Brevet FR2629874A1 — publié le 19891013

Structure de surface d'éléments de construction à paroi mince L'invention concerne une structure de surface pour améliorer l'évacuation de la chaleur à partir d'éléments de construction de précision à paroi mince, fortement sollicités thermiquement et mécaniquement, par rayonnement dans un environnement gazeux pratiquement pur, ou dans le vide, en particulier pour augmenter l'émissivité de mécanismes moteurs de réglage de position refroidis par rayonnement, travaillant dans le vide, ayant de multiples gorges sensiblement parallèles, voisines les unes des autres, formées par enlèvement de copeaux dans la surface de l'élément de construction. L'invention concerne également un procédé de fabrication de cette structure de surface. Dans les groupes de propulsion des fusées, pour le fonctionnement dans le vide, comme par exemple pour les mécanismes moteurs de réglage de position, le refroidissement par rayonnement est le mode de refroidissement préféré. Par rapport au refroidissement à régénération, les avantages consistent en ce qu'il n'est nécessité aucune structure de paroi compliquée, creuse, à canaux de refroidissement, n'est nécessaire et en ce qu'il ne survient aucune perte de puissance, par exemple du fait de l'entraînement de pompes de fluide de refroidissement. Pour des raisons de résistance, la température des parois du mécanisme moteur doit être maintenue nettement au- dessous de leur température de fusion, de sorte que des puissances de mécanisme moteur élevées, qui sont liées à des densités élevées de flux de chaleur, ne sont possibles que par l'utilisation de matériaux fondant à haute température et résistants à la corrosion. De tels matériaux, tels que par exemple le platine, possèdent malheureusement un coefficient d'émission très bas, de sorte que l'avantage de la température de paroi admissible plus élevée est à nouveau entièrement ou partiellement annulé. L'application de couches rayonnant mieux échoue en règle générale par suite de l'insuffisance du pouvoir adhésif et de la résistance à la température de telles couches. Selon le document DE-OS 34 46 243, on connaît une microstructure pour améliorer le rayonnement thermique ou l'absorption thermique d'une surface d'élément de construction. Cette microstructure se compose, alternativement à chaque fois, de nervures droites à bords frontaux arrondis, ainsi que de gorges séparant les nervures et à fond de gorge rectangulaire. Pour accroître la résistance mécanique ainsi que la résistance à la corrosion, les gorges sont remplies d'un matériau perméable aux infra-rouges ( par exemple le verre ou une matière plastique). Aucune indication n'est donnée sur les dimensions exactes des nervures ou des gorges ansi que sur leur fabrication. De manière générale il faut dire que la forme de gorge représentée produit des contraintes par effet d'entaille et affaiblit ainsi mécaniquement l'élément de construction. La combinaison avec un matériau de remplissage ne permet aucune température élevée pour les éléments de construction, d'une part par manque de résistance suffisante à la température du matériau de remplissage (par exemple la matière plastique), d'autre part par manque de pouvoir adhésif suffisant, en particulier du fait d'une dilatation thermique très différente. Le document US-PS Re 30 077 décrit des surfaces microstructurées pour l'ébullition avec bulle dans les liquides. Pour améliorer la formation de bulles, les surfaces d'ébullition sont pourvues de rainures étroites, profondes. Les nervures subsistant entre les rainures sont localement déformées dans la zone de pointe, de sorte que la largeur de rainure diminue lorsque l'on va vers la sortie. La densité de rainures la plus forte est de 9 rainures par millimètre, la profondeur de rainure minimale est de 203 gm, la plus petite largeur de rainure à la zone de sortie est de 13 gm. La fabrication des rainures s'effectue avec des outils courants, par enlèvement de copeaux (par exemple des fraiseuses, des outils à mortaiser), ou bien sans enlèvement de copeaux (par exemple des galets). Ainsi que les micrographies agrandies le montrent (par exemple figures 2, 3,5), il apparaît à la fabrication des écarts de forme, de position et de dimensions très importants, de sorte qu'il ne faut considérer les indications de chaque type uniquement que comme des valeurs moyennes approximatives. Pour des cas d'utilisation dans lesquels la structure de surface, et avec elle par exemple le comportement en rayonnement, doit coïncider localement exactement avec les indications préalables théoriques, le procédé de fabrication selon le document US-PS Re 30 007 n'est pas utilisable. Un autre procédé connu pour fabriquer des surfaces microstructurées est l'attaque par corrosion chimique. Du fait de la surface crevassée des zones attaquées chimiquement et des contraintes par effet d'entaille provoquées de ce fait, ce procédé n'est pas adéquat pour des éléments de construction à paroi mince, fortement sollicités mécaniquement. Le but de l'invention consiste par contre à créer une microstructure de surface utilisable dans un environnement pratiquement pur, de forme gazeuse, ou dans le vide, qui améliore l'évacuation de la chaleur à partir d'éléments de construction de précision à paroi mince, fortement sollicités thermiquement et mécaniquement, par rayonnement, sans influencer négativement de façon décelable leurs caractéristiques mécaniques, qui soit fabricable avec une précision élevée et fournisse ainsi, également localement, des caractéristiques de rayonnement définies exactement, et à indiquer un procédé pour fabriquer cette structure de surface. Le but de l'invention est atteint par une structure de surface à gorges multiples, dont les gorges présentent une section transversale en forme de U, à parois latérales parallèles et à fond de gorge arrondi, la profondeur de gorge étant d'environ 100 jm, le rapport de la profondeur de gorge à la largeur de gorge étant d'au moins 5, l'écart de forme des sections transversales de gorge sur la longueur totale de chaque gorge étant tout au plus de 1 gm, et le plus petit intervalle entre sections transversales de gorges voisines étant d'environ 10 gm. Les gorges de la structure de surface peuvent être formées par enlèvement de copeaux à l'aide d'outils de formage à diamants. Par la forme choisie, les dimensions choisies, ainsi que l'écartement choisi (densité de gorge) des gorges formées dans la surface de l'élément de construction, on réussit à rapprocher beaucoup les caractéristiques de rayonnement de celles du "corps noir", sans dégrader de manière décelable la résistance mécanique. La précision souhaitée est obtenue par la fabrication des gorges au moyen d'outils de formage à diamants. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément de construction peut être un élément à symétrie de révolution et la surface de l'élément de construction peut être pourvue de multiples gorges se développant suivant la circonférence. En particulier l'élément de construction à symétrie de révolution peut être un mécanisme moteur de réglage de position à structure intégrale à chambre de combustion et tuyères et la surface de l'élément peut être pourvue de multiples gorges se développant suivant la circonférence, l'écartement axial entre les sections transversales de gorge voisines étant minimum dans la région du col de tuyère et devenant plus grand lorsque l'on va vers la tête d'injection ou la sortie de la tuyère. Les gorges de la structure de surface des éléments de construction à symétrie de révolution peuvent être formées par tournage en plongée. L'invention est expliquée ci-dessous plus en détail à l'aide des exemples de réalisation représentés sur le dessin, dans lequel: La Figure 1 représente de manière simplifiée une coupe partielle d'une surface microstructurée, la Figure 2 est une demi-vue simplifiée d'un mécanisme moteur de réglage de position à surface structurée. La structure de surface 1 représentée sur la figure 1 est obtenue par formation de gorges profondes 3, par enlèvement de copeaux, dans la surface 2 de l'élément de construction lisse, fabriquée avec une grande précision. Chaque gorge 3 présente une section transversale en forme de U, avec des parois 6,7 latérales parallèles l'une à l'autre et un fond de gorge 8 arrondi, ce qui est favorable quant aux contraintes. Il est évident que, pour ce qui concerne le fond de gorge 8, exécuté dans le cas présent avec un rayon constant, d'autres contours viennent aussi en ligne de compte, tels que par exemple un contour parabolique ou bien deux rayons, avec une partie droite intermédiaire. La forme du fond de gorge 8 a en premier lieu pour but d'éviter les contraintes par effet d'entaille dans l'élément de construction, et en second lieu pour but de permettre une forme d'outil simple, favorable, présentant une longue durée de vie. Le rapport de la profondeur de gorge t à la largeur de gorge b est au moins de 5, de sorte que, pour une densité dt gorge suffisamment élevée, c'est- à-dire un intervalle a entre gorges aussi petit que possible, on obtient une émissivité approximativement aussi élevée que dans le cas du "corps noir". Concernant l'effet optique de caverne des gorges 3, il serait également adéquat d'agrandir la section transversale de gorge lorsqu'on va vers le fond de gorge 8. La fabrication de telles sections arrière nécessiterait toutefois une action latérale de l'outil et mènerait à une forme d'outil défavorable du point de vue de la résistance. C'est pourquoi la réalisation à parois latérales 6,7 parallèles est préférée. Un agrandissement des sections transversales de gorges vers la surface des éléments de construction 2 n'est pas adéquat, du fait qu'une telle forme dégraderait l'effet de caverne. Si l'on part d'une épaisseur de paroi d'environ 1 mm, typique pour les mécanismes moteurs de réglage de position, le choix d'une profondeur de gorge t valant environ 100 Im n'entraîne aucun affaiblissement mécanique notable de la paroi de l'élément de construction. Eu égard à une stabilité minimale de la structure de surface 1,' nécessaire pour toute manipulation, et eu égard aux charges et tolérances lors de la fabrication, l'intervalle a le plus petit entre sections transversales de gorges voisines, c'est-à-dire l'épaisseur de nervure, ne doit pas être inférieur à environ 10 Jm. On peut utiliser comme outils des outils de formage à diamants, rectifiés ou travaillés autrement avec une finission poussée, que l'on déplace de préférence uniquement dans le sens longitudinal de la gorge, ainsi que dans le sens de la profondeur de la gorge (avance), par rapport à la pièce. Les déplacements latéraux, transversalement au sens longitudinal de gorge, sont possible mais réduisent toutefois en règle générale la précision de la fabrication. Ainsi on peut considérer par exemple le tournage, le rabotage, le mortaisage et le brochage en tant que procédés de fabrication des gorges 3. La précision de forme accessible des sections transversales de gorge, sur la longueur de gorge, est extrêmement élevée, l'écart de forme étant au plus de +l m. On peut de cette manière mettre en pratique de manière reproductible les coefficients de rayonnement prédéterminés théoriquement. Du fait de sa finesse, la structure de surface 1 n'est pas appropriée, comme cela a été reconnu, à l'utilisation dans un air environnant enrichi en humidité et en impuretés. Les applications terrestres concernent par exemple les enceintes propres ou un environnement artificiel à forme gazeuse. L'environnement préféré est le vide spatial. La figure 2 représente de manière fortement simplifiée un mécanisme moteur de réglage de position 9, destiné par exemple à un satellite. Pour des raisons de clarté, les gorges 5 sont représentées plusieurs fois agrandies par rapport à la taille du mécanisme moteur, le rapport profondeur/largeur n'étant pas non plus conforme à l'échelle. Dans la réalité on dispose sur une longueur du mécanisme moteur de par exemple 100 mm, déjà jusqu'à environ 3000 gorges. Le mécanisme moteur de réglage de position 9 présente une structure intégrale à chambre de combustion et tuyères et est fabriquée principalement par tournage de précision. On a indiqué par 11 uniquement la position de la tête d'injection. Les détails ne sont pas représentés. Les gorges 5 sont formées par tournage en plongée dans la surface d'élément de construction 4, le mouvement d'avance s'effectuant chaque fois perpendiculairement à l'axe *du mécanisme moteur. Dans des parties de surface axialement convergentes ou divergentes, la profondeur de gorge la plus faible est choisie de façon que le rapport profondeur sur largeur soit également au moins de 5. La largeur de gorge est identique sur toute la longueur du mécanisme moteur et correspond à la largeur de l'outil de plongée (outil de formage à diamant). Afin d'être l'adaptée à la sollicitation thermique qui diffère d'un endroit à une autre, la densité de gorge est la plus grande dans la zone du col de tuyère 10 et décroît aussi bien en direction de la tête d'injection 11 qu'également vers la sortie de tuyère 12. Ceci est obtenu dans la technique de fabrication, par le fait que l'intervalle axial entre gorge est le pluspetit dans la zone du col de tuyère 10 et croît vers les deux extrémités du mécanisme moteur. L'amélioration du refroidissement par rayonnement, que l'on peut obtenir au moyen de l'invention, permet une augmentation de la puissance du mécanisme moteur et/ou de la durée de vie du mécanisme moteur, pour des dimensions de mécanisme moteur déterminées. Si on veut conserver une puissance et un durée dé vie prédéterminée, on peut grâce à l'invention construire les mécanismes moteurs correspondants plus petits et plus légers. g REVENDICATIONS 1. Structure de surface pour améliorer l'évacuation de la chaleur à partir d'éléments de construction de précision à paroi mince, fortement sollicités thermiquement et mécaniquement, par rayonnement dans un environnement gazeux pratiquement pur, de forme gazeuse, ou dans le vide, en particulier pour augmenter l'émissivité de mécanismes moteurs de réglage de position refroidis par rayonnement, travaillant dans le vide, avec de multiples gorges sensiblement parallèles, voisines les unes des autres, formées par enlèvement de copeaux dans la surface de l'élément de construction, caractérisée en ce que les gorges (3,5) présentent une section transversale en forme de U, à parois latérales parallèles (6,7) et à fond de gorge (8) arrondi, en ce que la profondeur de gorge (t) est d'environ 100 gm, en ce que le rapport de la profondeur de gorge (t) à la largeur de gorge (b) est d'au moins 5, en ce que l'écart de forme des sections transversales de gorge sur la longueur totale de chaque gorge (3, 5) est tout au plus de 1 lm, et en ce que le plus petit intervalle (a) entre section transversales de gorges voisines est d'environ 10 gm (Fig. 1). 2. Structure de surface selon la revendication 1, pour des éléments de construction à symétrie de révolution, caractérisée en ce que la surface (4) de l'élément de construction est pourvue de multiples gorges (5) se développant suivant la circonférence (Fig.2). 3. Structure de surface selon la revendication 2, pour des mécanismes moteur de réglage de position à structure intégrale à chambre de combustion et tuyères, caractérisée en ce que l'écartement axial entre des sections transversales de gorge voisines est minimum dans la région du col de tuyère (10) et devient plus grand lorsque l'on va vers la tête d'injection (11), respectivement vers la sortie de la tuyère (12) (Fig.2). 4. Procédé de fabrication de la structure de surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les gorges (3,5) sont formées par enlèvement de copeaux, à l'aide d'outils de formage à diamants. 5. Procédé selon la revendication 4, pour l'usinage des éléments de construction à symétrique de révolution, caractérisé en ce que la formation des gorges (5) s'effectue par tournage en plongée.