Brevet FR2642827A1 — publié le 19900810

A Dispositif d'étanchéité pour système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion. L'invention concerne un dispositif d'étanchéité pour système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion qui servent à la production de gaz propulseurs d'armes à canon à partir de composants combustibles hypergoliques (biergol hypergolique) et sont constitués par un piston à pression différentielle monté mobile en direction axiale dans le bottier de l'arme et coaxial au canon de l'arme, un piston d'appui faisant saillie à l'intérieur de la tige creuse du piston à pression différentielle et des canalisations d'amenée et d'évacuation du carburant. Les concepts concernant les armes à canon et en particulier les canons automatiques avec formation de gaz propulsifs à partir d'un carburant hypergolique liquide sont connus en soi. Ces concepts concernent une cadence moyenne d'environ 800 coups à la minute et des calibres compris entre 20 mm et 40 mm. Au cours de recherches, on a pu constater que les armes à canon dont la propulsion s'effectue au moyen de biergols hypergoliques ont au moins la même puissance que les armes à canon de type traditionnel utilisant des charges propulsives pulvérulentes. Des calculs théoriques de puissance ont montré que pour les mîmes pressions maximales des gaz et les mêmes longueurs de canons, on obtient avec les armes à canon utilisant un carburant hypergolique liquide des vitesses plus élevées des projectiles à la sortie du canon, et on a constaté aussi l'effet positif selon lequel l'échauffement et l'érosion du tube du canon sont plus faibles que lorsqu'il s'agit d'armes à canon utilisants des charges propulsives pulvérulentes. Le carburant hypergolique liquide est un carburant à deux composants constitués par un combustible et un oxydateur. Le combustible s'allume avec l'oxydateur hypergolique, c'est-a-dire sans énergie étrangère et présente avec les combinaisons qui sont intéressantes pour les armes à canon des délais d'allumage inférieurs à milli-secondes après le début du mélange et du brassage. Ces combinaisons de carburants ert connues en soi dans la technique des fusées. En ce oui concerne l'oxydateur on utilise de Préférence de l'acide nitrique fumant-blanc ou rouge ou du ditretoxyde d'azote. On mélange de cet oxydateur des carburants divers d'hvnergolicité et de toxicité différentes. Les avanta- ges essentiels des armes à canon ou des cahons mécaniques utilisant un carbu- rant hypergolique liquide par rapport à ceux qui-utilisent une charge propulsive pulvérulente consiste dans l'inexistence d'une cartouche destinée à recevoir la charge propulsive, l'inexistence d'un dispositif d'allumage et l'état d'agrégat liquide du carburant. Du fait que chaque u10 composant est stocké et transporté à l'état séparé de l'autre, et que chaque composant individuel n'est pas explosif en soi, on diminue considérablement les risques d'accident pour le porteur de l'arme. On connatt de nombreux brevets qui décrivent des armes à canon utilisant un biergol hypergolique. Dans l'arme a canon selon le brevet allemand DE-C-17 28 074, l'injection du carburant s'effectue au moyen d'un piston à pression différentielle entraîné de façon régénératrice. Les buses d'injection comprennent des clapets de non-retour soumis à l'action d'un ressort. Les types d'injection et d'allumage sont prédéterminés par un 2U dispositif d'injection additionnel dont la manoeuvre s'effectue peu avant l'arrivée en butée à l'avant du piston à pression différentielle. Dans l'arme à canon selon le DE- C-17 28 077, l'injection du carburant s'effectue également au moyen d'un piston à pression différentielle entraîné de façon régénératrice alors que les buses d'injection sont équipées de soupapes à disque et à tiroir montées à l'amont et commandées à distance. L'aspiration du carburant s'effectue par l'avance déterminée de l'extérieur du piston à pression différentielle, et les types de l'injection ainsi que de l'allumage sont déterminés par le retour vers l'arrière et commandé à distance du piston à pression différentielle. L'arme à canon selon le brevet US- A- 2 981 153 comprend une injection de carburant s'effectuant au moyen de plusieurs pistons à pression différentielle entraînés de façon régénératrice, qui ne sont pas synchronisés et qui exigent un accord précis des buses. La disposition radiale des pistons à pression différentielle permet une chambre de combustion de petit volume et une courte course d'amenée coaxiale du projectile. Les buses d'injection sont munies de soupapes a pointeau qui sont pressées pneumatiquement. Le brevet DE- C-24 27 139 décrit un système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion permettant de produire des gaz propulsifs pour armes à canon en partant de composants de carburants hypergoliques, qui comprend un cylindre de guidage pour le piston à pression différentielle et des pompes d'injection entranées par ce dernier. Dans toutes les armes à canon déjà connues dans l'état actuel de la technique, on prévoit des pistons à pression différentielle qui sont montés mobiles axialement et qui posent de ce fait des problèmes d'étanchéité aussi bien du côté de la tête que du côté de la tige. Du fait de la pression des gaz, les composants individuels du carburant sont refoulés et parviennent dans l'espace minimal existant entre les pièces qui sont mobiles longitudinalement les unes par rapport aux autres. L'objet de l'invention est de fournir un système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion du type mentionné dans la préambule et dans lequel la tête du piston à pression différentielle est rendue étanche par rapport à la chambre de combustion ou par rapport au canon de l'arme pendant la phase de remplissage des composants du carburant et jusqu'au commencement de l'injection, aussi bien que la tige mobile longitudinalement par rapport aux parties arrière de la chambre de combustion, et ceci grâce à des moyens simples. Selon l'invention, ce but est atteint du fait que la chambre de combustion qui est raccordée au canon de l'arme va en s'élargissant en forme de cône dont l'angle de cône est relativement ouvert, et en ce que la tête du piston à pression différentielle (injecteur) qui est munie de canalisations de passage et de buses est adaptée par son contour externe au cône de la chambre de combustion. La surface de l'enveloppe de forme conique de l'injecteur peut comprendre des encoches ou des gorges, ou autres éléments de forme annulaire. La surface inférieure de ces encoches ou gorges peut être disposée parallèlement à l'axe longitudinal du piston à -pression différentielle pour des raisons de technique de production et pour simplifier la fabrication. Les surfaces de la chambre de combustion et de l'injecteur qui sont adaptées l'une à l'autre sous forme d'un cône plat conviennent de façon particulièrement avantageuse et simple pour établir l'étanchéité. Le cône plat augmente la surface d'appui totale ou la surface d'étanchéité et permet simultanément un centrage limité de l'injecteur. Du fait des encoches de forme annulaire, on obtient une pluralité de surfaces d'étanchéité de forme annulaire qui permettent d'une part d'éliminer presque complètement les conséquences d'imprécisions de fabrication de la surface de l'injecteur et de la chambre de combustion et permettent d'autre part la formation de volumes de forme annulaire qui doivent d'abord être remplis avant que le fluide pénètre de façon appréciable dans l'enceinte annulaire qui suit. Selon un autre développement de l'invention, la surface d'enveloppe conique de l'injecteur peut s'étendre jusqu'à un diamètre externe qui correspond par sa partie cylindrique à l'alésage du boîtier de l'arme et on peut prévoir des canalisations de passage se présentant sous la forme de rainures longitudinales qui sont réparties sur la périphérie de la partie cylindrique de l'injecteur. Les buses peuvent être réparties sur la périphérie de l'injecteur en partant de la chambre de dosage et déboucher dans la partie conique de la surface de l'enveloppe. L'injecteur ainsi constitué permet la mise en place de la chambre de dosage destinée au carburant qui est injecté de là et par les canalisations de passage dans la chambre de combustion située à l'avant de l'injecteur. Simultanément, le second composant du carburant qui est l'oxydateur est également injecté dans la chambre de combustion en partant de la chambre de dosage située à l'intérieur de l'injecteur. Une inversion des chambres de dosage est également prévue dans le cadre de l'invention, ainsi que le choix des dimensions qui conviennent. A l'intérieur de la tige cylindrique de l'injecteur peut être inséré un piston d'appui et on peut prévoir, entre le piston d'appui et l'enveloppe interne de la tige de l'injecteur ainsi qu'entre- l'enveloppe externe de la tige de l'injecteur et le bottier, une garniture d'étanchéité à labyrinthe. L'invention sera maintenant décrite plus en détail au moyen d'un exemple de réalisation et avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la Fig. 1 est une coupe longitudinale d'une arme à canon représentée schématiquement en position avant le tir, la Fig. 2 représente le piston à pression différentielle (injecteur), partiellement en coupe, la Fig. 3 représente schématiquement et en coupe la garniture d'étarichéité à labyrinthe des parties qui sont mobiles axialement les unes par rapport aux autres, - la Fig. 4 est une coupe de la garniture d'étanchéité à labyrinthe selon la Fig. 3, la Fig. 5 est une coupe d'un autre type de garniture d'étanchéité à labyrinthe, la Fig. 6 est une coupe d'une troisième forme de réalisation d'une garniture d'étanchéité à labyrinthe. Le piston à pression différentielle 5 qui est mobile axialement est disposé dans le bottier 1 de l'arme dans un alésage 4 qui est coaxial à l'axe de l'âme du canon 2 de l'arme. La partie avant de l'alésage 4 qui est ouverte en direction du canon 2 de l'arme forme la chambre de combustion 6 qui va en s'élargissant en formant un angle de cône relativement plat en partant du canon 2 de l'arme. La tête 7 du piston à pression différentielle 5 (injecteur) est adaptée par son contour externe au cône de la chambre de combustion 6, ce qui permet d'obtenir dans l'ensemble une surface d'étanchéité importante entre les deux parties. La surface d'enveloppe conique 8 de l'injecteur 7 est munie d'encoches, de rayures, de gorges 9, Fig. 2, ou analogues, de forme annulaire, dont la surface inférieure 10 est respectivement constituée pour des raisons de technique de fabrication parallèlement à l'axe longitudinal du piston à pression différentielle 5. Du fait des encoches ou des gorges annulaires 9, on obtient sur la surface d'enveloppe 8 de l'injecteur 7 une série de surfaces d'étanchéité de forme annulaire et disposées les unes à l'arrière des autres, qui viennent en appui sur le cône de la chambre de combustion 6. A l'arrière de l'injecteur 7 se trouve la chambre de dosage de forme annulaire 1l' destinée au carburant, qui est reliée à la chambre de combustion 6 par des passages 24. A l'intérieur de l'injecteur 7 se trouve la chambre de dosage 11 destinée à l'oxydateur. De la chambre de dosage 11 partent des buses 12 qui traversent l'injecteur 7 et débouchent sur sa surface d'enveloppe conique 8. A l'intérieur de la tige de l'injecteur 13 est inséré un piston d'appui 14. Autour de la tige 13 de l'injecteur est constitué un bottier 15 qui est centré. Pour maintenir au minimum le retour de l'oxydateur pendant la phase haute pression hors de la chambre de dosage 11 et dans la partie arrière du piston à pression différentielle 5, on prévoit entre le piston d'appui 14 et la tige 13 de l'injecteur une garniture d'étanchéité à labyrinthe 16 se présentant sous la forme d'encoches de forme annulaire ou en forme de filets constituées dans l'enveloppe du piston d'appui 14. Le bottier 15 entoure la surface d'enveloppe de la tige 13 de l'injecteur et comprend également une garniture d'étanchéité à labyrinthe 17 constituée par des encoches en forme de filets ou de forme annulaire. Il en résulte que le carburant qui se trouve dans la chambre de dosage il' pendant la phase haute pression ne s'écoule vers l'arrière qu'en faibles quantités quand une pression gazeuse se forme dans la chambre de combustion avant 6. Du fait de la formation des espaces annulaires, on évite largement un retour des fluides entre parties mobiles longitudinalement. Les espaces de forme annulaire se remplissent peu à peu, ce qui fait que le passage de fluides dans la chambre annulaire suivante est fortement réduit par un effet de turbulences. Les encoches des garnitures d'étanchéité à labyrinthe peuvent être constituées selon les Fig. 4, 5 et 6 sous une forme rectangulaire 18, une forme ronde et pointue 19 ou une forme en dents de scie 20. En 21 et 22 sont désignées les canalisations d'évacuation du carburant et de l'oxydateur, dans lesquelles peuvent également pénétrer les liquides de fuite dès qu'ils sortent de la garniture d'étanchéité à labyrinthe. Des garnitures annulaires de fermeture 23, 23' sont prévues axialement à l'arrière des canalisations d'évacuation 21, 22. REVENDICATIONS - 1. Dispositif d'étanchéité pour système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion qui servent-à la production de gaz propulseurs d'armes à canon à partir de composants combustibles liquides et en particulier hypergoliques et sont constitués par un piston à pression différentielle monté mobile en direction axiale dans le bottier de l'arme et coaxial au canon de l'arme, un piston d'appui faisant saillie à l'intérieur de la tige creuse du piston à pression différentielle et des canalisations d'amenée et d'évacuation du carburant, caractérisé en ce que la chambre de combustion (6) qui est raccordée au canon (2) de l'arme va en s'élargissant en forme de cSne dont l'angle de cône est relativement ouvert,et en ce que la tête (7) du piston à pression différentielle (5) qui est munie de canalisations de passage (24) et de buses (12) est adaptée par son contour externe au c8ne de la chambre de combustion (6). 2. Système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de l'enveloppe (8) de forme conique de l'injecteur (7) comprend des encoches, des gorges, ou autres éléments de forme annulaire (9). 3. Système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface inférieure (10) des encoches, gorges ou analogues (9) est disposée parallèlement à l'axe longitudinal du piston à pression différentielle (5). 4. Système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'enveloppe conique (8) de l'injecteur (7) s'étend jusqu'a un diamètre externe qui correspond par sa partie cylindrique à l'alésage (4) du boîtier (1) de l'arme et en ce que des canalisations de passage (24) se présentant sous la forme de rainures longitudinales sont réparties sur la périphérie de la partie cylindrique de l'injecteur (7). 5. Système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les buses (12) qui sont réparties sur la périphérie de l'injecteur (7) en partant de la chambre de dosage (11) et débouchent dans la partie conique de la surface de l'enveloppe (8). 6. Système à piston à pression différentielle et à chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que à l'intérieur de la tige cylindrique (13) de l'injecteur est inséré un piston d'appui (14) et en ce qu'on prévoit entre le piston d'appui (14) et l'enveloppe interne de la tige (13) de l'injecteur ainsi qu'entre l'enveloppe externe de la tige (13) de l'injecteur et le bottier (15) une garniture d'étanchéité à labyrinthe (16, 17).