Brevet FR2658479A2 — publié le 19910823

FR 2658479 A2 19910823 FR 9002195 A 19900222 DISPOSITIF DE REMPLISSAGE DES PROPULSEURS CRYOGENIQUES D'UN LANCEUR, A SEPARATION AUTOMATIQUE LORS DU DECOLLAGE. DESCRIPTION L'invention concerne un perfectionnement au dispositif décrit dans la demande de brevet principal, permettant d'effectuer le remplissage en ergols des propulseurs cryogéniques d'un lanceur et assurant la rupture automatique de la tuyauterie de remplissage au moment du décollage. Le dispositif de remplissage décrit dans la demande de brevet principal est conçu pour effectuer le remplissage par la partie arrière des propulseurs. Ce dispositif est beaucoup plus simple et par conséquent beaucoup plus fiable que les dispositifs antérieurs et son coût est très réduit par rapport à ces derniers. Selon sa définition la plus générale, le dispositif de remplissage faisant l'objet de la demande de la demande de brevet principal est un dispositif à séparation automatique Lors du décollage du lanceur, caractérisé par le fait qu'il comprend : - un tube de remplissage présentant une zone fragili sée ; et - un mécanisme prenant appui sur le tube de remplissage, de part et d'autre de la zone fragilisée, ce mécanisme étant sensible à un déplacement du lanceur en éloigne ment du sol pour commander automatiquement l'applica- tion sur le tube d'un effort de traction entraînant sa rupture dans la zone fragilisée, lors du décollage du lanceur. Dans le mode de réalisation décrit, le mécanisme comprend un système de jambes de force articulé sur le tube de remplissage de part et d'autre de la zone fragilisée, ce système étant en appui sur une surface d'appui fixe par rapport au sol. Plus précisément, la surface d'appui est une surface tronconique et le système de jambes de force comprend au moins trois ensembles formés chacun de deux biellettes dont deux extrémités adjacentes sont articulées l'une sur L'autre autour d'un axe d'articulation commun et dont les extrémités opposées prennent appui sur des axes d'ancrage liés au tube de part et d'autre de la zone fragilisée.L'axe d'articulation commun de chaque ensemble de biellettes est normalement plus éloigné du tube de remplissage que les axes d'ancrage, de telle sorte que l'une des biellettes de chaque ensemble est en contact glissant avec la surface d'appui tronconique par une protubérance formée à proximité de l'axe d'articulation commun aux deux biellettes. Lors du décollage du lanceur, le tube de remplissage se déplace par rapport à la surface d'appui fixe. La protubérance formée sur l'une des biellettes de chaque ensemble se déplace donc le long de la surface d'appui, ce qui a pour effet, compte tenu de la forme tronconique de cette surface, de rapprocher L'axe d'articulation du tube de remplissage. Un effort de traction est ainsi appliqué entre les axes d'ancrage et conduit à la rupture du tube. Bien que ce mécanisme fonctionne de façon satisfaisante, l'effort axial qui doit être exercé sur le tube de remplissage pour parvenir à sa rupture est relativement important. En effet, à l'effort relativement faible qui doit être appliqué pour parvenir à la rupture du tube s'ajoute un effort sensiblement plus important pour vaincre le frottement de la protubérance contre la surface d'appui tronconique. Par ailleurs, l'encombrement du dispositif décrit dans la demande de brevet principal est relativement important et peut s'avérer pénalisant compte tenu du faible encombrement disponible dans certaines applica t ions. Enfin, le dispositif décrit dans la demande de brevet principal ne permettait pas, sans modification notable difficile à mettre en oeuvre, le contrôle de l'atmosphère entourant le système de jambes de force, ce qui pouvait être gênant, par exemple en cas de gel. La présente invention a précisément pour objet un perfectionnement au dispositif de remplissage de propulseurs cryogéniques faisant l'objet de la demande de brevet principal, ce perfectionnement permettant de supprimer le frottement entre chaque système de jambes de force et la surface d'appui et autorisant à la fois une réduction de l'encombrement du dispositif et un contrôle relativement facile de l'atmosphère entourant le système de jambes de force. A cet effet, il est proposé conformément à l'invention un dispositif de remplissage de propulseurs cryogéniques d'un lanceur, à séparation automatique lors du décollage de ce dernier, caractérisé par le fait qu'il comprend : - un tube de remplissage présentant une zone fragilisée - une surface d'appui fixe par rapport au sol, entourant la zone fragilisée du tube de remplissage ; et - un système de jambes de force articulées sur le tube de remplissage de part et d'autre de la zone fragili sée, ce système étant en appui rotulant sur ladite surface d'appui, de telle sorte qu'un déplacement du tube de remplissage provoqué par le décollage du lanceur a pour effet d'appliquer sur le tube, par l'intermédiaire du système de jambes de force, un effort de traction entraînant sa rupture dans la zone fragilisée. Dans ce dispositif, L'appui rotulant entre le système de jambes de force et la surface d'appui permet d'obtenir la rupture du tube de remplissage sans que l'effort à exercer sur ce dernier ne soit augmenté par l'existence d'un frottement important entre le système de jambes de force et la surface d'appui. Dans un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, le système de jambes de force comprend au moins trois ensembles régulièrement répartis autour du tube de remplissage, chacun de ces ensembles comprenant deux biellettes dont deux extrémités adjacentes sont articulées l'une sur L'autre autour d'un axe d'articulation commun, et dont les extrémités opposées prennent appui sur des axes d'ancrage liées au tube de part et d'autre de la zone fragilisée, L'axe d'articulation commun de chaque ensemble de biellettes étant normalement plus éloigné du tube de remplissage que Les axes d'ancrage et supportant de façon pivotante une extrémité d'un levier dont L'extrémité opposée prend appui de façon rotulante sur ladite surface d'appui. Avantageusement, l'extrémité du levier, qui prend appui sur la surface d'appui comporte une portée hémisphérique, la surface d'appui présentant dans un plan contenant L'axe du tube de remplissage une section en arc de cercle complémentaire de ladite portée hémisphérique. Comme dans la demande de brevet principaL, la surface d'appui est avantageusement formée à l'inté- rieur d'un manchon disposé coaxialement autour du tube de remplissage et fixé sur une structure stationnaire par rapport au sol. Par ailleurs, le tube de remplissage est avantageusement un tronçon de tube terminé par des brides permettant de fixer ce tronçon de façon étanche, respectivement sur une canalisation au sol et sur une canalisation liée au lanceur. Dans le dispositif selon L'invention, Lorsque les deux caractéristiques précitées sont réunies, il est possible de contrôler facilement l'atmosphère régnant autour du système de jambes de force en prévoyant un contact étanche entre le bord périphérique extérieur de chacune des brides du tronçon de tube et la surface intérieure du manchon, définissant ainsi entre le tronçon de tube et le manchon une chambre annulaire étanche. Par ailleurs, le tronçon de tube peut être doublé intérieurement par un tronçon de canalisation placé entre la canalisation au sol et La canalisation liée au lanceur. Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit, à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure unique représente un dispositif de remplissage conforme à L'invention, ce dispositif étant illustré sur la moitié gauche de la figure dans la position qui précède le lancement et sur la moitié droite de la figure juste après la rupture du tube de remplissage. Sur la figure, les références 10 et 12 désignent respectivement les extrémités en vis-à-vis d'une canalisation au sol et d'une canalisation embarquée sur un lanceur, ces canalisations étant destinées à assurer l'alimentation en ergols des propulseurs cryogéniques de ce dernier, lorsqu'elles sont raccordées. Les canalisations 10 et 12 sont placées selon un même axe sensiblement vertical et leurs extrémités en vis-à-vis se terminent par des brides désignées respectivement par les références 10a et 12a. Le dispositif de remplissage à séparation automatique lors du lancement est placé entre les brides 10a et 12a. Il comprend un tronçon de tube 20 comportant une zone fragilisée 22, un système de jambes de force 24 articulé sur le tronçon de tube 20, de part et d'autre de cette zone fragilisée, et un manchon 38 disposé coaxialement autour du tronçon de tube 20, de telle sorte que le système de jambes de force 24 soit placé entre le tronçon de tube 20 et ce manchon 38. De façon plus précise, le tronçon de tube 20 se termine par une bride inférieure 20a et une bride supérieure 20b, qui sont fixées de façon étanche respectivement sur les brides 10a et 12a par tout moyen de fixation approprié tel que des vis 21. Dans le mode de réalisation représenté, le diamètre intérieur du tronçon de tube 20 est légèrement supérieur au diamètre intérieur des canalisations 10 et 12, et un tronçon de canalisation 15, dont le diamètre intérieur est égal au diamètre intérieur des canalisations 10 et 12, est placé à l'intérieur du tronçon de tube 20. Ce tronçon de canalisation 15, en doublant intérieurement le tronçon de tube 20, permet de séparer la fonction de canalisation des fluides, remplie par le tronçon de canalisation 15, de la fonction de séparation automatique des canalisations 10 et 12, remplie par le tronçon de tube 20. Une collerette extérieure 15a est formée sur le tronçon de canalisation 15 à son extrémité adjacente à la canalisation au sol 10. Cette collerette 15a est emprisonnée dans une gorge formée en partie à l'intérieur de la bride 10a et en partie à l'intérieur de la bride inférieure 20a lorsque ces dernières sont assemblées. Le centrage du tronçon de canalisation 15 à l'intérieur du tronçon de tube 20 est assuré par une portée cylindrique 15b adjacente à la collerette 15a et par une portée cylindrique 15c proche de la zone fragilisée 22 du tronçon de tube 20, et légèrement décalée vers la canalisation au sol 10. Par ailleurs, les deux extrémités du tronçon de canalisation 15 sont centrées dans des chambrages formés dans les extrémité adjacentes des canalisations 10 et 12. La zone fragilisée 22 est située sur le tronçon de canalisation 15 en un emplacement plus proche de la bride supérieure 20b que de la bride inférieure 20a. Cette zone fragilisée est constituée par une zone de moindre épaisseur obtenue en réalisant une gorge annulaire sur la surface extérieure du tronçon de tube 20. Le manchon 38 est monté sur les brides 20a et 20b du tronçon de tube 20, de telle sorte que le bord périphérique extérieur de chacune des brides soit en contact étanche avec la surface intérieure du manchon. Plus précisément, on voit sur la figure que le bord périphérique extérieur de chacune des brides 20a et 20b comporte une gorge annulaire dans laquelle est reçu un joint d'étanchéité 39a, 39b qui est en contact étanche avec la surface intérieure du manchon 38. Avant le lancement, le manchon 38 est immobilisé axialement par rapport au tronçon de tube 20 par une goupille 41 reçue dans un trou traversant radialement le manchon 38 et se prolongeant dans la bride inférieure 20a du tronçon de tube 20. Cette goupille 41 comprend une zone de diamètre réduit située au niveau de l'inter- face entre le manchon 38 et la bride 20a. Elle constitue ainsi une éprouvette qui se rompt automatiquement lorsqu'un effort axial relativement faible est appliqué entre le manchon 38 et le tronçon de tube 20. Le manchon 38 est fixé sur une structure stationnaire par rapport au sol (non représentee) par tout moyen de fixation approprié. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure, cette fixation est assurée par au moins trois câbles rigides 43 dont l'extrémité inférieure est fixée sur la structure stationnaire et dont l'extrémité supérieure est fixée sur une boucle 45 ellemême fixée à L'extrémité inférieure du manchon 38, par exemple au moyen d'une goupille amovible. Le montage du manchon 38 sur les brides 20a et 20b du tronçon de tube 20 permet de définir entre ce dernier et le manchon 38 une chambre annulaire étanche 47 dans laquelle est placé le système de jambes de force 24. L'ambiance régnant autour de ce système de jambes de force peut ainsi être contrôlée et, par exemple, mise sous vide ou sous atmosphère neutre. Cela permet de supprimer tout risque de non fonctionnement du système de jambes de force 24 en cas de gel. La surface intérieure du manchon 38 comporte, en allant de son extrémité supérieure vers son extrémité inférieure, une portée cylindrique 49 de relativement petit diamètre dans laquelle est reçue la bride supérieure 20b et avec laquelle coopère le joint d'étanchéité 39b, une zone 51 de diamètre légèrement supérieur à celui de la partie 49 et qui se prolonge jusqu'en dessous de la zone fragilisée 22 du tronçon de tube 20, une zone 53 de plus grand diamètre qui se prolonge jusqu'à proximité de la bride inférieure 20a, et enfin une portée cylindrique 55 dont le diamètre est intermédiaire entre ceux des zones 51 et 53, dans laquelle est reçue la bride inférieure et avec laquelle coopère le joint d'étanchéité 39a. La portée cylindrique 55 est limitée vers le haut par un épaulement 57 situé à une distance prédéterminée au-dessus de la face supérieure de la bride inférieure 20a Lorsque le manchon 38 est fixé sur cette dernière par la goupiLle 41. La zone 53 de plus grand diamètre de la surface intérieure du manchon 38 se termine vers le haut par une surface d'appui 59 présentant la forme d'un arc de cercle en section selon un plan passant par l'axe commun au tronçon de canalisation 15,au tronçon de tube 20 et au manchon 38. L'extrémité inférieure de la zone 53 se termine également par une surface 61 ayant une section en arc de cercle selon un plan passant par ledit axe, le rayon des arcs de cercles formés en section par les surfaces 59 et 61 étant le même. Le système de jambes de force 24 comprend au moins trois ensembles répartis à des intervalles angulaires réguliers autour du tronçon de tube 20 et à l'intérieur du manchon 38. Chacun de ces ensembles comprend une biellette inférieure 26 et une biellette supérieure 28. L'extrémité basse de chacune des biellettes inférieures 26 est articulée par un axe d'ancrage 30 sur un collier 31 fixé sur le tronçon de tube 20, immédiatement au-dessus de la bride inférieure 20a. L'extrémité haute de chaque biellette inférieure 26 est articulée par un axe d'articulation 32 sur L'extrémité basse de la biellette supérieure 28 correspondante. Enfin, L'extrémité haute de chacune des biellettes supérieures 28 comporte une fente longitudinale 28a ouverte vers le haut, lui donnant la forme d'une fourche qui vient chevaucher un axe d'ancrage 34 supporté par un collier 35 fixé sur le tronçon de tube 20, immédiatement en dessous de la bride supérieure 20b.Les axes 30, 32 et 34 de chacun des ensembles formés par les biellettes 26 et 28 sont parallèles entre eux et orientés selon une direction orthogonale à L'axe commun au tronçon de tube 20, au tronçon de canalisation 15 et au manchon 38. Lorsque les ensembles de biellettes 26 et 28 occupent une position d'attente dans laquelle le fond des fentes 28a est pratiquement en appui sur les axes d'ancrage 34, L'axe d'articulation 32 est légèrement plus éloigné de L'axe du tronçon de tube 20 que les axes d'ancrage 30 et 34. Ainsi, les axes de chacune des biellettes 26 et 28 font par exemple un angle d'environ 50 par rapport à L'axe du tronçon de tube 20. Par conséquent, l'application d'un effort orienté radialement vers L'intérieur sur chaque ensemble de biellettes 26 et 28, au niveau de l'axe d'articulation 32, a pour conséquence d'écarter L'extrémité supérieure de la biel lette 28 de l'extrémité inférieure de la biellette 26. Il est à noter que chacun des axes d'articulation 32 est situé en un emplacement approximativement équidistant des axes d'ancrage 30 et 34 correspondants, cet emplacement étant décalé légèrement vers le bas par rapport à la surface d'appui 59 formée à L'intérieur du manchon 38, Lorsque ce dernier est lié au tronçon de tube 20 par la goupille 41. A chacun des ensembles formés par une biellette inférieure 26 et une biellette supérieure 28 est associé un levier pivotant 63 dont une première extrémité est reçue de façon pivotante sur L'axe d'articulation 32. L'extrémité opposée du levier 63 se termine par une portée hémisphérique 65 dont le rayon de courbure est identique à celui de la surface d'appui 59 formée à l'intérieur du manchon 38. Comme l'illustre la moitié gauche de la figure, le levier 63 est normalement orienté vers l'extérieur par rapport au tronçon de tube 20 et légèrement incliné vers le haut autour de son axe d'articulation 32. Dans ces conditions, la longueur du levier 63 est telle que la portée hémisphérique 65 est en appui rotulant contre la surface d'appui 59 lorsque L'axe 35 est situé au fond de la fente 28a de la biellette 28. Par rapport à l'horizontale, c 1est-à-dire à une direction radiale par rapport au tronçon de tube 20, L'axe du levier 63 fait alors un angle d'environ 200. Lors du raccordement de la canalisation 12 liée au lanceur sur la canalisation au sol 10, on met en place dans un premier temps le tronçon de canalisation 15 ainsi que le tronçon de tube 20 portant le système de jambes de force 24. Afin d'éviter que l'extrémité haute du levier supérieur 28 ne s'échappe de L'axe 34, L'écartement vers L'extérieur de chacun des leviers inférieurs 26 est empêché par une plaque de butée 67 fixée sur le collier 31. Le manchon 38 est ensuite mis en place par un déplacement vertical vers le bas, en veillant en ce que les leviers 63 soient orientés vers le haut lorsqu'ils pénètrent dans la zone 53 de plus grand diamètre de la surface intérieure du manchon 38. Lorsque le manchon 38 ferme complètement la chambre annulaire 47, la goupille 41 est mise en place et le manchon est fixé sur les câbles 43 afin de l'immobiliser par rapport au sol. Le système de jambes de force 24 occupe alors la position illustrée sur la moitié gauche de la figure, c'est-à-dire que les extrémités hémisphériques 65 des leviers 63 sont en contact rotulant avec la surface d'appui en arc de cercle 59 formée à l'intérieur du manchon 38. Lorsque le décollage du lanceur intervient, l'ensemble formé par les canalisations 10 et 12, le tronçon de tube 20 et le tronçon de canalisation 15 est entra'inné vers le haut avec Le lanceur, ce qui a pour effet immédiat de rompre la goupille 41 et d'en tra#ner un déplacement vers le haut du système de jambes de force 24 par rapport au manchon 38. Au cours de ce déplacement, les extrémités hémisphériques 65 des leviers 63 effectuent un mouvement rotulant sur la surface d'appui 59 tendant à faire pivoter les leviers 63 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour des axes d'articulation 32 et à réduire l'angle formé par l'axe de chacun des leviers 63 avec l'horizontale. Ce mouvement a pour conséquence l'application sur l'axe d'articulation 32 de chacun des ensembles de biellettes 26 et 28 d'une force orientée radialement vers L'intérieur. Cette force est transformée par les biellettes 26 et 28 en un effort de traction exercé sur le tronçon de tube 20, au travers des axes d'ancrage 30 et 34. Sous l'effet de cet effort, la zone fragilisée 22 du tronçon de tube 20 se rompt, de telle sorte que la partie supérieure du tronçon de tube 20 fixée à la tuyauterie 12 liée au lanceur se sépare de la partie inférieure de ce tronçon de tube, fixée à la tuyauterie au sol 10 et sur laquelle restent accrochés les biellettes 26 et 28, ainsi que le tronçon de tuyauterie 15. Le manchon 38 reste également accroché à cette partie inférieure du tronçon de tube 20 par suite de la venue en appui de l'épaulement 57 contre la face supérieure de la bride inférieure 20a du tronçon de tube, comme l'illustre la moitié droite de la figure. Comme dans la demande de brevet principal, le dispositif de remplissage à séparation automatique selon l'invention permet de réaliser le remplissage en ergols des propulseurs cryogéniques d'un lanceur au travers des tuyauteries 10 et 12 reliées de façon étanche par Le tronçon de tube 20, jusqu'au moment du décollage du lanceur. L'application de L'effort de traction commandant la rupture du tronçon de tube 20 étant obtenue par le mouvement rotulant de L'extrémité hémisphérique 65 des leviers 63 par rapport à la surface d'appui à section en arc de cercle 59 formée à l'intérieur du manchon 38, les frottements induits par ce mécanisme particulièrement simple sont très faibles, de telle sorte que L'effort exercé sur les différents composants n'est que de très peu supérieur à l'effort relativement faible nécessaire à la rupture du tronçon de tube 20. En outre, le mécanisme selon L'invention est particulièrement simple et peu encombrant et sa conception permet d'envisager le contrôle de l'atmosphère régnant dans la chambre annulaire 47 qui contient le système de jambes de force 24, ce qui peut être très utile compte tenu de l'ambiance cryotechnique dans laquelle se trouve le tube de remplissage au moment du Lancement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. On comprendra notamment qu'un obturateur tel que celui qui a été décrit dans la demande de brevet principal peut être prévu afin de commander la fermeture automatique de La tuyauterie d'arrivée d'ergols située au sol, lors du lancement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de remplissage de propulseurs cryogéniques d'un lanceur, à séparation automatique lors du décollage de ce dernier, caractérisé par le fait qu'il comprend - un tube de remplissage (20) présentant une zone fragi lisée (22); - une surface d'appui (59) fixe par rapport au sol, entourant la zone fragilisée du tube de remplissage et - un système de jambes de force (24) articulées sur le tube de remplissage de part et d'autre de la zone fragilisée, ce système étant en appui rotulant sur ladite surface d'appui, de telle sorte qu'un déplace ment du tube de remplissage provoqué par le décollage du lanceur a pour effet d'appliquer sur le tube, par l'intermédiaire du système de jambes de force (24), un effort de traction entraînant sa rupture dans la zone fragilisée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de jambes de force (24) comprend au moins trois ensembles régulièrement répartis autour du tube de remplissage (20), chacun de ces ensembles comprenant deux biellettes (26,28) dont deux extrémités adjacentes sont articulées l'une sur l'autre autour d'un axe d'articulation commun (32), et dont les extrémités opposées prennent appui sur des axes d'ancrage (30,34) liés au tube de part et d'autre de la zone fragilisée (22), L'axe d'articulation commun (32) de chaque ensemble de biellettes étant normalement plus éloigné du tube de remplissage que les axes d'ancrage (30,34) et supportant de façon pivotante une extrémité d'un levier (63) dont l'extrémité opposée (65) prend appui de façon rotulante sur ladite surface d'appui (59). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite extrémité opposée du levier comporte une portée hémisphérique (65), ladite surface d'appui (59) présentant dans un plan, contenant l'axe du tube de remplissage, une section en arc de cercle complémentaire de ladite portée hémisphérique. 4. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que L'une (26) des biellettes de chaque ensemble est montée pivotante sur un premier (30) des axes d'ancrage et que l'autre biellette (28) comporte, à son extrémité opposée, une fente longitudinale ouverte (28a), dans laquelle est reçu le deuxième axe d'ancrage (34). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le premier (30) et le deuxième (34) axes d'ancrage sont liés au tube de remplissage (20) respectivement du côté du sol et du côté du lanceur par rapport à la zone fragilisée (22). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la surface d'appui (59) est formée à L'intérieur d'un manchon (38) disposé coaxialement autour du tube de remplissage (20) et fixé sur une structure stationnaire par rapport au sol. 7. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le tube de remplissage est un tronçon de tube (20) terminé par des brides (20a,20b) permettant de fixer ce tronçon de façon étanche, respectivement sur une canalisation au sol (10) et sur une canalisation (12) liée au lanceur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la zone fragilisée est une zone de moindre épaisseur (22) placée du côté du tronçon de tube (20) le plus proche de la canalisation liée au lanceur. 9. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 7 et 8, combinée avec la revendication 6, caractérisé par le fait que chacune des brides (20a,20b) du tronçon de tube (20) comporte un bord périphérique extérieur en contact étanche avec une surface intérieure du manchon (38), de façon à définir entre le tronçon du tube et le manchon une chambre annulaire étanche (47). 10. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que le tronçon de tube (20) entoure un tronçon de canalisation (15) placé entre la canalisation au sol (10) et la canalisation (12) liée au lanceur.