fluorure de deutérium, les longueurs d'ondes de vibrations des molécules desactivantes de fluorure d'hydrogène HF à l'état fondamental voisines de 4 microns créent dans la cavité laser un couplage parasite avec les molécules de fluorure de deutérium à l'état excité qui dégrade l'émission laser et, lorsque leur concentration devient suffisante, peut même l'interrompre. De plus, la combustion incomplète d'un hydrocarbure et de fluor moléculaire selon la réaction produit, en outre, du carbone. qui " noircit " le faisceau laser et/ou produit un dépôt adhérant sur les miroirs de la cavité résonnante qui diminue ainsi notablement la puissance utile. Le rendement d'une chambre de combustion engendrant du fluor atomique dépend, pour une pression déterminée, de la température atteinte dans la chambre et de la rapidité avec laquelle on obtient un équilibre thermique du foyer qui favorise la bqnne dissociation du fluor. La dissociation du fluor, qui commence vers 11000 K, est presque totale vers 16000 K. Une température élevée de combustion est nécessaire et il est donc souhaitable de réduire au maximum les déperditions de chaleur en calorifugeant les parois de la chambre de combustion. En outre1 le refroidissement des parois est souhaitable pour éviter une réaction avec le fluor extrêmement corrosif à haute température. On a déjà proposé de nombreux dispositifs de protection thermique des parois par circuiation d'un fluide (air, eau...) double chemisage, mais ces dispositifs sont compliqués à mettre en oeuvre, encombrants et se prêtent mal aux applications des lasers embarqués. De plus, le rendement de fluor atomique obtenu est très faible par rapport au rendement théorique En pratique, une partie importante des calories dégagées par la combustion est cédée aux parois et donc perdue par le mélange gazeux. On peut alors augmenter la quantité de combustible pour essayer d'atteindre une température voisine de 1500 K.Mais, pratiquement, le débit massique maximal de fluor atomique obtenu ne peut dépasser 60 % du débit massique caleulé pour une richesse voisine de 0,5 ; la richesse-etant-définie par la relation débit = débit masse combustible/débit masse comburant (débit = (débit masse combustible/débit masse comburant) stoechiométrique Un premier but de l'invention est de réaliser un générateur de fluor atomique de rendement élevé et délivrant à la cavité laser du fluor atomique, sans composés polluants pour l'émission laser. Un second but de l'invention est de réaliser un générateur de fluor atomique ne nécessitant pas de dispositif de refroidissement complexe et permettant ainsi de construire un laser chimique de faible encombrement, facile à transporter et capable de fonctionner en continu à grande puissance. Un troisième but de l'invention est de supprimer le réservoir de stockage de combustible ainsi que le dispositif d'amenée dudit combustible dans la chambre de combustion permettant ainsi de construire des lasers embarquables d'encombrement réduit. L'invention permet de supprimer pratiquement totalement les pertes thermiques du générateur de fluor atomique grâce à l'emploi de combustibles solides judicieusement choisis et disposés dans la chambre de combustion. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, la chambre de combustion permet d'atteindre facilement une température du foyer de plus de 18500 K ce grâce à quoi le fluor moléculaire en excès est à peu près totalement dissocié en fluor atomique. L'invention pallie les inconvénients des générateurs de fluor atomique connus. Elle a pour objet une chambre de combustion délivrant du fluor atomique à une cavité d'émission laser d'un laser chimique et comprenant une enveloppe métallique qui délimite un volume intérieur constituant la cavité de la chambre, et des moyens pour y introduire des constituants gazeux participant à la combustion d'une substance combustible et d'un gaz oxydant source de fluor, en excès par rapport à la proportion stoechiométrique, caractérisé en ce que la substance combustible est un matériau choisi dans le groupe constitué par le polytétrafluoréthylène, le soufre, le carbone, ou un hydrocarbure, et disposé à l'état solide dans la chambre de combustion Dans une forme de réalisation de l'invention, une partie du.maté- riau combustible est disposée sous la forme d'un revêtement de la surface interne de la chambre de combustion et, tout en participant à la combustion, joue le rôle d'écran de protection thermique. L'invention va être décrite en relation avec la figure unique qui représente une coupe axiale d'une chambre de combustion dont le corps est à symétrie de révolution et qui comporte une disposition préférentielle du matériau combustible. Dans la réalisation représentée sur la figure, le gaz oxydant est du fluor moléculaire et la substance combustible du Téflon disposé dans une chambre de combustion présentant une symétrie axiale. L'enveloppe 1 de la chambre de combustion qui délimite un volume intérieur constituant la cavité 11 de la chambre est une paroi cylindrique creuse fermée d'un côté par un fond 2 et présentant de l'autre côté un goulot 3 comportant une ouverture circulaire 4 communiquant avec la cavité d'émission laser non représentée. Le fond 2 de l'enveloppe 1 est percé pour laisser passer les tubulures 5 et 6 d'arrivée de fluor F2, les tubulures 7 et 8 d'arrivée d'hélium He, qui est-un diluant inerte favorisant l'émission laser et la tubulure 9 d'amenée.d'hydro- gène H2 dont le rôle, temporaire, est d'amorcer, si nécessaire, la combustion. Une tuyère de détente 10 est ménagée à la sortie de la chambre de combustion pour provoquer un écoulement supersonique des gaz engendrés dans la cavité il de la chambre de combustion. La paroi 1 de la chambre de combustion est avantageusement revêtue d'une couche 111 et 112 d'un matériau fluorocarboné à l'état solide comme du polytétrafluoréthylène, obtenue par usinage à partir d'un bloc de Téflon. I1 est aussi possible d'obtenir un revêtement de Téflon par séchage vers 300 à 4000 C d'une dispersion aqueuse de Téflon, ou en polymérisant le monomère correspondant (le tétrafluoréthylène) amené sous forme gazeuse. Trois plaques de Téflon 121, 122, 123, de forme circulaire, sont disposées transversalement à l'axe de symétrie de la chambre.Les plaques 121, 122, 123 sont perçées d'orifices 13 de manière à permettre le transfert vers la cavité d'émission du laser des gaz résultant de la combustion du Téflon et du fluor moléculaire en excès. Dans la réalisation présentée, chacune des plaques circulaires comporte quatre orifices 13 situés au voisinage de la périphérie des plaques sur deux diamètres perpendiculaires, les trois plaques 121, 122, 123 sont séparées par des intervalles et sont décalées angulairement de façon à ce que les orifices 13 dont elles sont munies délimitent des passages pour les gaz, l'ensemble des plaques, des orifices et des intervalles constituant ainsi des chicanes favorisant la combustion du Téflon et conduisant à une bonne homo génélsation du mélange gazeux obtenu à la sortie de la chambre. La combustion du polytétrafluoréthylène disposé dans la chambre de combustion avec du fluor moléculaire suivant la réaction produit une élévation de température qui permet la dissociation du fluor moléculaire en excès en fluor atomique.Le polytétrafluoréthylène revêtant la paroi de la chambre 1 participe à la combustion en fournissant des calories au foyer et joue le rôle d'écran thermique permettant dans certains cas d'éviter l'emploi des dispositifs de refroidissement des parois de la chambre de combustion. Il joue aussi le rôle d'écran chimique en isolant de la paroi le fluor très corrosif à haute température. . L'épaisseur de la couche de Téflon revêtant la paroi de la chambre de combustion et celle des plaques disposées transversalement dépendent des caractéristiques recherchées pour la chambre telles que la durée de fonctionnement et le débit du fluor atomique prévu. Suivant les conditions expérimentales (débit, pression, température, ordre d'arrivée des gaz d'alimentation), l'allumage peut être obtenu par une réaction hypergolique1 ou bien il peut être commandé au moyen d'un gaz auxiliaire. Dans le cas où l'hélium est introduit dans la cavité 11 avant le fluor, il faut introduire momentanément de l'hydrogène H2 au moyen de la tubulure 9 pour provoquer une réaction hypergolique avec le fluor. Dans le cas contraire il y a réaction hypergolique et l'injection d'hydrogène est inutile.Pour un mélange gazeux entrant à température ambiante et sous une pression de 4,6 bars et dont la composition est définie par les débits massiques respectifs - F2 : 9 g/s - He : 3,84 g/s - (CF2)n brûlé : 7,2 g/s on obtient un mélange de sortie dont la composition en débit massique est la suivante - fluor atomique : 3,48 g/s - F2 résiduel : 0,044.gus - CF4 : 12,67 g/s - He : 3,84 g/s Le haut rendement de fluor atomique obtenu au moyen de cette chambre de combustion est dû à la température du foyer atteinte (voisine de 18500 R) en l'absence de pertes thermiques importantes (inférieures à 5 %). D'autres corps combustibles solides tels que les hydrocarbures, le carbone, ou le soufre permettent d'atteindre par combustion avec du fluor moléculaire ou avec un gaz contenant du fluor (NF3, N2 F4 ...) des températures suffisantes pour obtenir du fluor atomique. Ainsi, on a procédé à des essais en remplaçant les plaques 121, 122, 123 en Téflon représentées sur la figure par du soufre, et l'on a supprimé le revêtement 111-112 de la paroi ; on obtient pour un débit massique du mélange entrant - F2 : 9,85 g/s - He : 2,64 g/s - S brûlé : 1,05 g/s sous une pression de 2,3 bars et à température ambiante, un mélange gazeux sortant comportant - Fluor atomique : 0,6 g/s - F2 résiduel : 5,5 g/s - SF6 : 4,79 g/s - He : 2,64 g/s La température atteinte est, dans ces conditions, voisine de 11000 K. L'invention a été décrite dans une application à une chambre de combustion à géométrie de révolution, mais elle s'applique évidemment aux chambres de combustion à symétrie plane. L'enveloppe a alors grossièrement la forme d'un parallélépipède rectangle ouvert sur l'une de ses faces et la figure qui est une coupe longitudinale d'une chambre de combustion à géométrie de révolution représente, dans le cas d'une symétrie plane, une coupe transversale de la chambre de combustion. Les plaques 121, 122, 123 de matériau combustible solide ont alors une forme rectangulaire appropriée à la géométrie de la chambre. REVEN'DICATIONS 1 - Chambre de combustion délivrant du fluor atomique pour un laser chimique et comprenant une enveloppe métallique qui délimite un volume intérieur constituant la cavité de la chambre et des moyens pour introduire des eonstituants gazeux participant à la combustion dans ladite cavité, d'une substance combustible et d'un gaz oxydant, source de fluor, en excès par rapport à la proportion stoechiométrique, caractérisée en ce que la substance combustible est un matériau choisi dans le groupe constitué par le polytétrafluoréthylène, le soufre, le carbone, les hydrocarbures et disposé à l'état solide dans la chambre de combustion. . 2 - Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que une partie de la substance combustible solide est disposée sous la forme d'un revêtement de la surface interne de l'enveloppe métallique. 3 - Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la substance combustible se présente sous la forme de plaques disposées transversalement dans la cavité de la chambre et comportent des orifices pour permettre le passage des gaz. 4 - Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'autre partie de la substance combustible solide se présente sous forme de plaques disposées transversalement dans la cavité de la chambre et qui comportent des orifices pour permettre le passage des gaz. 5 - Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que l'enveloppe métallique présente une symétrie de révolution. 6 - Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications t à 4, caractérisée en ce que l'enveloppe métallique présente une symétrie plane. 7 - Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la participation à la combustion est obtenue par de l'hélium. 8 - Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisée en ce que le mélange gazeux comporte de l'hélium et de lthydrogène introduit momentanément pour amorcer la combustion.