Brevet FR2655412A1 — publié le 19910607

La présente invention concerne un système de cham- bre de combustion à piston à pression différentielle pour armes à tube, comportant un dispositif d'injection de car- burant à régénération pour produire des gaz de propulsion à partir de composants liquides du carburant, notamment hygergoliques, et un piston différentiel disposé de façon à être mobile axialement suivant l'axe du tube dans le bottier de l'arme, ainsi qu'un piston de charge en liaison avec des canaux de remplissage. Les systèmes de chambre de combustion à piston dif- férentiel pour armes à tube comportant des dispositifs destinés à produire des gaz de propulsion à partir de com- posants hypergoliques du carburant sont connus en soi Les avantages essentiels des armes à tube ou encore des canons automatiques à carburant liquide hypergolique par rapport à ceux à charges propulsives en poudre sont l'absence d'une cartouche pour recevoir la charge propulsive, l'absence d'un dispositif d'allumage, l'état liquide du carburant, des vitesses plus élevées du projectile à l'embouchure et un chauffage et une érosion relativement réduites du tube. Le brevet allemand 17 28 074, ainsi que le brevet allemand 17 28 077, présentent des armes à tube dans les- quelles l'injection de carburant est effectuée par un piston différentiel à régénération Alors que, selon le brevet allemand 17 28 074, le démarrage de l'injection et l'allu- mage sont effectués par un dispositif d'injection supplé- mentaire, l'aspiration du combustible est effectuée selon le brevet allemand 17 28 077, par un avancement commandé extérieurement du piston différentiel, et le démarrage de l'injection et l'allumage par un recul commandé extérieure- ment du piston différentiel. L'invention a pour objet un système de chambre de combustion à piston différentiel du type précité, pourvu d'un système simple et efficace d'aspiration et de remplis- sage de carburant hypergolique dans les chambres d'injec- tion à la tête du piston différentiel. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, dans la tige cylindrique du piston différentiel, est dis- posé concentriquement un piston de charge mobile axiale- ment par rapport à elle, dont l'extrémité libre est en liaison avec des canaux d'amenée, et le piston différen- tiel et le piston de charge comportent des galets de com- mande qui roulent chacun dans une piste de commande corres- pondante d'un cylindre de commande commun Le cylindre de commande entraîné par l'intermédiaire d'une denture exté- rieure peut alors être placé de façon à pouvoir tourner concentriquement par rapport au piston de charge dans le boîtier de l'arme En variante, le cylindre de commande peut être placé dans le boîtier de l'arme, de façon à pou- voir tourner excentriquement par rapport au piston diffé- rentiel et au piston de charge. Selon un mode d'exécution de l'invention, les pistes de commande destinées au piston de charge et au piston dif- férentiel, contig Ues et faisant annulairement le tour du piston de commande, occupent, au début de la charge, une même position initiale et montent parallèlement pour le pro- cessus de charge, la piste de commande du piston différentiel restant, pendant le recul de la piste de commande correspon- dant au piston de charge, au niveau atteint sur une trajec- toire, jusqu'à ce que la piste de commande du piston de charge ait atteint le plan inférieur de la position initiale ou l'ait sensiblement atteint, et redescend alors suivant une pente rapide dans sa propre position initiale Cela implique que la piste de commande correspondant au piston de charge fait avancer, au cours d'un cycle de commande, le piston de charge au moyen du galet de commande, aspire du carburant du réservoir, ramène le piston de charge et pompe ainsi le carburant derrière la tête du piston différentiel. Au cours du même cycle de fonctionnement, sur la seconde piste de commande, le piston différentiel avance en synchro- nisme avec le piston de charge sur la seconde piste de com- mande, grâce à son galet de commande Pendant que le piston de charge recule, le piston différentiel est poussé vers l'avant au cours de la phase ultérieure du mouvement et ce n'est que peu avant d'atteindre la position initiale de la came de commande, une fois l'allumage hypergolique et l'entraînement par régénération effectué, qu'il revient très vite, ce qui correspond à un retour rapide du piston. Le piston différentiel et le piston de charge sont donc, selon l'invention, déplacés de façon optimale de façon forcée grâce à la commande par piste de guidage,de sorte que les processus d'aspiration et d'injection se déroulent régulièrement à des instants exactement prédéterminés Cette commande forcée s'avère avantageuse, justement dans le cas d'armes à feu rapides ou de canons automatiques de grande puissance, du fait que cela permet d'éviter des fausses com- mandes et, par suite, de faux allumages. Selon une variante de l'invention, la piste de com- mande destinée au piston différentiel peut, pour réaler des temps de retard d'allumage de durée variée, décrire par son contour supérieur un arc descendant et par son contour infé- rieur un arc ascendant, et assurer ainsi un freinage du piston différentiel. Selon une autre variante de l'invention, le piston de charge peut comporter un canal d'amenée central situé sur son axe longitudinal, comportant une soupape anti-retour, et être relié par une cavité de remplissage placée dans le bol- tier de l'arme à l'extrémité de la tige, comportant un canal d'aspiration, tandis qu'une chambre de remplissage destinée au second constituant du carburant, disposée sensiblement annulairement autour de la cavité de remplissage centrale, est reliée à un canal d'amenée extérieur orienté parallèle- ment à l'axe longitudinal du piston de charge La longueur de la chambre de remplissage peut alors, mesurée suivant l'axe longitudinal du piston de charge, être égale ou infé- rieure à l'intervalle de déplacement axial du piston diffé- rentiel et du piston de charge. Au lieu du cylindre de commande commun, on peut pré- voir, si on le souhaite, pour chaque galet de commande, son propre cylindre de commande, avec des pistes synchronisées entre elles pour le mouvement de rotation. On va décrire à présent un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, représenté sur le dessin annexé dont: La Fig 1 représente schématiquement en coupe le piston différentiel à commande par cames pendant le pro- cessus de charge; La Fig 2 représente schématiquement le piston différentiel avec un cylindre de commande disposé concentri- quement; La Fig 3 représente en coupe le piston différentiel de la Fig 1, au moment de l'allumage; La Fig 4 représente en coupe le piston différentiel de la Fig 1, une fois le tir effectué; La Fig 5 représente les cames de commande du cylin- dre de commande, en projection développée sur un plan. Dans le boîtier 1 d'une arme à tube représentée sans plus de détails, le piston différentiel 4 est placé de façon à être mobile axialement dans un alésage 3 dirigé suivant la ligne de tir du tube 2 de l'arme La partie de l'alésage 3 antérieure et ouverte vers le tube 2 constitue la chambre de combustion 5 qui s'élargit coniquement suivant un angle rela- tivement plat à partir du tube 2 Un piston de charge 7 est placé concentriquement dans la tige en forme de cylindre creux 6 du piston différentiel 4 de façon à être mobile axia- lement par rapport à elle Le piston de charge 7 comporte un canal d'amenée 8 disposé suivant son axe longitudinal, des- tiné au premier composant de la charge propulsive, par exem- ple l'oxydant Le canal d'amenée 8 comporte une soupape de retenue 10 et est en liaison avec la cavité de remplissage 11 formée dans le bottier 1 à l'extrémité du piston de charge 7 située du côté de la tige, dont le canal d'aspiration 12 est relié au réservoir Le canal 13 d'amenée du second com- posant de la charge propulsive, le combustible, est disposé radialement à l'extérieur du piston de charge 7, en dehors de la tige 6 du piston différentiel 4 Ce canal d'amenée 13 est relié à une chambre de remplissage 14 située dans le boî- tier 1, entourant annulairement la cavité de remplissage 11, dont le canal d'aspiration 15 aboutit au réservoir à combustible Des soupapes de retenue 16, 17 sont insérées tant dans le canal d'amenée 13 que dans les canaux d'aspi- ration 12 et 15, pour empêcher un reflux non souhaité des composants. Le combustible est injecté dans la chambre de com- bustion 5 par des gicleurs extérieurs 18 situés à la tête du piston différentiel 4 et l'oxydant par des canaux 19 situés à l'intérieur de la tête, le processus d'injection étant effectué par le mouvement axial du piston différentiel 4 Entre les composants mobiles mutuellement et axialement se trouvent des moyens d'étanchéité 20, ce qui évite l'afflux de liquides dans les compartiments voisins. Dans le boîtier 1 de l'arme, un cylindre de commande 22 est disposé excentriquement par rapport au piston diffé- rentiel 4 ou au piston de charge 7; il est entraîné en rotation au moyen d'un arbre 21 Le cylindre de commande 22 comporte des pistes de commande 23 et 24 dans lesquelles pénètrent des galets de commande 25 et 26 Le galet de com- mande 25 est placé sur le tourillon de commande 27 et relié rigidement à l'arbre 6 du piston différentiel 4 Il pénètre dans la piste de commande 23 Le galet de commande 26, placé sur le tourillon de commande 28, est, par contre, relié rigi- dement au piston de charge 7 et guidé dans la piste de com- mande 24 La rotation du cylindre de commande 22 provoque un déplacement axial du piston différentiel 4 et du piston de charge 7 l'un par rapport à l'autre et de façon forcée. Au lieu du placement excentrique du cylindre de com- mande 22, on peut également envisager un placement concentri- que, du type représenté sur la Fig 2 Dans le boîtier 1, le cylindre de commande 29 y a une forme cylindrique creuse et est monté de façon à pouvoir tourner concentriquement par rapport au piston de charge 7 Le cylindre de commande 29 est relié cinématiquement à une roue de commande (d'entrai- nement) 30 par l'intermédiaire d'une denture annulaire 31. La roue de commande 30 est elle-même entraînée en rotation par l'arbre de commande 32 Dans le cylindre de commande 29 se trouve, dans l'anneau inférieur, une piste de commande 33 devant être attaquée par le galet de commande 25 du piston différentiel et une piste de commande 34 destinée au galet de commande 26 du piston de charge 7 L'intervalle de déplacement axial 35 du piston de charge 7 correspond sen- siblement à l'intervalle de déplacement 36 du piston dif- férentiel 4 Les deux intervalles de déplacement 35, 36 sont chacun d'une longueur égale ou inférieure àla longueur axiale de la chambre de remplissage 14 ou de la cavité de remplissage 11. Les pistes de commande 23, 24 et 33, 34 ont, bien entendu, respectivement le même profil et sont représentées en particulier sur la Fig 5 Pour des raisons de simplicité et de clarté, on n'a représenté, sur la Fig 5, que les cames de commande 23, 24 Les directions de déplacement des galets de commande 25 et 26 sont indiquées par la flèche double 37, tandis que la flèche 38 indique la direction de déplacement du cylindre de commande 22 Les flèches 39 indiquent le mou- vement relatif des galets de commande 25, 26 par rapport aux pistes de commande 23, 24 Les deux pistes de commande 23 et 24 sont situées à distance l'une de l'autre et ont la même position initiale 40, 41. La Fig 5 représente un cycle de fonctionnement de chacune des pistes sur le trajet 42 Les deux pistes 23, 24 montent parallèlement au cours de l'intervalle 43 de l'aspi- ration de carburant jusqu'au sommet 44 ou 45 La piste de commande 24 du piston de charge 7 descend, après le point 44, sur le trajet 46 d'amenée des composants de carburant régu- lièrement jusqu'au plan 47 de la position initiale 41 et prend la trajectoire rectiligne 48 La piste de commande 23 correspondant au piston différentiel 4 reste, après avoir atteint le sommet 45, au niveau atteint du trajet 49, jus- qu'à ce que la piste de commande 24 ait presqu' atteint son plan inférieur 47 Ensuite, la piste de commande 23 descend suivant une pente forte sur le trajet 50. Pour obtenir un réglage des retards d'allumage de durées différentes éventuels, ce qui peut être provoqué par les composants différents du carburant, le contour supérieur 51 de la piste de commande 23 correspondant au piston diffé- rentiel 4 descend à partir de la position 52 suivant un arc, pour ramener le piston différentiel 4 dans la position initiale 40 Le contour inférieur 53 de la piste de commande 23 présente, par contre, dans la même zone, un arc montant, qui a pour effet d'amener le piston différentiel 4, au cours de cette phase, dans un état d'immobilisation A l'intérieur de ce trajet court 54, le retard d'allumage, le piston 4 est donc freiné pour être ensuite ré-accéléré, une fois l'allu- mage effectué, en étant ramené dans la position initiale 40. Dans ce dernier trajet 55, la came de commande 23 peut occu- per la largeur entre l'allumage et le démarrage. A l'intérieur du trajet 49, le piston différentiel est poussé vers l'avant sur le cône d'étanchéité 56 Le trajet 54 s'identifie à la durée de l'injection produite extérieurement, tandis que le trajet 57 représente le temps de l'injection produite par régénération. Les Fig 1 et 2 représentent le système de chambre de combustion à piston différentiel dans la position du pro- cessus de charge Dans cette position, le galet de commande 26 a parcouru dans le cylindre de commande rotatif 22 ou 29 le trajet 43 Le piston de charge 7 est déplacé vers l'avant et aspire du carburant dans la cavité de remplissage 11 ou la chambre de remplissage 14 En même temps, le galet de commande 25 est venu à bout du trajet 43 dans la piste de commande 23 ( 33), de sorte que le piston différentiel 4 s'est également déplacé vers l'avant La position à présent atteinte se trouve au point 44 ou 45. Le moment de l'allumage est représenté sur la Fig. 3 Il se produit lorsque le galet de commande 26 parcourt, sur la piste de commande 24 ( 34), le trajet 46 et a atteint le point 58 Ce recul n'est pas suivi par le galet de com- mande 25 correspondant au piston différentiel 4 Il reste au niveau atteint à peu près jusqu'au point 5 o le galet de commande 26 du piston de charge 7 a presqu' atteint le plan 47 Pendant le déplacement du galet de commande 25 jusqu'au point 52, le piston différentiel 4 est poussé vers l'avant. Pendant ce temps, le piston de charge 7 a reculé suivant la piste de commande 24 descendant uniformément et a donc pompé du carburant derrière la tête du piston différentiel 4. La Fig 4 représente la situation après le tir Le galet de commande 26 est revenu dans la piste de commande, sur le trajet 59, à la position initiale 41 La piste de commande 23 descend en pente raide du point 52 à la posi- tion initiale 40, ce qui signifie que le piston différen- tiel 4 a effectué un retour très rapide après l'amorçage de l'hypergol et l'entraînement par régénération. La référence 60 indique schématiquement des projec- tiles qui sont introduits dans des logements 61 et amenés au tube 2 de l'arme suivant le rythme prédéterminé du cylindre de commande 22 ou 29. La référence 62 désigne un canal de désaérage. REVENDICATI ONS 1 Système de chambre de combustion à piston diffé- rentiel pour armes à tube, comportant un dispositif d'injec- tion de carburant à régénération pour produire des gaz de propulsion à partir de constituants du carburant liquides, notamment hypergoliques, et un piston différentiel disposé de façon à être mobile axialement suivant l'axe du tube dans le bottier de l'arme, ainsi qu'un piston de charge, en liaison avec des canaux de remplissage, caractérisé en ce que dans la tige cylindrique ( 6) du piston différentiel ( 4), est disposé concentriquement un piston de charge ( 7) mobile axialement par rapport à elle, dont l'extrémité libre est en liaison avec des canaux d'amenée ( 8, 13), et en ce que le piston différentiel ( 4) et le piston de charge ( 7) com- portent des galets de commande ( 25, 26) qui roulent chacun dans une piste de commande ( 23, 24, respectivement 33, 34) commune correspondante d'un cylindre de commande commun ( 22, respectivement 29). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre de commande ( 22) est monté excentrique- ment par rapport au piston différentiel ( 4) et au piston de charge ( 7), de façon à pouvoir tourner dans le bottier ( 1) de l'arme. 3 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre de commande ( 29), entraîné par l'intermé- diaire d'une denture extérieure ( 31), est monté de façon à pouvoir tourner concentriquement par rapport au piston de charge ( 7) dans le boîtier ( 1) de l'arme. 4 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cames de commande ( 23, 24, respectivement 33, 34) destinées au piston de charge ( 7) et au piston différentiel ( 4), contig Ues et faisant annulaire- ment le tour du cylindre de commande ( 22, respectivement 29), occupent, au début de la charge, une même position initiale ( 40, 41) et montent parallèlement pour le processus de charge, la piste de commande ( 24, respectivement 34) du piston dif- férentiel ( 4) demeurant, pendant le retour de la piste de commande ( 24, respectivement 34), destinée au piston de charge ( 7), dans la position initiale ( 41), au niveau atteint, jusqu'à ce que la piste de commande ( 23, respecti- vement 33) du piston de charge ( 7) atteigne le plan ( 47) de la position initiale ( 41) ou l'ait presqu'atteinte, pour redescendre alors en pente raide dans sa propre position initiale ( 40). Système selon l'ensemble des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la piste de commande ( 23, respecti- vement 33) destinée au piston différentiel ( 4) décrit, par son contour supérieur ( 51), pour régler des retards d'allu- mage de différentes durées, un arc descendant et, par son contour inférieur ( 53), un arc montant sur la longueur de parcours ( 54) et provoque un freinage du piston différen- tiel ( 4). 6 Système selon l'ensemble des revendications 4 et , caractérisé en ce que la piste de commande ( 23, respecti- vement 33) occupe toute la largeur de l'allumage à la posi- tion initiale ( 40), au cours de l'intervalle ( 48) de dépla- cement du cylindre de commande ( 22, respectivement 29). 7 Système selon l'ensemble des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le piston de charge ( 7) comporte un canal d'amenée central ( 8) dirigé suivant son axe longi- tudinal, comportant une soupape ( 10) empêchant le reflux, et est relié par une cavité de remplissage ( 11) placée à son extrémité située vers la tige dans le bottier ( 1) de l'arme, à un canal d'aspiration ( 12), tandis qu'une chambre de remplissage ( 14), entourant pratiquement annulairement la cavité de remplissage centrale ( 11), destinée au second constituant du carburant, est reliée à un canal d'amenée ( 13) extérieur, orienté sensiblement parallèlement à l'axe longi- tudinal du piston de charge. 8 Système selon l'ensemble des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la longueur de la chambre de rem- plissage ( 14) est, mesurée suivant l'axe longitudinal du pis- ton de charge, égale ou inférieure aux intervalles de dépla- cement ( 35) du mouvement axial du piston de charge ( 7). il 9 Système selon les revendications l à 4, caracté- risé en ce que, si on le souhaite, chaque galet de commande ( 25, 26) comporte son propre cylindre de commande, ces cylindres de commande étant synchronisés.