Brevet FR2681909A1 — publié le 19930402

Revêtement ablatif pour chambre de combustion de moteur-fusée L'invention concerne un revêtement ablatif appliqué sur la paroi de la chambre de combustion d'un moteur-fusée et formé d'une matrice de résine silicone comportant des groupes phényle et d'au moins 30 % en poids d'une charge à point de fusion élevé. Les températures de combustion à l'intérieur de la chambre de combustion de statoréacteurs peuvent atteindre localement 1700 K et plus, selon le pouvoir calorifique du combustible utilisé Il est par conséquent nécessaire de protéger les parois métalliques de la chambre de combustion contre les gaz de combustion brûlants, riches en oxygè- ne, au moyen d'un revêtement ablatif. Une couche ablative en résine silicone comportant des grou- pes phényle s'est révélée adaptée Sous l'action de la chaleur, la résine silicone subit un processus de transformation en plusieurs phases, des réactions endothermes, telles que formation de gaz, fusion et pyrolyse se produisant, lesquelles réactions ont une action de refroidissement. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le revêtement ablatif soit tota- lement pyrolysé, le revêtement ablatif pyrolysé, carbonisé assurant alors une protection temporaire de la paroi de la chambre de combus- tion La résine silicone contient une proportion aussi grande que possi- ble de groupes phényle afin d'obtenir une quantité aussi grande que possible de matériau ablatif pyrolysé carbonisé. Le revêtement ablatif pyrolysé produit par réaction de la rési- ne silicone avec les gaz de combustion présente une structure poreuse et tend à se fissurer, les fissures pouvant former des îlots. La chambre de combustion de statoréacteurs est traversée par les gaz de combustion dotés d'une vitesse élevée Les combustibles hautement énergétiques contiennent une part importante d'agents chi- miques à pouvoir calorifique élevé Le gaz de combustion contient par conséquent une quantité élevée de particules de tels produits chimi- ques qui ont une action fortement abrasive Par ailleurs, le revêtement ablatif pyrolysé est exposé aux oscillations de pression à fréquence élevée qui apparaissent dans un statoréacteur lors de la combustion. Les îlots que forment les fissures dans le revêtement ablatif ont alors fortement tendance à se détacher Il s'ensuit une destruction partielle du revêtement ablatif et une menace importante pour la paroi de cham- bre de combustion. Tous les matériaux ablatifs à base de résine silicone contien- nent une quantité élevée de matières de remplissage (charges) Les charges sont le plus souvent des oxydes métalliques avec des tailles de grains différentes On utilise également des fibres d'oxydes métalli- ques de différentes longueurs Ceci ne permet cependant pas d'empê- cher la formation de fissures dans le revêtement ablatif pyrolysé car- bonisé. L'objectif de la présente invention est de proposer un revête- ment ablatif pour la paroi de la chambre de combustion d'un moteur- fusée qui permette de réduire la formation de fissures après pyrolyse de manière telle, que la paroi de chambre de combustion ne soit pas menacée par le détachement de morceaux du revêtement ablatif pyroly- sé. Ceci est obtenu de manière surprenante au moyen d'un revête- ment ablatif qui contient, en plus de la matrice de résine silicone com- portant des groupes phényle et de la charge à point de fusion élevé, 1 à % en poids d'un carbonate de métal alcalino-terreux, en particulier de carbonate de magnésium. Les carbonates de métal alcalino-terreux fondent à tempéra- ture relativement basse en libérant du CO 2 La température de décom- position du carbonate de magnésium se situe par exemple aux environs de 350 O C Les points de fusion des autres matières, c'est-à-dire des charges à point de fusion élevé du revêtement ablatif selon l'invention, sont nettement plus élevés Ceci signifie que sous l'action des gaz de combustion à haute température, le carbonate de métal alcalino- terreux fond et se décompose pour former de l'oxyde de métal alcalino- terreux correspondant tandis que les matières de remplissage à point de fusion élevé, tels que l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de silicium, l'oxyde de magnésium ou l'oxyde de thorium, restent inertes en présence des gaz de combustion à haute température Lorsqu'on utilise du carbonate de magnésium, l'action des gaz de combustion à haute température provo- que tout d'abord la formation de carbonate de magnésium fondu, puis après libération de C 02, d'une céramique d'oxyde de magnésium qui relie entre elles et réticule les particules inertes de produit de remplis- sage Cette réticulation des particules inertes de produit de remplissa- ge crée une structure cohérente à l'intérieur du revêtement ablatif, la- quelle structure tient si fermement le revêtement ablatif que la forma- tion de fissures et par suite le détachement de morceaux du revêtement ablatif pyrolysé ne peut avoir lieu. Le revêtement ablatif selon l'invention assure donc une pro- tection fiable de la paroi de chambre même avec une épaisseur de re- vêtement très faible, et cela même en présence de combustibles haute- ment énergétiques avec des composants solides abrasifs, tels que le bore ou l'aluminium, dans les gaz de combustion et avec des tempéra- ture élevées de 1700 K et plus à l'intérieur de la chambre de combus- tion. Comme résine silicone contenant des groupes phényl, on uti- lise de préférence du phényl-méthyl-silicone, c'est-à-dire un silicone qui contient, outre des groupes phényle, des groupes méthyle. La libération de C 02 lors de la décomposition du carbonate de métal alcalino-terreux au cours du processus de combustion permet d'obtenir simultanément un effet de refroidissement supplémentaire. La quantité de carbonate de métal alcalino-terreux représente 1 à 20 % en poids, rapporté au poids du revêtement ablatif, de préfé- rence 2 à 8 %, en particulier 5 % environ. La matière de remplissage à point de fusion élevé a un point de fusion tel qu'elle ne fond pas, ou du moins ne subit pas une fusion notable, sous l'action des gaz de combustion, c'est-à-dire que son point de fusion est nettement supérieur au point de fusion ou au point de dé- composition du carbonate de métal alcalino-terreux La matière de remplissage inerte à point de fusion élevé est constituée de préférence, pour partie au moins, de fibres courtes, les fibres courtes augmentant beaucoup plus fortement la résistance que les matières de remplissage en poudre Par ailleurs, les fibres courtes permettent d'obtenir une meilleure réticulation du produit de remplissage par la céramique d'oxyde de métal alcalino-terreux formée selon l'invention. Comme fibres courtes, on utilise de préférence des fibres d'oxyde d'aluminium, des fibres d'oxyde de silicium ou encore des fi- bres d'oxyde de zirconium ou d'oxyde de magnésium Il est en outre apparu avantageux d'ajouter des fibres de carbone La proportion de fi- bres contenues dans le revêtement ablatif représente au total de préfé- rence de 10 à 40 % en poids, rapporté au poids du revêtement ablatif, en particulier de 20 à 30 % Les fibres de carbone qui sont de préfé- rence ajoutées en plus des fibres d'oxyde métallique minéral représen- tent de préférence de 5 à 20 % en poids, rapporté à la quantité totale de fibres. En incorporant les fibres courtes dans la résine silicone liqui- de, on augmente considérablement la viscosité La proportion maxima- le de fibres courtes est par conséquent atteinte lorsque la viscosité de la résine silicone est telle que l'on ne peut plus obtenir une distribu- tion homogène desdites fibres à l'intérieur de la résine silicone. A cela s'ajoute le fait que les fibres courtes cassent lorsque, lors du malaxage, celles-ci sont soumises pendant un temps relative- ment long à des forces élevées Cela signifie qu'un malaxage prolongé avec une viscosité relativement élevée entraîne une fragmentation et de ce fait une dégradation de la fonction des fibres courtes à l'intérieur du revêtement ablatif Les fibres courtes sont mélangées à la résine si- licone liquide de préférence en longueurs de 2 à 6 mm. En ajoutant des matières sous forme de poudre, la viscosité de la résine silicone augmente moins fortement Pour cette raison, se- lon l'invention, la matière de remplissage à point de fusion élevé contient de manière préférentielle des matières pulvérulentes en plus des fibres courtes, et le rapport en poids des fibres courtes aux matiè- res de remplissage pulvérulentes est compris de préférence entre 0,05 et 2, en particulier entre 0,5 et 1,5. La matière de remplissage pulvérulente peut être constituée du même oxyde métallique à point de fusion élevé que les fibres cour- tes, c'est-à-dire en particulier d'oxyde d'aluminium (A 1203), d'oxyde de silicium (Si O 2), d'oxyde de magnésium (Mg O) ou d'oxyde de zircone (Zr O 2) La dimension moyenne de grain de la matière de remplissage pul- vérulente est comprise de préférence entre 10 et 500 gm, en particulier entre 20 et 200 Im Le carbonate de métal alcalino-terreux ajouté selon l'invention a lui aussi une taille moyenne de grain qui est comprise de préférence entre 10 et 500 jm, en particulier entre 20 et 200 gnm. La proportion de résine silicone du revêtement ablatif selon l'in- vention représente de préférence 40 à 50 % en poids. L'exemple ci-après permet de mieux comprendre l'invention. Afin de confectionner un revêtement ablatif, on réalise une mas- se à partir de: environ 4000 g résine phényl méthyl-silicone environ 2200 g fibres A 1203 environ 1000 g fibres Si O 2 environ 300 g fibres C environ 1000 g poudre A 1203 environ 1000 g poudre Si O 2 environ 500 g poudre Mg CO 3 environ 10 kg Les différentes fibres ont une longueur d'environ 3 mm et les éléments pulvérulents ont une taille moyenne de grain d'environ 100 g W On prend 3 kg de la résine silicone liquide et on y incorpore en premier lieu les éléments pulvérulents (poudres de carbonate de magné- sium, d'oxyde d'aluminium, d'oxyde de silicium) par petites quantités en agitant le mélange, puis on ajoute les constituants fibreux en agitant mo- dérément La masse à viscosité élevée ainsi obtenue est alors mélangée à la résine silicone ( 1 kg) restante. On prend une partie correspondante de la masse ainsi obtenue, on la mélange à un durcisseur et on l'applique par exemple par enduction, centrifugation ou un procédé analogue sur la face intérieure préalable- ment nettoyée et préparée avec un agent d'accrochage de la paroi de chambre de combustion d'un moteur fusée à combustible solide. De préférence, la proportion de matière de remplissage à point de fusion élevé représente de 40 à 70 % en poids. REVENDICATIONS 1 Revêtement ablatif appliqué sur la paroi de la chambre de combustion d'un moteur-fusée et formé d'une matrice de résine silico- ne comportant des groupes phényle et d'au moins 30 % en poids d'une charge à point de fusion élevé, caractérisé par le fait que le revêtement ablatif contient en outre 1 à 20 % en poids d'un carbonate de métal alcalino-terreux. 2 Revêtement ablatif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la proportion de charge à point de fusion élevé repré- sente de 40 à 70 % en poids. 3 Revêtement ablatif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la proportion de carbonate de métal alcali- no-terreux représente de 2 à 8 % en poids. 4 Revêtement ablatif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que le carbonate de métal al- calino-terreux est du carbonate de magnésium.