Brevet FR2704280A1 — publié le 19941028

La présente invention concerne des moteurs-fusées à combustible liquide et plus particulièrement un moyen pour améliorer la charge du combustible et la suppression des contraintes produites dans le bloc de combustible. Des moteurs-fusées 2 utilisant un combustible solide sont constitués couramment d'une enveloppe 4 de la fusée, habituellement formée en métal ou en matériau composite, d'une couche d'isolation thermique 6 revêtant la paroi interne de l'enveloppe de la fusée et du combustible solide 8 (voir les figures 1 et 2). Un passage central 10 s'étend suivant l'axe longitudinal et par le centre du combustible. Pendant l'allumage le combustible brûle et les produits de combustion s'écoulent à travers le passage central 10 vers une tuyère 11, de manière à propulser la fusée. La vitesse à laquelle le combustible solide 8 brûle, détermine les caractéristiques du vol ou la loi de variation de la poussée de cette fusion. A la différence des fusées à combustible liquide, il n'existe pas un moyen pour commander ou modifier la quantité de combustible pénétrant dans la zone de combustion, pendant l'allumage. Cependant les concepteurs des fusées ont conçu une méthode de prévision des performances ou de la loi de variation de la poussée de ces fusées à combustible solide en modifiant l'aire superficielle du bloc de combustible exposé à l'allumage. Pour arriver à ce résultat le bloc de combustible 8 est conçu avec des rainures ou des trajets particuliers 11 configurés de manière à donner la loi de variation désirée pour la poussée. Dans la plupart des types de bloc de combustible la configuration comporte un passage central 10 le long de l'axe longitudinal ou suivant la 2 2704280 longueur du bloc de combustible, ainsi que des rainures secondaires 12 formées autour du passage central 10. Ces rainures secondaires 12 s'étendent typiquement dans le sens radial à partir du passage central 10 et coaxialement autour de ce passage. Cependant ces rainures créent des zones de contraintes, en particulier à l'endroit des bords externes 14 des rainures secondaires 12. Ces contraintes peuvent produire des déchirures ou des fissures dans le combustible et elles peuvent altérer la loi de développement de la combustion avec des résultats catastrophiques. On a trouvé que la grandeur de la contrainte créée à l'endroit du bord externe 14 des rainures secondaires 12 est une fonction du diamètre de la rainure secondaire 12. Une solution de ce problème a consisté à revêtir la surface de la rainure avec une couche organique de manière à renforcer le liant dans le bloc de combustible et de réduire ainsi l'influence des contraintes sur le combustible (voir le brevet US-4 052 943). Une approche différente a consisté à augmenter le diamètre de la rainure secondaire 12, en entraînant ainsi un accroissement du rayon du bord externe 14 et une suppression de la contrainte. Cette approche, bien qu'elle soit bénéfique, se traduit par des charges en combustible plus faibles et par conséquent par des performances réduites. Par conséquent ce que l'on recherche dans cette technique c'est un moyen simple et efficace pour supprimer la contrainte à l'endroit du bord externe de ces rainures secondaires, tout en permettant des rendements des charges plus élevés pour les moteurs. 3 2704280 Le système de suppression des contraintes suivant la présente invention utilise un ou plusieurs éléments articulés disposés entre la couche d'isolation thermique et le bord externe de la rainure secondaire dans un moteur-fusée à combustible solide. Les éléments articulés sont capables d'une flexibilité ou d'un mouvement suffisant pour supprimer les contraintes produites autour des bords externes des rainures s'étendant radialement, pendant le stockage ou l'allumage du moteur- fusée, et ils réduisent la possibilité d'une défaillance catastrophique. Un autre aspect du système de suppression des contraintes est un procédé pour former les éléments articulés dans lequel le bord externe de la rainure secondaire passe à travers la surface d'une zone surépaissie de l'isolation thermique et à travers une couche d'un matériau de séparation noyée dans la zone surépaissie de l'isolation thermique et formant deux éléments articulés dont chacun a son extrémité distale attachée à la couche isolante et son extrémité proximale libre de se déplacer et de supprimer les contraintes apparaissant à l'endroit du bord externe de la rainure secondaire. On décrira ci-après diverses formes d'exécution en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un moteur- fusée pourvu d'un système de suppression des contraintes suivant la technique antérieure. - la figure 2 est une vue en coupe axiale, à plus grande échelle, d'un moteur-fusée suivant la technique 4 2704280 antérieure, comportant les rainures de suppression des contraintes suivant la technique antérieure. - la figure 3 est une vue en perspective d'un moteur- fusée comportant le système de suppression des contraintes suivant la présente invention. - la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un moteur- fusée comportant le système de suppression des contraintes suivant la présente invention. - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale partielle, à plus grande échelle, d'un point individuel de suppression des contraintes suivant la présente invention. On se référera maintenant aux dessins donnés à titre d'exemples non limitatifs. Les figures 3, 4 et 5 représentent un moteur-fusée 2 ayant une enveloppe externe 4 qui est revêtue d'une couche interne de matériau isolant 6 à laquelle est lié le combustible 8 de la fusée. Suivant l'axe longitudinal de la fusée s'étend un passage central 10 pour les gaz d'échappement qui sont produits pendant l'allumage et la combustion du combustible, en direction d'une tuyère d'échappement 11. Une ou plusieurs rainures secondaires 12 s'étendent radialement autour du passage central 10 et dans cet exemple elles sont formées coaxialement autour du passage central 10. Ainsi qu'il a été indiqué précédemment, ces rainures secondaires 12 interviennent pour contrôler les caractéristiques du développement de la combustion du combustible et elles contrôlent ainsi la forme de la loi de variation de la poussée du moteur-fusée. En outre un ou plusieurs éléments articulés 20 sont disposés à proximité immédiate du bord externe 14 des rainures secondaires 12 et de 2704280 la couche isolante 6. Typiquement ces éléments articulés 20 sont attachés à une extrémité 22, à savoir à leur extrémité distale, à la couche isolante 6 tandis que leur autre extrémité ou extrémité proximale 24 qui est la plus proche du bord externe 14 de la rainure secondaire 12, est libre de pouvoir se déplacer et supprime ainsi les contraintes apparaissant à l'endroit du bord externe 14 de la rainure secondaire 12. Un procédé pour réaliser ces éléments articulés consiste à former, à l'endroit du bord externe 14 de chaque rainure secondaire 12, une zone surépaissie de l'isolation 16 dans laquelle est noyée une couche d'un matériau de séparation 18 qui est disposée pratiquement perpendiculairement au bord externe 14 de la rainure secondaire 12. Dans l'état inactif la couche de séparation 18 est noyée dans la zone surépaissie de l'isolation 16. Cependant, lorsque la rainure secondaire 12 est formée, le bord externe 14 est étendu à travers la surface de la zone surépaissie de l'isolation 16, au-dessus de la couche de séparation 18 et à travers cette couche de séparation 18 elle-même, ce qui se traduit par la formation de deux éléments articulés 20 attachés à l'endroit de leurs extrémités distales 22. Ces éléments articulés flexibles ou mobiles permettent un mouvement du bloc de combustible afin de supprimer des contraintes créées à l'endroit du bord externe 14 de la rainure secondaire 12. Bien que la description précédente énonce les caractéristiques d'une zone surépaissie de la couche d'isolation thermique et d'une couche de matériau de séparation, afin de permettre la formation des éléments 6 2704280 articulés en étendant le bord externe des rainures secondaires à travers ces couches, la présente invention ne doit pas être limitée à une telle réalisation. Au contraire la présente invention envisage l'utilisation d'autres éléments articulés destinés à intervenir en tant que suppresseurs de contraintes, ainsi qu'il apparaîtra clairement aux spécialistes de cette technique. Le procédé de fabrication des systèmes de suppression des contraintes est mis en oeuvre au mieux de la façon suivante: Pendant la production de la fusée la surface interne de l'enveloppe de la fusée est revêtue d'un matériau isolant thermiquement 6. Ce matériau est typiquement une forme de caoutchouc vulcanisable et il est formé par une application d'une série de couches de matériau non durci ou "vert" sur la surface de l'enveloppe de la fusée. La couche isolante a généralement une épaisseur uniforme, cette épaisseur variant en fonction du type de matériau isolant choisi. Pendant le processus de formation de l'isolation, l'isolation, aux endroits prédéterminés o elle doit être surépaissie, est renforcée en ajoutant davantage de matériau isolant jusqu'à ce qu'une hauteur ou épaisseur prédéterminée soit obtenue. La hauteur ou épaisseur de la zone surépaissie 16 de l'isolation qui est nécessaire pour permettre au système de suppression des contraintes de fonctionner d'une manière correcte, varie suivant le combustible, le type de fusée etc... Cependant la zone surépaissie a une épaisseur qui est comprise généralement dans la plage allant d'environ 0,5 cm à 7 2704280 environ 1 cm en plus de l'épaisseur de base de la couche isolante (indiquée par x sur le dessin). Alors que l'épaisseur de la couche de l'isolation au-dessus de la couche de matériau de séparation peut aller d'environ 0,25 cm à environ 0,50 cm, l'épaisseur effective qui est nécessaire, varie et est fonction des propriétés physiques des matériaux isolants particuliers qui sont utilisés. En fait la raison de la formation d'une zone surépaissie de l'isolation est d'assurer qu'une isolation suffisante subsiste entre le bord externe 14 de la rainure secondaire 12 et l'enveloppe 4 de la fusée, afin d'empêcher un problème pendant l'allumage. Des couches plus épaisses pourraient être appliquées uniformément sur toute l'enveloppe de la fusée, en obtenant ainsi le même résultat final, sans avoir à former des zones surépaissies sélectives. Cependant une telle approche se traduirait par des charges plus faibles en combustible par suite du moindre espace disponible à l'intérieur de l'enveloppe de la fusée. Une fois que les zones surépaissies 16 de l'isolation ont été formées, on applique une couche de matériau de séparation 18 au sommet de la zone surépaissie de l'isolation et on applique un matériau isolant additionnel afin de recouvrir le matériau de séparation 18 avec une épaisseur suffisante pour permettre aux éléments articulés éventuels 20 de demeurer tels une fois formés et d'obtenir l'épaisseur finale prévue pour la zone surépaissie 16. Le matériau de séparation 18 qui est utilisé dans ce processus, peut être n'importe quel matériau qui n'adhère pas à l'isolation elle-même. Le matériau tel que le polytétrafluoroéthylène dont un exemple est connu sous le nom de 8 2704280 "Teflon" ou bien d'autres polymères fluorés sont préférés mais toutefois d'autres matériaux capables d'assumer cette fonction sont bien connus des hommes de l'art ou bien peuvent être aisément déterminés par de simples essais. Typiquement le matériau de séparation 18 se présente sous la forme d'une feuille mais d'autres formes telles qu'une poudre pourraient être utilisées. Il est important que le matériau de séparation 18 n'adhère pas au combustible 8 lui-même car un tel matériau ne permettrait pas aux éléments articulés 20 de se déplacer librement pour supprimer les contraintes. La couche de matériau de séparation 18 doit être située approximativement à la même distance 28 de chaque côté de la zone surépaissie 16. Ceci permet au matériau de séparation 18 de demeurer lié ou noyé dans l'isolation 6 à l'endroit de l'extrémité distale 22, c'est-à-dire la plus éloignée du bord externe 14 de la rainure secondaire 12, tandis que l'extrémité proximale 24, c'est-à-dire celle qui est la plus proche du bord externe 14 de la rainure secondaire 12, peut se déplacer librement. En outre la couche de matériau de séparation 18 doit être conçue de telle façon que sa longueur soit plus petite que la largeur de la zone surépaissie en étant toutefois plus grande que le diamètre du bord externe 14 de la rainure secondaire 12. Ceci permet la formation appropriée des éléments articulés 20 une fois la rainure formée. Il convient de noter que, si la couche de séparation 18 n'est pas plus large que le diamètre du bord externe 14 de la rainure secondaire 12, les éléments articulés 20 ne peuvent pas se déplacer librement et par conséquent ils ne peuvent pas intervenir efficacement. 9 2704280 Une fois que l'isolation non durcie 6 et le matériau de séparation 18 ont été mis en place, on amène l'isolation à durcir ou à se vulcaniser par l'application de chaleur et de pression. Une fois l'isolation vulcanisée, on introduit le combustible dans l'enveloppe et on le fait adhérer à la couche isolante. Ceci est réalisé au cours de l'une de nombreuses procédures traditionnelles. Par exemple on peut verser le combustible non durci à l'intérieur de l'enveloppe et on peut l'amener à durcir in situ. Après que le bloc de combustible a été durci, on forme les rainures secondaires 12 en utilisant des techniques traditionnelles, tel qu'un usinage au moyen d'un tour. Ces rainures secondaires 12 sont formées de préférence sous la forme de rainures continues s'étendant radialement, formées coaxialement autour du passage central 10 (ainsi qu'il est représenté sur les figures). Cependant d'autres configurations des rainures secondaires peuvent être envisagées telles que des rainures coaxiales discontinues ou d'autres types de rainures. Ces rainures secondaires doivent être en communication avec le passage central afin de permettre aux gaz produits pendant l'allumage de se déplacer vers la tuyère d'échappement. Les rainures secondaires sont formées avec une profondeur telle que le bord externe 14 de chaque rainure secondaire 12 pénètre à travers la zone de l'isolation située au-dessus du matériau de séparation 18 et à travers ce matériau de séparation lui-même, pour créer les éléments articulés 20. Une fois ces éléments articulés 20 formés, ils peuvent se déplacer librement avec le bloc de combustible, 2704280 afin de supprimer les contraintes créées pendant l'allumage ou le stockage. La présente invention améliore deux aspects essentiels des moteurs- fusées à combustible solide. En premier lieu l'utilisation du système de suppression des contraintes réduit d'une manière notable la tendance à la formation de fissures ou la séparation du combustible à partir de l'isolation, qui apparaissent par suite des contraintes créées dans le combustible par suite d'un stockage de longue durée ou pendant l'allumage. Ceci empêche à son tour des défaillances catastrophiques possibles dues à une combustion incontrôlée pendant l'allumage. Le second avantage obtenu est qu'avec le système de suppression des contraintes en place la conception de la rainure secondaire large pour éviter la formation de contraintes, ainsi qu'il était exigé antérieurement, n'est plus désormais nécessaire. Ceci permet la conception de rainures plus étroites, ce qui entraîne des charges plus élevées de la fusée se traduisant par des performances meilleures. J'l 2704280 REVENDICATIONS 1.- Système de suppression des contraintes dans un moteur-fusée à combustible solide, isolé thermiquement, comportant une ou plusieurs rainures secondaires (12) ayant des bords externes (14), caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs éléments articulés (20), chacun de ces éléments articulés ayant une extrémité distale (22) et une extrémité proximale (24), l'extrémité distale étant fixée à la couche (16) d'isolation thermique tandis que l'extrémité proximale (24) est libre pour permettre de supprimer les contraintes créées à l'endroit du bord externe (14) de la rainure secondaire (12). 2.- Système de suppression des contraintes suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments articulés (20) sont formés en étendant le bord externe (14) d'une rainure secondaire (12) à travers la surface de l'isolation thermique (16) et à travers une couche de matériau de séparation (18). 3.- Système de suppression des contraintes suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le matériau de séparation est une pellicule. 4.- Système de suppression des contraintes suivant la revendication 3 caractérisé en ce que la pellicule est en polymère fluoré tel que le polytétrafluoroéthylène. 5.- Procédé pour supprimer les contraintes formées dans un bord externe d'une rainure secondaire d'un moteur-fusée à combustible solide caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: a) à préparer une enveloppe de fusée (4) ayant une surface interne; 12 2704280 b) à revêtir cette surface interne avec une couche isolante thermiquement (6); c) à appliquer une couche de matériau de séparation à la couche d'isolation thermique (6), en des emplacements prédéterminés; d) à appliquer une isolation thermique de manière à recouvrir la couche de matériau de séparation; e) à placer le combustible solide (8) dans l'enveloppe (4) de la fusée; f) à durcir le combustible (8); et g) à former une ou plusieurs rainures secondaires (12) dans le combustible de telle façon que le bord externe (14) de la rainure (12) passe à travers la couche de matériau isolant en formant ainsi un ou plusieurs éléments articulés (20). 6.- Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le bord externe (14) de la rainure secondaire (12) passe à travers la couche de matériau de séparation (18). 7.- Procédé suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la couche de matériau de libération (18) est plus courte que la largeur de l'isolation surépaissie (16). 8.- Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le matériau de séparation (18) est une pellicule. 9.- Procédé suivant la revendication 8 caractérisé en ce que la pellicule est en polymère fluoré tel que le polytétrafluoroéthylène. 10.- Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la couche d'isolation thermique (6) comporte des zones surépaissies (16) situées à proximité immédiate du bord externe (14) des rainures secondaires (12) et ces zones surépaissies 13 2704280 (16) contiennent une couche de matériau de séparation (18), et en ce que le bord externe (14) de la rainure secondaire (12) passe à travers une surface de la couche isolante (16) et à travers le matériau de séparation (18) de manière à former les éléments articulés (20). 11.- Procédé suivant la revendication 10 caractérisé en ce que l'épaisseur de la zone surépaissie va d'environ 0,5 cm à environ 1 cm en plus de l'épaisseur de base de la couche isolante. 12.- Procédé suivant la revendication 10 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche isolante au-dessus de la couche du matériau de séparation va d'environ 0,25 cm à environ 0,50 cm.