Brevet FR2640259A1 — publié le 19900615

Procédé de fabrication par moulage d'un bloc de propergol solide à combustion frontale pilotée par des conducteurs de chaleur et bloc obtenu par ce procédé La présente invention concerne un procédé de fabrication de blocs de propergol pour fusées, missiles ou plus généralement tout engin propulsé par un combustible solide, présentant une vitesse de combustion fortement accrue par incorporation de conducteurs de chaleur dans les blocs propulseurs. L'invention a plus particulièrement pour objet un procédé de fabrication par moulage de blocs de propergol solide à combustion frontale comportant des conducteurs de chaleur, de préférence métallique. I1 est déjà connu, notamment par le brevet français nO 1 349 125 et le brevet américain nO 3 509 822, que la vitesse de combustion apparente d'un propergol est fortement accrue par rapport à la vitesse intrinsèque de ce propergol, si des conducteurs thermiques sont incorporés dans le bloc de propergol. En effet, ces conducteurs thermiques qui sont généralement des fils ou bandes métalliques, modifient le champ thermique en amont du front de flamme, du fait de la différence de conductivité entre la matrice de propergol et le conducteur thermique Cette modification du champ thermique induit une modification du champ des vitesses de combustion au voisinage du conducteur, et provoque la formation d'un cône centré sur le conducteur.Cette création de cônes augmente la surface de combustion et donc la quantité de gaz propulseurs. Plusieurs modes d'incorporation de ces conducteurs thermiques ont été proposés. Un premier mode consiste à incorporer dans la matrice de propergol une certaine quantité de fils conducteurs de petite longueur et selon une distribution quelconque. Dans le second mode, seulement quelques fils conducteurs sont disposés selon la direction longitudi -;e du bloc et sensiblement perpendiculairement à ses faces d'extrémité. Ce dernier mode de réalisation permet d'obtenir une vitesse apparente de combustion plus élevée et plus régulière. D'autres études, publiées notamment dans le brevet français nO 1 349 125, déjà cité, et l'article "Influence of Long Metal Wires on Combustion of Double-Base Propellants" de CHEN SHULING et LIFENGSHENG publié dans "Combustion and Flame" nO 45 p. 213-218, 1982 ;-- ris en évidence l'influence du diamètre du conducteur sur la vitesse de combustion. Ainsi, il a été trouvé que la vitesse apparente de combustion la plus élevée était obtenue avec des fils de 0,15 mm de diamètre environ. Toutefois, la fabrication de ces blocs de propergol par coulée de propergol dans un moule, dans lequel les fils ont été, au préalable, co-.venablement disposés et maintenus en légère tension, stest avérée rres délicate, notamment pour des compositions de propergol visqueuses. En effet, la pression exercée par la composition de propergol provoque la rupture des fils, ce qui entraîne par la suite des variations dans la combustion des blocs, et cela d'autant plus que les fils sont fins. Pour éviter la rupture des fils lors de la coulée de la composition propulsive, on peut diminuer la tension exercée sur les fils, mais cela conduit à des blocs comportant des fils non parallèles entre eux et à la direction longitudinale du bloc, et donc la vitesse de combustion du bloc présente des variations relativement importantes. En outre, la disposition des fils dans le moule et leur maintien sous tension requéraient une installation relativement complexe et encombrante qui gênait la coulée de la composition de propergol. La présente invention a notamment pour objet de remédier à tous ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication par moulage de blocs de propergol solide à combustion frontale dont la combustion est pilotée par des conducteurs thermiques de petite section sans risque de rupture des conducteurs pendant la coulée du propergol. A cet effet, le procédé de fabrication de l'invention comprend les étapes successives suivantes - former par moulage d'une première composition propulsive, une première partie du bloc à fabriquer, cette partie étant une portion longitudinale du bloc, tel que par exemple, une couronne, un noyau central ou analogue - disposer, en appui sur une ou plusieurs parois de la première partie du bloc déjà moulée, une partie ou la totalité des conducteurs thermiques - former une seconde partie du bloc par coulée d'une seconde composition de propergol dans un moule dont au moins une partie est formée par les parois de la première partie comportant les conducteurs de la chaleur - et recommencer ces deux dernières opérations, si nécessaire, jusqu'à la réalisation du bloc dans sa totalité. Le procédé de l'invention facilite, donc, la mise en place des conducteurs de chaleur. En effet, comme les conducteurs thermiques sont maintenus en appui contre la paroi de la première partie, pendant la coulée de la seconde composition, ils ne sont soumis qu'à de très faibles forces de pression, et les risques de ruptures sont sensiblement totalement éliminées. Un autre avantage de ce procédé réside dans le fait qu'il est possible de fabriquer des blocs monocomposition ou multicomposition, et plus particulièrement bicomposition, selon que la première et la seconde composition de propergol sont identiques ou différentes. Les conducteurs de chaleur sont, de préférence, des fils métalliques, mais il est également possible d'utiliser des bandes métalliques, par exemple, ou des fils et bandes constituées d'une matière ayant un coefficient de conductibilité thermique supérieur à celui des compositions de propergol constituant le bloc propulseur. Les fils métalliques ont avantageusement un diamètre compris entre 0,1 mm et 1 mm environ, et sont, par exemple, des fils d'argent ou de cuivre. En outre, les fils conducteurs sont maintenus, de préférence, fixés contre les parois de la première partie du bloc, en configuration sensiblement tendue au moins pendant la coulée de la seconde composition de propergol. Pour faciliter le positionnement et le maintien des fils conducteurs sur les parois, il est avantageux de former des rainures sur lesdites parois, dans lesquelles seront disposés les fils conducteurs. Les fils conducteurs sont maintenus soit par fixation sur les faces d'extrémité de la première partie, soit par des moyens de tension, tels que, par exemple, un ressort relié à une extrémité des fils. Par ailleurs, les compositions de propergol sont soit coulées si leur viscosité est faible, soit injectées sous pression dans le cas de viscosité élevée. L'injection sous pression de la composition de propergol est possible avec le procédé de l'invention car les fils conducteurs sont en appui contre une paroi pendant la phase d'injection, et donc ne sont pas soumis à des forces pouvant provoquer leur rupture. Selon une autre caractéristique de l'invention, la première partie du bloc peut avoir une section de forme quelconque, mais de préférence cette première partie a la forme d'un tube ou d'un barreau. Ce tube ou ce barreau peut être cylindrique, dans ce cas les fils conducteurs sont disposés sur l'une ou les deux parois du tube, ou sur la paroi du barreau, la seconde composition de propergol étant coulée autour du tube et du barreau et à l'intérieur du tube. Le tube et le barreau peuvent également avoir une section polygonale, par exemple triangulaire, hexagonale, carrée ou en forme d'étoile dans la variante'préférée de l'invention. Dans ce cas, les fils conducteurs sont avantageusement disposés dans les arêtes correspondant aux sommets des polygones. Les arêtes convexes du tube ou du barreau sont, de préférence, chanfreinées pour former une rainure longitudinale de réception des fils conducteurs. Bien entendu, les fils peuvent être disposés sur les côtés des polygones sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Le procédé de l'invention est d'une utilisation très souple, car il permet de réaliser des blocs de formes très variées, et de disposer les fils conducteurs de manière très aisée et selon une distribution calculée et déterminée, au préalable. L'invention a également pour objet un bloc de propergol obtenu par le procédé ci-dessus, ce bloc se caractérisant en ce que les fils conducteurs sont situés dans la surface de séparation entre deux coulées différentes de propergol. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparattront plus clairement au vu de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux exemples donnés uniquement à titre indicatif et aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un bloc de propergol réalisé selon le procédé de l'invention, - la figure 2 est un diagramme illustrant la progression du front de combustion d'un bloc de propergol au voisinage d'un fil conducteur, - la figure 3 est une vue de la face arrière d'un bloc de propergol réalisé selon le procédé de l'invention, - la figure 4 est une vue partielle en coupe longitudinale selon la ligne IV-IV de la figure 3 ; et - la figure 5 est une vue de la face arrière d'un autre bloc de propergol réalisé selon le procédé de l'invention. Dans les fusées, missiles où plus généralement, tout engin propulsé par un combustible solide, il est recherché un combustible de poussée présentant des caractéristiques de poussée élevées. Par ailleurs, dans certains types d'engins, on désire avoir un coefficient de remplissage élevé, et pour cela on utilise des blocs à combustion frontale. Toutefois, pour diminuer le diamètre de ces blocs, sans pour cela diminuer la caractéristique de poussée, il est nécessaire d'augmenter la vitesse de combustion du bloc. Dans ce but, on est amené à employer des blocs à combustion frontale, dont la combustion est pilotée et accélérée par des conducteurs de chaleur. Le procédé de l'invention permet de réaliser de tels blocs, selon des opérations aisées, avec une incorporation des conducteurs de chaleur, notamment des fils conducteurs de diamètre faible, sans risque de rupture de ceux-ci, et quelle que soit la viscosité de la composition de propergol. En se reférant à la figure l, le procédé de l'invention consiste à mouler une première partie 2 du bloc 1 de propergol à fabriquer. Dans l'exemple illustré à la figure l, cette première partie 2 est un tube à paroi épaisse dont la section interne 10 est triangulaire. La composition de propergol utilisée pour former cette partie 2 est une composition moulable, telle que, par exemple, un propergol composite, ou un propergol homogène moulé notamment par la méthode de moulage in situ ou globale. Dans le cas de la figure l, la partie 2 du bloc peut être coulée directement dans une chemise 3 inhibitrice, ou dans un moule puis inhibée en fin de fabrication, par exemple. Après durcissement de la composition de propergol constituant la partie 2, des conducteurs de chaleur 4 sont fixés à l'intérieur de la première partie 2, avantageusement le long des arètes définies par les sommets de la section 10 triangulaire du tube, et en appui contre la paroi de la première partie 2. Ces conducteurs 4 de chaleur sont de préférence des fils métalliques de diamètre compris entre environ 0,1 mm et environ 1 mm. Ces fils 4 sont tendus sur la paroi du tube 2. Leur fixation est assurée par collage, ou de préférence par fixation des extrémités des fils 4 sur les faces d'extrémité du bloc 1 et encore plus avantageusement par un dispositif de tension, tel qu'un ressort de tension (non représenté), relié à une extrémité du fil, tandis que l'autre extrémité du fil est relié à un point fixe. D'autres modes de fixation peuvent être utilisés, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. L'étape suivante du procédé de l'invention consiste à couler-dans l'intérieur du tube ou de la partie 2 du bloc 1, une composition de propergol pour former la deuxième partie 5 du bloc 1. Ainsi, comme les fils conducteurs 4 sont en appui contre la paroi de la première partie 2, les forces de pression engendrées par la coulée de la composition de propergol dans la partie 2 ne provoquent pas la rupture des fils 4. Donc il est possible de couler des compositions de propergol ayant des viscosités élevées ou faibles, avec des fils de petit diamètre ou fragiles. Il suffit ensuite de faire durcir la seconde partie 5 du bloc 1. On comprendra facilement que les compositions de propergol constituant les première 2 et seconde 5 parties du bloc 1 peuvent être identiques ou différentes. Ce procédé permet donc la réalisation de blocs propulseurs bicomposition à combustion pilotée par fils. D'autres variantes de réalisation sont représentées aux figures 3, 4 et 5. Dans la variante représentée aux figures 3 et 4, la première partie 2 a également une forme de tube, mais la section interne 10 du tube, représentée en traits mixtes fins, est en forme d'étoile. Les fils conducteurs 4 sont disposés dans les sommets 6 de l'étoile, dans l'exemple représenté, un sommet sur deux. La seconde partie 5 du bloc est réalisée par coulée d'une composition de propergol à l'intérieur de la première partie 2, les parois de cette première partie jouant le rôle de moule. Dans la variante représentée à la figure 5, la première partie 2 a une forme de couronne, les fils conducteurs 4 étant disposés sur ses parois extérieure et intérieure. Toutefois, pour obtenir un meilleur positionnement des fils 4, des rainures 7 sont réalisées sur les parois 10 de la première partie, par usinage, moulage, par exemple. On peut ainsi, dans cette variante incorporer deux rangées de fils 4, la seconde partie 5 étant coulée en une seule fois, à l'intérieur de la couronne 2 et autour de celle-ci, étant donné que la couronne 2 est, bien entendu, disposée dans un moule (non représenté). Ces différentes variantes montrent que le procédé de l'invention permet de réaliser des blocs de formes variées, contenant un nombre important de fils conducteurs 4. Ainsi, il est également possible, pour réaliser le bloc illustré aux figures 3, 4, de former tout d'abord le noyau central avec une section en étoile et de disposer les fils 4 sur les sommets de l'étoile. Avantageusement les arêtes convexes de l'étoile sont chanfreinées pour former une rainure équivalente aux rainures 7 illustrées à la figure 5. Par ailleurs, la coulée de la seconde partie 5 peut etre réalisée soit par coulée simple, notamment avec une composition de propergol relativement fluide, soit par injection sous pression pour des compositions à viscosité élevée. Comme cela est illustré à la figure 4, il peut être avantageux de réaliser sur la face arrière du bloc des cônes 8 centrés sur chaque fil conducteur 4 pour ainsi augmenter la surface initiale de combustion de départ, et permettre d'atteindre très rapidement la surface de combustion stabilisée. En effet, et comme illustré à la figure 2, la différence de conductivité thermique entre le fil conducteur 4 et la matrice 9 du propergol modifie le profil des vitesses de combustion autour du fil 4, induisant la formation d'un cône, centré sur le fil conducteur 4. Ce phénomène augmente considérablement la surface de combustion du bloc et donc la vitesse apparente Va de combustion du bloc mesurée parallèlement à l'axe du bloc. Le phénomène de formation du cône se stabilise après un certain temps de combustion t2, puis le cane ainsi formé, d'angle au sommet 2S, avance selon la vitesse apparente Va de combustion du bloc. La réalisation des cônes 8 sur la face arrière du bloc 1 permet de réduire la durée t2 de stabilisation de la surface de combustion et donc de la vitesse apparente de combustion Va. D'autres moyens permettent également de diminuer cette durée t2, tel que par exemple un rainurage de la face d'extrémité. En outre, l'angle au sommet 2 du cône permet de calculer la vitesse apparente Va du bloc à partir de la vitesse intrinsèque Vi de la composition de propergol Va = (I) Sin&alpha; Donc le coefficient multiplicateur n de la vitesse de combustion correspondant à l'incorporation de fils conducteurs est donné par la formule II suivante : 1 n = Va/Vi (II) sin&alpha; La vitesse apparente Va est déterminée expérimentalement par la formule suivante V = e = épaisseur brûlée (III) a tcr temps de combustion en régime Ce coefficient multiplicateur peut être également calculé à partir des courbes de combustion des blocs, et notamment à partir d'un point du diagramme : pression de combustion en fonction du temps, et en utilisant la formule (IV) suivante : CD P d2 n1 = @/@ Vi D2 (IV) dans laquelle : V. = vitesse intrinsèque du propergol à la pression P CD = coefficient de débit du propergol q = masse volumique du propergol P = pression moyenne de combustion d = diamètre du col de tuyère D = diamètre du bloc Des blocs, selon la variante représentée aux figures 3 et 4 ont été fabriqués selon le procédé de l'invention avec des compositions de propergol composite à liant polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT) et à liant polyuréthanne, et des fils métalliques thermiquement conducteurs en cuivre ou en argent. Les résultats obtenus à partir des tirs de ces blocs sont rassemblés dans le tableau ci-dessous. Nature Nature # des température n calculé par n1 calculé essai du des fils de tir les formules Par la for- &alpha;= arcsin 1/n Observations liant fils (mm) ( C) (II,III) mule (IV) 1 PBHT Ag 0,2 - 40 - 2,95 20 2 " " " + 20 3,5 2,9 20 3 " " " + 60 - - 3,05 19 4 PBHT Cu 0,2 + 20 1,7 1,6 39 5 Polyuré- Ag 0,3 - 40 4,5 4,4 13 thanne Polyuré6 Cu 0,3 - 40 4,8 4,9 11,8 thanne 7 " " " + 20 5 5,2 11 8 PBHT Ag 0,2 + 20 3,11 3,36 17,3 bloc de longeur 255 mm 9 " " " - 40 3,22 3,43 17 " 10 " " " - 40 3,42 3,43 17 bloc de longueur 905 mm 11 PBHT Ag 0,2 + 60 3,16 3,30 17,6 bloc de longueur 255 mm 12 " " " + 60 2,99 3,05 19 bloc de longueur 905 mm 13 PBHT Cu 0,2 - 40 2,79 2,74 21,4 bloc de longueur 905 mm 14 " " " + 20 2,71 2,65 22,2 " La pression de combustion de ces blocs, observés lors des tirs, est sensiblement stable, ce qui indique que les fils ne se sont pas cassés et sont disposés régulièrement dans le bloc. Des différents essais réalisés, il ressort que les coefficients multiplicateurs de la vitesse de combustion des blocs de propergol obtenus par le procédé de l'invention ont les valeurs moyennes suivantes - n = 3,5 pour des fils d'argent de diamètre 0,2 mm et une Pc = 67 bars - n = 2,65 pour des fils de Cuivre de diamètre 0,2 mm et une Pc = 50 bars. Par ailleurs, des blocs fabriqués selon le procédé de l'invention ont subi, sans détérioration, des cycles de traitement thermique. Ainsi, le procédé de l'invention permet de fabriquer de manière Ex plue et avec une bonne fiabilité des blocs de propergol à combus frontale pilotée par des conducteurs thermiques, et notamment la réalisation de tels blocs avec des compositions de propergol très visqueuses et même pâteuses. Dans les procédés antérieurs, la réalisation de blocs à combustion pilotée par des fils, à partir de compositions de propergol visqueuses ou pâteuses était très difficile, car les fils étaient souvent cassés pendant la coulée de la composition de propergol. Revendications 1. Procédé de fabrication par moulage d'un bloc de propergol solide à combustion frontale pilotée par des conducteurs de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes - former par moulage d'une première composition propulsive, une première partie 2 dudit bloc 1 à fabriquer, ladite partie 2 étant une portion longitudinale dudit bloc 1 ; - disposer sur une ou les parois 10 de ladite première partie une partie ou la totalité desdits conducteurs 4 de chaleur - former une seconde partie 5 représentant une seconde portion dudit bloc 1, par coulée d'une seconde composition propulsive dans un moule dont au moins une partie est formée par les parois. 10 comportant lesdits conducteurs 4 de ladite première partie 2 ; - recommencer les deux dernières étapes jusqu'à réalisation du bloc total. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs 4 de chaleur précités sont fixés contre les parois 10 des parties de bloc précitées en configuration sensiblement tendue, lesdits conducteurs 4 étant des fils. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des rainures 7 sont formées sur la surface des parois 10 des parties de bloc précitées, les fils 4 conducteurs étant disposés dans ces rainures 7. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première partie 2 précitée est un tube de section quelconque, les fils 4 conducteurs précités étant disposés sur sa face interne et/ou externe. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section interne transversale du tube précité est un polygone, les fils 4 conducteurs précités étant disposés, de préférence, dans les sommets du polygone. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le polygone précité est un triangle, ou un polygone en forme d'étoile. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi du tube précité a une forme polygonale, de préférence en étoile, les fils 4 conducteurs étant disposés sur les arêtes de ladite paroi. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une rainure longitudinale est formée sur chaque are te convexe de la paroi du tube précité, pour recevoir les fils 4 conducteurs précités. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première partie 1 précitée est un barreau. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le barreau précité a une section polygonale, de préférence triangulaire ou en forme d'étoile, chaque arete convexe de ladite paroi comprenant une rainure longitudinale pour recevoir les fils conducteurs 4. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fils 4 conducteurs sont montés en position sensiblement tendue sur les parois 10 d'une partie précitée du bloc pendant la coulée d'une autre partie dudit bloc, par fixation de leurs extrémités sur les faces d'extrémité de ladite partie du bloc. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les fils 4 conducteurs précités sont maintenus en position sensiblement tendue sur les parois d'une partie précitée du bloc pendant la coulée d'une autre partie dudit bloc par des moyens de tension tels qu'un ressort, reliés à moins une extrémité desdits fils. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les première et seconde compositions propulsives sont identiques. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition propulsive formant la seconde partie précitée du bloc est injectée sous pression. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils conducteurs ont un diamètre compris entre environ 1/10 mm et environ 1 mm. 16. Bloc de propergol solide à combustion frontale pilotée par des conducteurs de chaleur, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes. 17. Bloc de propergol selon la revendication 16, caractérisé en ce que les conducteurs de chaleur 4 précités sont situés dans la surface 10 de séparation entre deux coulées de propergol.