Brevet FR2728308A1 — publié le 19960621

La présente invention concerne de façon générale les moteurs-fusées et autres générateurs de gaz. Plus précisé- ment, la présente invention concerne des générateurs de gaz qui ont des enveloppes composites, c'est-à-dire des enve- loppes qui sont composées d'un matériau fibreux qui est imprégné d'une résine ou d'un autre matériau liant. Bien que l'invention soit décrite dans le présent mémoire dans le cas des moteurs-fusées, il faut noter que d'autres types de générateurs de gaz entrent dans le cadre de la présente invention. La combustion d'un propergol dans une enveloppe de moteur-fusée produit des gaz qui sont libérés de manière réglée par une tuyère pour l'application d'une poussée assurant la propulsion du moteur-fusée. Le propergol est enflammé dans cette utilisation par un système d'allumage. Cependant, chaque type de propergol a sa propre température d'autoallumage, c'est-à-dire une température à laquelle le propergol s'enflamme automatiquement. Le propergol destiné à un moteur-fusée particulier est donc choisi afin que sa température d'auto-allumage soit nettement supérieure à la plage des températures ambiantes prévues pour le stockage et l'utilisation du moteur-fusée. Si, à la suite d'un incendie imprévu à proximité d'un moteur-fusée qui est entreposé, le propergol du moteur-fusée atteint une tempé- rature si élevée qu'il présente un auto-allumage, non seulement les risques d'incendie sont encore accrus mais de plus le moteur-fusée peut être propulsé et peut augmenter de façon considérable les dommages catastrophiques qui peuvent être provoqués. Bien que ce risque de propulsion puisse ne pas être très important dans d'autres types de générateurs de gaz, il peut encore être souhaitable d'empê- cher les risques d'éclatement catastrophique dû à une élévation importante de la pression à l'intérieur. Il faut une grande quantité d'énergie, d'une manière peu rentable, pour la cassure des brins des matériaux fibreux d'une enveloppe de moteur- fusée pour qu'elle soit ventilée et que les effets d'un tel risque soient réduits dans le cas d'une charge conformée ou analogue, et il est alors nécessaire d'introduire un système auxiliaire qui n'a aucune autre fonction pendant le fonctionnement normal, d'une manière peu rentable. Lors de l'utilisation de charges conformées externes, placées le long de l'enveloppe ou enroulées autour de celle-ci ou lorsqu'un système auxiliaire est utilisé pour l'ouverture de l'enveloppe ou d'un autre récipient sous pression, des coûts et/ou des poids supplémentaires et éventuellement une enveloppe supplémentaire peuvent être nécessaires de manière indési- rable. Un tel système auxiliaire augmente aussi la com- plexité et réduit ainsi la fiabilité globale parce qu'il existe plusieurs éléments qui peuvent présenter une défail- lance. Ainsi, il est souhaitable de pouvoir obtenir le résultat recherché qui est l'ouverture de l'enveloppe ou d'un autre récipient sous pression sans utilisation de charge conformée ou d'un système auxiliaire. Les métaux utilisés de manière classique ne perdent pas leur résistance mécanique à une température suffisam- ment faible. Les constructions à recouvrement de bandes (configuration à feuilles stratifiées spiralées) perdent leur résistance dans l'adhésif placé entre les couches; cependant, si le chauffage imprévu est très localisé, les bandes peuvent rester fixées à leurs extrémités si bien que la structure peut continuer à supporter la pression de manière indésirable. Des récipients classiques formés par un enroulement de filaments peuvent se comporter de manière analogue lors du chauffage. La présente invention a donc pour objet la réalisa- tion d'une enveloppe composite pour moteur-fusée ou pour un autre générateur de gaz, qui peut être ventilée à une température qui est nettement supérieure à la plage des températures ambiantes de stockage et d'utilisation mais qui est nettement inférieure à la température d'auto- allumage du matériau générateur de gaz placé à l'intérieur afin qu'une propulsion catastrophique ou un éclatement de l'enveloppe soit évité. La présente invention a aussi pour objet la ventila- tion de l'enveloppe d'une manière fiable et rentable. L'invention a aussi pour objet cette ventilation ne nécessitant pas de charges conformées ou d'un autre système auxiliaire pour une raison quelconque. L'invention, pour la réalisation d'un type de générateur de gaz qui peut être ventilé et qui ne nécessite ni charges conformées ni autre système auxiliaire, est telle que l'enveloppe est composée d'un matériau fibreux imprégné d'un liant, et le matériau fibreux est caractérisé par une température de fusion nettement supérieure à la plage des températures ambiantes auxquelles le générateur de gaz est normalement soumis et qui est nettement infé- rieure à la température à laquelle le matériau générateur de gaz placé dans l'enveloppe s'enflamme automatiquement. Le matériau formant le liant est de préférence polyméri- sable sous l'action d'un rayonnement actinique à une température nettement inférieure à la température de fusion du matériau fibreux. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisation préférés qui doivent être lus en référence aux dessins annexés. La figure i est une coupe longitudinale schématique d'un moteur-fusée réalisé selon l'invention. La figure 2 est une vue schématique illustrant un procédé de fabrication de l'enveloppe du moteur-fusée de la figure 1 selon l'invention. On se réfère à la figure i qui représente de façon générale en 10 un moteur-fusée qui comporte une enveloppe allongée 12 de forme générale cylindrique ayant un axe longitudinal 30. Un organe 14 en forme de dome est raccordé à l'enveloppe 12 afin qu'il ferme son extrémité avant, et l'extrémité arrière est raccordée à un ensemble 16 à tuyère qui peut être du type convergent-divergent utilisé de manière classique dans les moteurs-fusées. Un matériau propergol solide ou générateur de gaz convenable 18 est logé dans l'enveloppe 12 et peut être fixé à la paroi interne de l'enveloppe 12 avec un revêtement convenable (non représenté) et un matériau d'isolation (non repré- senté) placés entre le propergol 18 et l'enveloppe 12. L'enveloppe 12, l'organe 14 en forme de dôme et la tuyère 16 forment un "récipient sous pression" permettant la libération contrôlée, par la tuyère, des gaz de combustion du propergol 18. Bien que le propergol 18 puisse être d'un type quelconque convenant à l'application particulière prévue, un exemple figure dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 764 319 de Hightower Jr. et al., qui est cédé au cessionnaire de la présente invention, ce brevet étant incorporé au présent mémoire à titre de référence. Lors du fonctionnement du moteur-fusée 10, le propergol 18 peut être allumé par un allumeur classique convenable désigné schématiquement par la référence 20 afin qu'il produise rapidement des gaz qui passent dans le col étroit de la tuyère 16 en créant une poussée assurant la propul- sion. L'enveloppe 12 peut être formée par enroulement de filaments ou préparée de toute autre manière convenable, par exemple par tressage, sur un mandrin désigné par la référence 70 sur la figure 2, par mise en oeuvre des principes bien connus des hommes du métier qui sont concer- nés par l'invention et comme décrit dans la suite, et elle comporte plusieurs nappes de brins 76 d'un matériau fibreux, imprégnées d'un matériau 90 formant un liant. La plage des températures ambiantes de stockage et d'utilisation du moteur-fusée 10 peut comprendre des températures pouvant atteindre 165 F (74 C). Le propergol 18 peut avoir une température d'auto- allumage, c'est-à-dire une température à laquelle le propergol s'enflamme automa- tiquement, qui est peut être de 400 OF (204 OC). Dans le cas d'un incendie à l'emplacement auquel le moteur-fusée 10 est entreposé, la température peut atteindre la température d'auto-allumage si bien que le propergol s'enflamme. Si l'enveloppe 12 n'est pas affaiblie afin qu'elle puisse éclater ou permette une ventilation lors de l'allumage du propergol, le seul moyen pour les gaz du propergol de s'échapper est constitué par la tuyère 16 si bien que le moteur-fusée 10 peut se propulser d'une manière catas- trophique. Pour que cette propulsion catastrophique du moteur-fusée 10 ne puisse pas se produire en cas d'incendie ou analogue, l'enveloppe 12 est affaiblie lorsqu'elle est soumise à une température comprise entre les températures ambiantes et la température d'auto-allumage précitée afin que des ouvertures ou organes de ventilation se forment et permettent l'évacuation des gaz de combustion si bien que l'élévation de pression pouvant provoquer la propulsion est évitée lorsque le propergol 18 s'enflamme automatiquement ultérieurement. Cette ventilation sans qu'il faille des charges conformées ou un autre système auxiliaire, est réalisée selon l'invention en ce que le matériau fibreux 76 est un matériau qui est caractérisé en ce que, en plus de sa résistance mécanique suffisante pour l'application prévue, il possède une température de fusion comprise entre les températures ambiantes et d'auto-allumage précitées, la fraction de fil de la membrane composite de l'enveloppe 12 s'affaiblissant lorsque la température se rapproche de la température de fusion du fil 76, mais ne commence pas à s'affaiblir tant que la température atteinte n'est pas nettement supérieure à la plage des températures ambiantes précitées, et la résistance mécanique du fil disparait lorsque la température de fusion est atteinte. Cette température intermédiaire doit être nettement supérieure à la plage des températures ambiantes afin que l'enveloppe ne s'affaiblisse pas prématurément, mais elle doit être nettement inférieure à la température d'auto-allumage du propergol afin que l'affaiblissement de l'enveloppe soit effective. Dans le cas de la plage des températures ambiantes précitées et de la température d'auto-allumage précitée du moteur-fusée 10, le matériau fibreux 76 peut être par exemple une fibre de polyoléfine, par exemple le matériau fibreux "Spectra 1000" distribué par Fibers Division (Petersburg VA.) de Allied Corporation, Morristown N.J., qui a une température de fusion d'environ 285 'F (140 C) afin que l'enveloppe 12 s'affaiblisse et permette la ventilation si bien que le moteur-fusée 10 ne peut pas se propulser ou qu'un récipient sous pression ne peut pas éclater de manière catastrophique lorsque le propergol ou le matériau générateur de gaz 18 s'enflamme automatiquement en cas d'incendie. Il faut noter que d'autres matériaux fibreux ayant une résistance mécanique convenable, par exemple le matériau fibreux à base de polyéthylène "Spectra 900" qui est aussi distribué par the Fibers Division, de Allied Corporation, comme déterminé par les principes bien connus de l' homme du métier concerné par l ' invention, et une température de fusion convenable par rapport à la température d'auto-allumage du matériau générateur de gaz 18 et à la plage des températures ambiantes, entrent dans le cadre de l'invention, c'est-à-dire que, pour une tempé- rature d'auto-allumage d'environ 400 F (204 OC), une température de fusion comprise entre environ 200 et 300 F (93 et 149 C) peut convenir dans la mesure o la tempéra- ture de fusion est suffisamment supérieure à la plage des températures ambiantes pour que les fibres ne soient pas affaiblies à température ambiante. Ainsi, des fibres de polyoléfine peuvent être utilisées pour une plage de températures ambiantes pouvant atteindre 165 F environ (74 C). L'utilisation de fibres de polyoléfine ou d'autres fibres convenables ayant une température de fusion comprise dans la plage précitée de températures de fusion, limite la température à laquelle l'enveloppe 12 peut être polymérisée à une valeur nettement inférieure à cette température de fusion, entre 200 et 300 F (93 et 149 C) environ. Cepen- dant, les résines nécessitent habituellement une polyméri- sation à des températures plus élevées. Pour que l'enve- loppe 12 soit polymérisée à une température suffisamment faible pour que le matériau fibreux 76 ne soit pas dété- rioré, le matériau 90 du liant est d'un type qui peut être polymérisé par un rayonnement actinique, par exemple par un rayonnement ultraviolet, qui ne provoque pas un chauffage appréciable du matériau liant en cours de polymérisation. Une isolation externe (non représentée) fréquemment utilisée dans ces moteurs-fusées comme protection de la membrane formant l'enveloppe contre le chauffage aérodyna- mique en cours de vol, peut aussi être utilisée comme ensemble de stockage à titre de protection contre une détérioration superflue en cas d'incendie de faible impor- tance pendant le stockage. L'utilisation d'un tel isolement externe repose en général sur la découverte du fait que le chauffage aérodynamique est possible avec des dépenses réduites de poids et/ou d'enveloppement par utilisation d'une isolation plutôt que par augmentation de l'épaisseur de la membrane de l'enveloppe compte tenu de la perte de résistance à température élevée; cet isolement est aussi utilisé comme protection contre la corrosion et contre la détérioration par les chocs pendant la manutention. On se réfère à la figure 2; lors de l'enroulement de l'enveloppe 12 du moteur-fusée ou de l'enveloppe d'un autre récipient sous pression, le mandrin 70 ayant la configuration voulue est placé de façon convenable sur un axe ou arbre rotatif 72 qui est supporté par des supports convenables 74 et entraîné en rotation comme indiqué par les flèches 77. Le fil ou les mèches 76 de fibres de polyoléfine ou d'un autre matériau fibreux convenable proviennent d'une bobine 78 et passent dans des dispositifs classiques convenables 80 de mise sous tension ou autour de tels dispositifs, vers la partie inférieure d'un rouleau convenable 82. Le fil 76 est acheminé entre le rouleau 82 et un plus petit rouleau 84 au niveau duquel une tension est appliquée convenablement comme indiqué en 86, vers une tête classique convenable 88 de distribution à partir de laquelle le fil 76 est appliqué sur le mandrin 70 lorsqu'il tourne. Le matériau 90 du liant polymérisable par le rayonnement ultraviolet ou par un autre rayonnement acti- nique convenable est contenu dans un récipient 92 dans lequel la partie inférieure du rouleau 82 est immerge lorsqu'il tourne si bien que le matériau 90 est appliqué au fil 76 lorsqu'il est conduit le long de la face inférieure du rouleau 82 et dans le bain du liant 90. La tête 88 de distribution est mobile, comme indiqué en 94, parallèlement à l'axe 72 de distribution du fil 76 le long du mandrin 70 lorsque celui-ci tourne. La vitesse de rotation du mandrin et de distribution du fil 76 et la vitesse de dépla- cement en translation de la tête 88 de distribution dans la direction 94 sont réglées d'après des principes bien connus des hommes du métier que concerne l'invention afin que des filaments soient enroulés ou que le fil 76 soit appliqué de manière convenable sur le mandrin 70 d'après les principes bien connus des hommes du métier que concerne l'invention. Lorsque le fil 76 est appliqué sur le mandrin 70, il est soumis à un rayonnement, désigné par la référence 98, provenant d'une source convenable 96 d'un rayonnement actinique, tel qu'un rayonnement ultraviolet, afin qu'il polymérise immédiatement, au moins partiellement, le matériau 90 du liant ou qu'il provoque sa polymérisation afin que le fil 76 soit fixé en position voulue. La dose particulière du rayonnement 98 peut être choisie en fonc- tion des principes bien connus des hommes du métier que concerne l'invention afin que la polymérisation du matériau liant 90 soit suffisante et réalisée convenablement. Le matériau liant 90 peut comprendre un premier composant de résine polymérisable sous l'action d'un rayonnement actinique et un second composant de résine qui est polymérisé ultérieurement, après polymérisation du premier composant de résine par le rayonnement actinique, et qui n'est donc pas polymérisé dans les conditions d'irradiation par le rayonnement actinique provoquant la polymérisation du premier composant, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique ne 4 892 764 de Drain et al. qui est cédé à Loctite Corporation et qui est incorporé au présent mémoire à titre de référence. Comme décrit dans le présent mémoire, le premier composant de résine peut être toute résine convenable qui, dans les conditions d'irradiation par un rayonnement actinique, peut polymé- riser au point qu'elle immobilise la masse résultante partiellement polymérisée de la composition comprenant le premier et le second composant de résine, c'est-à-dire qui fixe dans l'espace la masse partiellement polymérisée de la composition si bien qu'elle ne migre pas pendant la poly- mérisation ultérieure du second composant et provoque ainsi la fixation en position du fil 76. Le second composant de résine peut être polymérisable ou non suivant la polyméri- sation et la composition voulues. Cependant, si la première et la seconde résine sont polymérisables sous l'action d'un rayonnement actinique, le second composant n'est pas polymérisable dans les conditions d'irradiation par le rayonnement actinique qui sont efficaces pour la polyméri- sation du premier composant. Ainsi, des photo-inducteurs peuvent être ajoutés à la composition en quantité efficace afin qu'ils soient sensibles au rayonnement actinique et provoquent une polymérisation induite de la résine asso- ciée, avec une polymérisation notable de celle-ci. Le second composant de la composition peut être toute résine convenable qui est compatible avec la composition et qui, après polymérisation, donne les caractéristiques physiques et de performances voulues, notamment la résistance méca- nique voulue à l'article final, les caractéristiques pouvant être déterminées par les principes bien connus des hommes du métier que concerne l'invention. Ainsi, le second composant de résine peut être polymérisable sur une longue période à température ambiante ou dans d'autres conditions convenables bien connues dans la technique. Il faut cepen- dant noter que la présente invention n'est pas limitée à ce type de matériau liant et que tout matériau liant conve- nable qui peut être polymérisé par un rayonnement actinique et qui donne les propriétés physiques et de performances voulues entre dans le cadre de la présente invention. Le noir de carbone en quantité convenable peut être ajouté au matériau liant 90 afin qu'il le rende opaque si bien que les bulles ne peuvent pas être vues dans le matériau liant. L'enveloppe 12 peut le cas échéant être formée par enroulement de filaments ou par application convenable directe sur le matériau solide 18 générateur du gaz et, dans ce cas, le matériau moulé 18 peut être monté de façon convenable sur des supports 74 afin qu'il tourne et per- mette l'application du matériau fibreux 76 comme décrit précédemment en référence à l'application du matériau fibreux sur le mandrin 70 sur la figure 2, la tension d'enroulement étant déterminée d'après les principes bien connus des hommes du métier que concerne l'invention. Ainsi, la réalisation d'une enveloppe de moteur- fusée ou d'un autre générateur de gaz avec un matériau fibreux à faible température de fusion convenable imprégné d'un matériau liant convenable qui peut polymériser sous l'action d'un rayonnement actinique afin que le matériau fibreux ne fonde pas pendant l'opération de polymérisation, permet au moteur-fusée ou au générateur de gaz d'un autre type, sans nécessiter de charges conformées quelconques ou un autre système auxiliaire, de perdre son aptitude à supporter la pression interne à une température inférieure à la température d'auto-allumage du propergol solide ou d'un autre matériau générateur de gaz contenu à l'intérieur si bien qu'une propulsion ou un éclatement catastrophique est évité en cas d'incendie. Il faut noter que l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation particuliers qui ont été représentés et décrits dans le présent mémoire et que diverses modifications peuvent être apportées du moment qu'elles entrent dans le cadre de l'invention tel que défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Générateur de gaz comprenant une enveloppe (12) composée d'un matériau fibreux imprégné d'un matériau liant et comprenant en outre un matériau générateur de gaz disposé dans l'enveloppe, le matériau générateur de gaz étant caractérisé en ce qu'il s'enflamme automatiquement lorsqu'il est soumis à une température qui est nettement supérieure à la plage des températures ambiantes à laquelle le générateur de gaz est normalement soumis, et le matériau fibreux est caractérisé en ce qu'il a une température de fusion qui est nettement supérieure à ladite plage des températures ambiantes et qui est nettement inférieure à la température à laquelle le matériau générateur de gaz s'enflamme automatiquement. 2. Générateur de gaz selon la revendication 1, dans lequel le matériau liant est polymérisable sous l'action d'un rayonnement actinique à une température qui est nettement inférieure à la température de fusion du matériau fibreux. 3. Générateur de gaz selon la revendication 2, dans lequel le matériau fibreux est composé de fibres d'une polyoléfine. 4. Générateur de gaz selon la revendication 1, dans lequel le matériau liant est polymérisable par la lumière ultraviolette. 5. Générateur de gaz selon la revendication 1, dans lequel le générateur de gaz est un moteur-fusée. 6. Générateur de gaz selon la revendication 1, dans lequel le matériau fibreux est composé de fibres de polyoléfine. 7. Moteur-fusée comprenant une enveloppe (12) composée d'un matériau fibreux imprégné d'un matériau liant, et comprenant en outre un propergol solide placé dans l'enveloppe, le propergol solide étant caractérisé en ce qu'il s'enflamme automatiquement lorsqu'il est soumis à une température qui est supérieure à 400 F environ (204 C), et le matériau fibreux étant caractérisé en ce qu'il a une température de fusion qui est inférieure à 300 OF environ (149 C) et qui est nettement supérieure à la plage des températures ambiantes à laquelle le moteur- fusée est normalement soumis. 8. Moteur-fusée selon la revendication 7, dans lequel le matériau liant est polymérisable sous l'action d'un rayonnement actinique à une température qui est nettement inférieure à la température de fusion du matériau fibreux. 9. Moteur-fusée selon la revendication 8, dans lequel le matériau fibreux est composé de fibres de polyoléfine. 10. Moteur-fusée selon la revendication 7, dans lequel le matériau liant est polymérisable sous l'action de lumière ultraviolette. 11. Moteur-fusée selon la revendication 7, dans lequel le matériau fibreux est composé de fibres de polyoléfine. 12. Procédé de fabrication d'un générateur de gaz comprenant la disposition d'un matériau générateur de gaz qui est caractérisé en ce qu'il s'enflamme automatiquement lorsqu'il est soumis à une température qui est nettement supérieure à la plage des températures ambiantes auxquelles le générateur de gaz est normalement soumis, la préparation d'une enveloppe (12) d'un matériau fibreux imprégné d'un matériau liant, et caractérisé en ce qu'il a une tempéra- ture de fusion qui est nettement supérieure à la plage des températures ambiantes et qui est nettement inférieure à la température à laquelle le matériau générateur de gaz s'enflamme automatiquement, la polymérisation du matériau liant à une température qui est nettement inférieure à la température de fusion du matériau fibreux, et la disposi- tion du matériau générateur de gaz dans l'enveloppe. 13. Procédé selon la revendication 12, comprenant en outre des étapes de sélection du matériau générateur de gaz afin qu'il forme un propergol solide et d'enroulement de l'enveloppe sous forme de filaments autour du propergol solide. 14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'étape de polymérisation du matériau liant comprend l'application d'un rayonnement actinique au matériau liant. 15. Procédé selon la revendication 14, comprenant en outre la sélection du matériau fibreux afin qu'il soit formé de fibres de polyoléfine. 16. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'étape de polymérisation du matériau liant comprend l'application de lumière ultraviolette au matériau liant. 17. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le générateur de gaz est un moteur-fusée. 18. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le générateur de gaz est un moteur-fusée et la température à laquelle le matériau générateur de gaz s'enflamme automa- tiquement est supérieure à 400 F environ (204 OC), le procédé comprenant en outre la sélection du matériau fibreux afin qu'il ait une température de fusion qui est inférieure à 300 F environ (149 Oc) et qui est nettement supérieure à la plage des températures ambiantes à laquelle le moteur-fusée est normalement soumis. 19. Procédé selon la revendication 18, comprenant en outre la sélection du matériau fibreux afin qu'il soit formé de fibres d'une polyoléfine. 20. Procédé selon la revendication 12, comprenant en outre la sélection du matériau fibreux afin qu'il comprenne des fibres d'une polyoléfine. 21. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'étape de préparation de l'enveloppe comprend l'enroule- ment de filaments du matériau fibreux.