Brevet FR2669241A1 — publié le 19920522

- Dispositif pour absorber les gaz d'échappement d'un laser chimique, et procédé de réalisation de ce dispositif La présente invention concerne un dispositif pour absorber les gaz d'échappement d'un laser chimique tel qu'un laser à hydracide, et un procédé de réalisation de ce dispositif. On sait que les lasers chimiques à hydracide sont alimentés par un fluide combustible tel que le deutérium et l'hydrogène et un fluide comburant halogène tel que le fluor, le chlore, le brome, l'iode ou un de leurs composés Les fluides réactifs, généralement dilués dans un gaz neutre comme l'azote, brulent dans une chambre de combustion pour engen- drer des atomes libres d'halogène qui sont admis dans la cavité optique du laser On injecte alors dans cette cavité de l'hydrogène ou du deuté- rium qui se combine avec les atomes libres d'halogène pour former des molécules d'halogénure dans un état vibrationnel excité En descendant à un niveau vibrationnel inférieur, ces molécules excitées engendrent un faisceau laser Ces lasers fonctionnent généralement à basse pression (au-dessous de 50 torrs); il est donc nécessaire de pomper les gaz sortant de la cavité. Ces gaz, tels que N 2, D 2, HF et DF, sont très toxiques et, pour des raisons de sécurité, ne peuvent être rejetés directement dans l'atmosphère, notamment si le laser chimique est utilisé comme équipe- ment à bord d'un avion, par exemple. Un dispositif pour absorber les gaz d'échappement d'un laser chi- mique à hydracide est décrit dans le brevet français N O 2 298 205 déposé par la Société TRW INC et publié le 13 août 1976 Ce dispositif comporte un récipient métallique étanche contenant sous vide du calcium revêtu extérieurement d'un matériau absorbant thermique Le dispositif comporte aussi des moyens permettant de préchauffer le calcium à 4000 C environ avant de déclencher le fonctionnement du laser, de façon que ce calcium soit capable d'absorber les gaz d'échappement Un tel préchauffage peut être réalisé électriquement, ou à l'aide d'une charge pyrotechnique, ou par admission d'une petite quantité d'oxygène La paroi du récipient comporte un disque perforable entouré par un joint d'étanchéité pour raccorder le récipient à la sortie du laser de manière étanche au vide. L'introduction des gaz d'échappement dans le récipient est déclenchée par perforation du disque. 2 - Le dispositif connu décrit ci-dessus présente des inconvénients. En effet le rendement d'absorption de gaz est relativement faible: 30 % environ de la masse de calcium contenue dans le récipient peut être utilisée Il en résulte une augmentation du poids et de l'encombrement du dispositif. De plus, la durée de préchauffage est trop longue pour certaines applications militaires, quel que soit le mode de préchauffage employé. Il faut noter en outre que le préchauffage par charge pyrotechnique est difficile à régler et que le préchauffage par introduction d'oxygène dans le récipient provoque une transformation chimique du calcium qui diminue encore sa capacité d'absorption de gaz. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a pour objet un dispositif pour absorber les gaz d'échappe- ment d'un laser chimique, ces gaz comprenant de l'azote et des gaz réactifs, dispositif comportant un récipient étanche relié par une valve à la sortie des gaz du laser chimique, ce récipient contenant sous vide du calcium, des moyens de chauffage du calcium contenu dans le récipient, et des moyens commandables pour ouvrir la valve afin que les gaz d'échappement puissent s'introduire dans le récipient, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce d'absorption de gaz fixée à l'intérieur du récipient, cette pièce comportant un matériau poreux disposé entre deux toiles métalliques, ce matériau retenant dans ses pores de l'ammoniac en adsorption et étant formé d'un mélange homo- gène dudit calcium, de sodium et de fibres de verre. La présente invention a aussi pour objet un procédé de réalisation de ce dispositif, caractérisé en ce qu'il consiste successivement à dissoudre du calcium et du sodium dans de l'ammoniac liquide anhydre, à provoquer sous vide l'évaporation de l'ammoniac de façon à obtenir un précipité formé de calcium et de sodium répartis de façon homogène, à dégazer partiellement ce précipité par chauffage sous vide, de façon à obtenir un corps poreux contenant encore de l'ammoniac en adsorption, à broyer sous atmosphère neutre le corps poreux de façon à obtenir une poudre, à mélanger sous atmosphère neutre des fibres de verre à cette poudre, 3 - à comprimer sous atmosphère neutre la poudre contenant des fibres de verre, entre deux toiles métalliques, dans une matrice, afin de former ladite pièce d'absorption de gaz et à disposer la pièce d'absorption de gaz dans ledit récipient sous vide. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en regard des dessins annexés dans lesquels les figures 1 et 2 représentent, en coupe longitudinale, respectivement deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention, et les figures 3 et 4 représentent, dans l'espace, deux plaques d'absorption faisant partie respectivement des dispositifs illustrés par les figures 1 et 2. Sur les figures 1 et 2, un récipient 1 métallique, de forme cylin- drique, sous vide, est raccordé d'un c 8 té à la sortie des gaz d'un laser chimique 2 par l'intermédiaire d'une valve 3 A l'intérieur du réci- pient 1 sont disposées des pièces d'absorption de gaz en forme de plaques parallèles entre elles et fixées sur la paroi interne du récipient par des supports non représentés Sur la figure 1, les plaques 4 sont rec- tangulaires et disposées le long du sens d'écoulement 5 dans le réci- pient 1 des gaz d'échappement du laser 2 Sur la figure 2, les plaques 6 sont des disques annulaires munis d'une ouverture centrale 15, ces dis- ques étant disposés perpendiculairement au sens d'écoulement 7 des gaz d'échappement dans le récipient 1 De préférence, la paroi interne du récipient 1 est revêtue d'une couche 8 formée d'un feutre de céramique constitué d'un alumino-silicate. La structure des plaques 4 et 6 est visible plus clairement sur les figures 3 et 4 Chaque plaque 4, 6 comporte un cadre métallique 9, 10. Sur le cadre rectangulaire 9 (figure 3), sont fixés par soudage deux toiles métalliques 11 et 12 parallèles entre elles Entre les toiles 11 et 12, est disposé un matériau poreux 13 De même, le cadre circulaire 10 (figure 4) supporte deux toiles métalliques telles que 14, entre les- quelles est disposé un matériau poreux 16 De préférence, les faces principales des plaques 4 et 6, c'est-à-dire celles qui sont formées par les toiles métalliques, comportent des gaufrages 17 et 18, de façon à augmenter leur surface extérieure. 4 - Le matériau poreux 13, 16 est formé d'un mélange homogène de cal- cium, de sodium et de fibres de verre La proportion en poids de sodium dans le mélange est de préférence comprise entre 2 et 10 %, tandis que celle des fibres de verres est inférieure à 20 % La longueur des fibres de verre est grande par rapport à la dimension des mailles des toiles métalliques La porosité du matériau 13, 16 est ouverte et de préférence supérieure à 75 % Ce matériau retient dans ses pores de l'ammoniac en adsorption. Les cadres 9, 10 et les toiles métalliques 11, 12, 14 peuvent avantageusement être réalisés en acier inoxydable. Les dispositifs représentés sur les figures 1 et 2 comportent des moyens commandables pour chauffer préalablement le contenu du réci- pient 1 Dans les exemples représentés, ces moyens comportent notamment une bouteille 19 renfermant une petite réserve de fluor, cette bouteille étant reliée au volume interne du récipient 1 par l'intermédiaire d'une vanne 20 Bien entendu, il est également possible d'effectuer ce pré- chauffage à l'aide de résistances électriques. Le laser 2 est par exemple un laser à acide fluorhydrique deuteré DF alimenté par de l'hydrogène et du fluor dilué dans un gaz neutre qui, dans tous les cas, est de l'azote La combustion du fluor et de l'hydro- gène dans la chambre de combustion du laser délivre des atomes libres de fluor qui pénètrent dans la cavité optique du laser. Ces atomes se combinent à des molécules de deutérium injectées dans la cavité pour former des molécules DF excitées Les gaz d'échap- pement de ce laser comprennent de l'azote, du deutérium, de l'acide fluorhydrique et de l'acide fluorhydrique deutéré. La valve 3 comporte par exemple un disque perforable constituant une partie de la paroi du récipient 1 et des moyens de perforation de ce disque, agissant dès que le laser est mis en fonctionnement Les gaz d'échappement du laser 2 sont alors admis à l'intérieur du récipient 1 à travers le disque perforé. Les pièces d'absorption de gaz sont réalisées de la manière sui- vante. On dissout, dans 2,5 litres d'ammoniac liquide anhydre 250 g d'un mélange contenant 95 % de calcium et 5 % de sodium, en granulés. -5 - On provoque l'évaporation de l'ammoniac en excès en soumettant la solution à un vide primaire On observe alors la précipitation de compo- sés intermédiaires tels que le calcium-ammonium Ca(NH 3)6 On soumet en- suite ces composés à un vide secondaire pour obtenir 250 g d'une poudre fine constituée d'un mélange homogène de calcium et de sodium L'évaporation de l'ammoniac doit être suffisamment rapide ( 15 minutes environ) pour entraîner une précipitation simultanée du calcium et du sodium afin que le sodium soit réparti de façon homogène dans la poudre de calcium. Le passage du vide primaire au vide secondaire ( 10-6 torr) peut s'effec- tuer en 15 heures environ. la poudre est ensuite partiellement dégazée, en une heure environ, par chauffage sous vide secondaire de façon à porter le mélange à une température de 800 C sous une pression de 10 torr On obtient ainsi un corps très poreux, de surface spécifique 10 m /g qui contient encore de l'ammoniac en adsorption. Ce corps est transporté dans une boîte à gants sous atmosphère d'argon pour être broyé dans un mixeur, de façon à obtenir une poudre qui est mélangée à des fibres de verre La longueur de ces fibres est de quatre millimètres et la proportion en poids des fibres dans le mélange est d'environ 10 %. Le mélange obtenu est comprimé sous atmosphère neutre, entre deux toiles métalliques en acier inoxydable, dans une matrice à une pression de 500 kg/cm La dimension des mailles des toiles métalliques est d'en- viron 250 microns et la transparence de ces toiles est de 50 %. Les pièces d'absorption de gaz ainsi réalisées peuvent avoir la forme de plaques dont l'épaisseur est de préférence inférieure à 10 mm. Ces pièces sont fixées dans le récipient 1 sous vide. Le dispositif représenté sur la figure 1 ou 2 fonctionne de la manière suivante. Par ouverture de la vanne 20, on provoque l'écoulement du fluor de la bouteille 19 dans le récipient 1 La réaction du fluor sur le calcium dégage une quantité de chaleur suffisante pour porter très rapidement à 400 C la température des pièces d'absorption L'ammoniac contenu dans ces pièces se dégage alors et réagit sur le sodium pour élever la température du calcium à 400 QQC en quelques secondes La finesse des mailles des 6 toiles métalliques permet d'éviter les projection de poudre du matériau poreux pendant la réaction sodium-ammoniac Grâce au revêtement de feu- tre de céramique, la température extérieure des parois du récipient 1 est limitée à une valeur convenable Il est à remarquer que l'échauffe- ment du calcium de 40 O à 400 QC est réalisé sans transformation chimique du calcium qui peut être ainsi entièrement utilisé, compte tenu de la porosité de la pièce, pour l'absorption des gaz du laser Les fibres de verre donnent au matériau poreux une rigidité suffisante pour s'opposer, pendant la réaction calcium-gaz aux contractions qui pourraient limiter la capacité d'absorption de la pièce poreuse. Dès que le calcium est à 4000 C, on peut déclencher le fonctionne- ment du laser et ouvrir la vanne 3. Le dispositif selon la présente invention peut s'adapter aux laser chimiques de type DF et HF ainsi qu'aux lasers chimiques SF Grâce à sa compacité et à sa rapidité de mise en condition de fonctionnement, il est particulièrement intéressant pour les applications aéronautiques. -7 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour absorber les gaz d'échappement d'un laser chimique, ces gaz comprenant de l'azote et des gaz réactifs, dispositif comportant un récipient étanche relié par une valve à la sortie des gaz du laser chimique, ce récipient contenant sous vide du calcium, des moyens de chauffage du calcium contenu dans le récipient, et des moyens commandables pour ouvrir la valve afin que les gaz d'échappement puissent s'introduire dans le récipient, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce d'absorption de gaz fixée à l'intérieur du récipient, cette pièce comportant un matériau poreux disposé entre deux toiles métalliques, ce matériau retenant dans ses pores de l'ammoniac en adsorption et étant formé d'un mélange homo- gène dudit calcium, de sodium et de fibres de verre. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la propor- tion en poids du sodium dans le mélange est comprise entre 2 et 10 %. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la propor- tion en poids des fibres de verre dans le mélange est inférieure à 20 %. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la porosité du matériau est ouverte et supérieure à 75 %. 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur des fibres de verre est grande par rapport à la dimension des mailles des toiles métalliques. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les toiles métalliques sont en acier inoxydable. 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réci- pient contenant plusieurs pièces d'absorption de gaz, celles-ci sont des plaques disposées parallèlement entre elles, chaque plaque comportant un cadre supportant les deux toiles métalliques. 8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les plaques sont disposées le long du sens d'écoulement des gaz dans le récipient. 9/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pla- ques sont des disques annulaires disposés perpendiculairement au sens de l'écoulement des gaz d'échappement dans le récipient. / Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pla- ques comportent des gaufrages pour augmenter leur surface extérieure. -8 - 11/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage du calcium contenu dans le récipient comportent des moyens commandables pour introduire du fluor dans le récipient. 12/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réci- pient est recouvert intérieurement d'un feutre de céramique. 13/ Procédé de réalisation du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, successivement, à dissoudre du calcium et du sodium dans de l'ammoniac liquide anhydre, à provoquer sous vide l'évaporation de l'ammoniac de façon à obtenir un précipité formé de calcium et de sodium répartis de façon homogène, à dégazer partiellement ce précipité par chauffage sous vide, de façon à obtenir un corps poreux contenant encore de l'ammoniac en adsorption, à broyer sous atmosphère neutre le corps poreux de façon à obtenir une poudre, à mélanger sous atmosphère neutre des fibres de verre à cette poudre, à comprimer sous atmosphère neutre la poudre contenant des fibres de verre, entre deux toiles métalliques, dans une matrice, afin de former ladite pièce d'absorption de gaz et à disposer la pièce d'absorption de gaz dans ledit récipient sous vide.