Brevet FR2737492A1 — publié le 19970207

La présente invention concerne un appareillage de cuisson sous pression d'un chargement de propergol dans une structure lors de la fabrication d'un propulseur à propergol solide ainsi qu'un procédé mettant en oeuvre ledit appareillage. Plus particulièrement ce procédé concerne la cuisson de chargements du type moulé-collé pour lesquels le propergol est coulé, à l'état pâteux, directement dans la structure revêtue de protections thermiques et équipée des dispositifs de coulée et de mise en forme. Ces derniers dispositifs comprennent au moins une trémie de coulée fixée sur un orifice de coulée, en général une embase de la structure, et au moins un noyau pour mettre en forme la cavité interne du chargement. La technique du moulage intégral, connue par ailleurs, permet d'obtenir la forme de la cavité interne du chargement directement par moulage à l'aide d'un noyau de forme appropriée. La technique de cuisson sous pression des chargements de propergol est un procédé utilisé depuis de nombreuses années. Ce procédé consiste à soumettre la structure remplie de pâte de propergol en cours de cuisson, à une pression telle que lors de la dépressurisation, à la fin de la cuisson, la déformation de la structure accompagne presque parfaitement le retrait du bloc de propergol solide dû à son refroidissement : ce qui minimise après le refroidisement les contraintes résiduelles entre le propergol et la protection thermique, dûes aux différences des coefficients de dilatation de la structure et du propergol. Le brevet FR 2 116 934 décrit un tel procédé de cuisson sous pression. Un dôme de pressurisation est fixé sur la structure après la coulée de la pâte de propergol. Ce dôme de pressurisation permet d'appliquer à l'intérieur de la structure et sur la pâte de propergol une pression par l'intermédiaire d'un gaz inerte. Cette pression de gaz est maintenue et régulée durant toute la cuisson du propergol, en général pendant plusieurs jours. Pendant le refroidissement du propergol qui suit la cuisson du propergol, cette pression de gaz doit être réduite par paliers successifs pour éviter de solliciter brutalement les collages et/ou de fretter le chargement sur le noyau. Les inconvénients de ce procédé sont dans les opérations de contrôle et de régulation de la pression de gaz chauds pendant plusieurs jours. Ces opérations compliquent notablement le procédé qui est sensible à des pannes ou à des erreurs opératoires pouvant compromettre la fiabilité du propulseur. La présente invention concerne un appareillage de cuisson sous pression d'un chargement de propergol dans une structure équipée d'un noyau, cet appareillage comprenant une trémie de coulée qui peut être fermée par un couvercle et constituer ainsi un dôme de pressurisation, cet appareillage est tel que le noyau de formation de la cavité interne est en deux parties, la partie supérieure tubulaire étant munie d'une part d'un moyen d'étanchéité extérieure, d'un dispositif d'obturation interne et d'au moins un orifice de transfert de la pâte de propergol. L'orifice de transfert de la pâte de propergol situé à l'extrémité de la partie supérieure tubulaire du noyau permet les écoulements de pâte de propergol entre la structure et la trémie de coulée lors des déformations (dilatation ou contraction) de la structure sous l'effet des variations de pression et/ou de température. Avantageusement le moyen d'étanchéité extérieure de la partie supérieure tubulaire est constitué par un épaulement extérieur de cette partie tubulaire prenant appui sur une portée annulaire de la trémie de coulée avec un joint torique approprié. Lorsque la partie tubulaire extérieure est en place, ce moyen assure l'étanchéité entre d'une part l'intérieur de la structure et l'intérieur de la partie supérieure tubulaire et d'autre part la partie extérieure de la dite partie supérieure tubulaire, lorsque le dispositif d'obturation interne est en position fermée. Dans une première réalisation dudit appareillage de cuisson le dispositif d'obturation interne de la partie supérieure tubulaire du noyau est un clapet coopérant avec un siège à l'intérieur de ladite partie supérieure tubulaire. Ce clapet est actionné par des moyens appropriés. Dans une autre réalisation dudit appareillage de cuisson le dispositif d'obturation interne de la partie supérieure tubulaire du noyau est un tiroir coulissant qui vient fermer l'orifice de transfert de la pâte de propergol. Ce tiroir est actionné par des moyens appropriés. La présente invention concerne aussi un procédé de cuisson sous pression d'un chargement de propergol mettant en oeuvre cet appareillage. Ce procédé comporte, après le remplissage de la structure par la pâte de propergol, les étapes suivantes - on met en place la partie supérieure tubulaire du noyau de façon telle que l'étanchéité extérieure soit assurée et que le dispositif d'obturation interne en position ouverte soit immergé dans la pâte de propergol, - on ferme le dôme de pressurisation et on le pressurise, - on laisse se transférer dans la structure dilatée une partie de la réserve de pâte de propergol contenue à l'intérieur de la partie supérieure tubulaire du noyau, - on ferme ensuite le dispositif d'obturation interne de la partie supérieure tubulaire, - on dépressurise le dôme de pressurisation, - on réalise la cuisson de la pâte de propergol avec le dispositif d'obturation interne en position fermée. Ainsi lorsque le dispositif d'obturation interne est fermé, l'intérieur de la structure, remplie entièrement de propergol, se trouve isolé de la partie extérieure puisque d'une part le dispositif d'obturation est fermé à l'intérieur de la partie tubulaire et d'autre part cette partie tubulaire est rendue étanche sur sa partie extérieure. Le chargement n'est plus en contact avec des gaz sous pression. La pression initiale de cuisson, c'est-à-dire la pression interne au moment de la fermeture du dispositif interne d'obturation se maintient avec la température pendant toute la cuisson. Ensuite cette pression interne diminue, avec la température, pendant le refroidissement du bloc de propergol. Avantageusement dans le présent procédé, les étapes la coulée et de cuisson du propergol sont sensiblement isothermes, c'est-à-dire qu'elles se font à peu près à la même température. Préférentiellement, dans ce procédé la pression initiale précèdemment définie est comprise entre 0,3 fois et 1 fois une pression pn, la pression pn étant la pression qui assure l'absence de contraintes résiduelles après refroidissement et retrait thermique du propergol. Avantageusement cette pression intiale est comprise entre 0,5 et 0,8 fois la pression pn. Donc la pressurisation initiale ne réalise qu'une compensation partielle (au plus égale) des effets du retrait thermique. Dans une première variante de ce procédé le dispositif d'obturation interne de la partie supérieure tubulaire est un clapet, ce clapet est à l'intérieur de la partie supérieure tubulaire du noyau et il est manoeuvré par une tige. Ce clapet est auto-obturant puisque lorsque le dôme de pressurisation est dépressurisé ce clapet est maintenu fermé par la pression interne du chargement pendant la cuisson. Dans une deuxième variante de ce procédé le dispositif d'obturation interne de la partie supérieure tubulaire est un tiroir coulissant qui vient obturer l'orifice de transfert de la pâte de propergol. Après cuisson, le démoulage, c'est-à-dire le retrait du noyau se fait en cours de refroidissement à une température qui correspond au plus tôt à la dépressurisation totale du chargement et au plus tard au frettage du chargement sur le noyau. Cette température est déterminée par des calculs de contraintes mécaniques dans la structure et par le suivi, à l'aide de capteurs de pression appropriés, de la pression interne dans la structure pendant toutes ces opérations. Le procédé de cuisson des chargements de propergol utilisant l'appareillage de la présente invention résout les difficultés précédemment signalées et apporte des avantages industriels notables. L'absence de gaz sous pression dans la structure durant la cuisson et le refroidissement du chargement d'une part supprime le contrôle et la régulation de la pression de gaz durant ces deux phases, d'autre part réduit considérablement le nombre des manipulations lors du refroidissement puisqu'il n'y a plus de dépressurisation par paliers successifs à faire. La présente invention est décrite plus en détail à l'aide des figures suivantes - la figure 1 représente une coupe schématique de l'appareillage, - les figures 2 et 3 représentent respectivement les détails A et B de la figure 1. La figure 1 représente un exemple d'appareillage selon l'invention. La structure 1 du propulseur est maintenue dans un harnais de manutention, connu par ailleurs et non représenté sur cette figure. Les parties avant et arrière d'un propulseur à propergol solide sont repérées par rapport à son sens de déplacement sur sa trajectoire. Les embases avant et arrière sont des ouvertures sur les parties avant et arrière de la structure. Sur l'embase arrière 2, ici en position basse, est fixé un élément de guidage 5 dans lequel a été engagé et fixé une partie 4 du noyau qui va donner la forme de la cavité interne du chargement. Tous ces montages, ainsi que ceux qui seront décrits par la suite se font avec les dispositifs nécessaires pour assurer l'étanchéité.Dans le présent exemple la partie 4 du noyau a une forme géométrique très simple mais d'autres formes, plus complexes, sont envisageables. Sur l'embase avant 3 est fixé un autre élément de guidage 6 sur lequel a été monté une trémie de coulée 7. La partie supérieure tubulaire 8 du noyau est en place, en butée par un épaulement sur une portée annulaire de la trémie de coulée. L'extrémité inférieure de ladite pièce 8 est en vis à vis de l'extrémité libre de la partie 4 du noyau. Le dispositif d'obturation 9 de la partie supérieure tubulaire 8 du noyau comprend, dans cet exemple, un clapet 9 et un siège de clapet 11 ; ce clapet est à l'extrémité d'une tige 12 convenablement guidée à l'intérieur de ladite pièce 8 et actionnée par un dispositif extérieur au montage tel un vérin non représenté sur cette figure. Le siège de clapet 11 est dans cet exemple réalisé dans la masse de la partie supérieure tubulaire 8 du noyau. Le clapet 9 est représenté en position fermée sur le siège 11 par l'intermédiaire d'un joint. La trémie de coulée 7 est fermée de façon étanche par une pièce en forme de couvercle 13 pour constituer le dôme de pressurisation 16, l'orifice 14 se raccorde au dispositif de pressurisation par gaz inerte.Enfin sur cette figure le propergol 15 a été coulé, cette coulée se fait avec excès de matière qui déborde dans la partie creuse de la pièce 8 et submerge le dispositif d'obturation intérieure : ici le clapet 9. La figure 2 représente le détail A de la figure 1 qui concerne le dispositif d'étanchéité extérieure de la partie supérieure tubulaire 8 du noyau ; la dite pièce 8 prend appui sur une portée annulaire de la trémie de coulée 7 ; un joint torique 17 placé dans une gorge de cette portée annulaire assure l'étanchéité extérieure de ladite partie tubulaire 8. Cette vue de détail montre aussi un autre joint torique 18 disposé dans une autre gorge de la trémie 7 pour assurer l'étanchéité vis à vis de l'élément de guidage 6 et illustre les dispositifs d'étanchéité entre les différentes pièces de l'appareillage. La figure 3 représente le détail B de la figure 1 qui concerne l'orifice 10 assurant le transfert de la pâte de propergol. L'extrémité inférieure de la partie supérieure tubulaire 8 du noyau est biseautée pour faciliter l'enfoncement de ladite pièce 8 dans la pâte de propergol. Lorsque ladite pièce 8 est en butée sur la portée annulaire de la trémie 7 l'extrémité inférieure de ladite pièce 8 est en vis à vis de l'extrémité libre de la partie 4 du noyau fixée sur l'embase 2 de la structure, il y a un interstice annulaire 10 entre ces deux pièces qui constitue dans cet exemple l'orifice 10 de transfert de la pâte de propergol. La mise en oeuvre de l'appareillage selon l'invention se fait à partir de l'état initial suivant la structure 1 intérieurement revêtue d'une protection thermique et équipée d'une partie 4 du noyau montée sur un élément de guidage 5 fixé sur l'embase arrière 2 de la structure 1 ; sur l'embase avant 3 de la structure 1 est fixé un autre élément de guidage 6 qui a reçu une trémie de coulée 7. Cet assemblage est disposé dans le puits de coulée et la pâte de propergol 15 en excès est coulée dans la structure jusqu'à un certain niveau de la trémie 7. Alors la partie supérieure tubulaire 8 du noyau est introduite dans la structure 1, le clapet 9 de ladite pièce 8 étant en position ouverte, ladite pièce 8 est enfoncée jusqu'à ce que son épaulement vienne en butée sur la portée annulaire de la trémie de coulée 7 et que le joint torique 17 assure l'étanchéité extérieure.Ladite pièce 8 est fixée dans cette position. La pâte de propergol, coulée en excès, va submerger le clapet 9 et son siège 11 qui constituent dans cet exemple le dispositif d'obturation interne de la partie supérieure tubulaire 8. Un couvercle 13 est monté, de façon étanche sur la trémie 7 et constitue ainsi le dôme de pressurisation 16. Par l'ouverture 14 un gaz inerte, vis à vis du propergol, est introduit jusqu'à ce que la pression de gaz atteigne la pression voulue pour réaliser la cuisson ; sous l'effet de cette pression de gaz la structure 1 va se déformer et la pâte de propergol qui est incompressible va s'écouler par l'orifice 10 de la partie supérieure tubulaire 8 pour accompagner cette déformation. Lorsque l'équilibre est établi le clapet 9 est fermé sur son siège 11 par déplacement de la tige 12 sous l'effet d'un vérin par exemple : la partie supérieure tubulaire 8 est ainsi obturée. Le dôme de pressurisation 16 alors est dépressurisé. La structure reste sous la pression qui lui a été initialement appliquée. Dans cet exemple cette pression interne contribue à appuyer le clapet 9 sur son siège 11 ; le clapet est auto obturant. La cuisson peut alors commencer : elle se fait à une température comprise entre 40 et 600C pendant plusieurs heures ou jours, suivant la nature du propergol. Cette température de cuisson est sensiblement égale à la température de coulée. Après la cuisson le démoulage se fait lors du refroidissement dans les conditions précèdemment citées. Le démoulage commence par le retrait de la partie supérieure tubulaire 8 du noyau ; par une translation vers le haut à l'aide d'un appareillage adapté. Le propergol emprisonné dans la partie inférieure de ladite pièce 8 est enlevé avec cette pièce 8 par déchirement du mince voile de propergol de l'interstice constituant l'orifice 10. La trémie 7 et l'élément de guidage 6 sont démontés. Après retournement de la structure 1, la partie 4 du noyau, désolidarisée de son élément de guidage 5, est retirée de la même façon que la pièce 8, l'élément de guidage 5 est aussi démonté. Les différentes pièces de l'appareillage contenant des restes de propergol sont nettoyées par ailleurs. La structure 1 est alors prête pour les différentes opérations d'achèvement du propulseur : notamment montage de la tuyère, de l'allumeur et des dispositifs associés. L'exemple ci-dessus a été décrit pour une coulée par l'avant de la structure mais ce procédé s'applique aussi lorsque la coulée est faite par l'arrière, le noyau ayant les formes adaptées à ce type de coulée. Sans sortir du cadre de la présente invention on peut aussi concevoir un appareillage pour lequel la coulée se fait par plusieurs orifices et qui comporte plusieurs parties tubulaires, telles que 8, pour compléter le noyau. Revendications 1. Appareillage de cuisson sous pression d'un chargement de propergol dans une structure (1) équipée d'un noyau (4), cet appareillage comprenant une trémie de coulée (7) qui peut être fermée par un couvercle (13) et constituer ainsi un dôme de pressurisation (16), caractérisé en ce que le noyau (4) de formation du canal du chargement est réalisé en deux parties, la partie supérieure tubulaire (8) étant munie d'une part d'un moyen d'étanchéité extérieure (17), d'un dispositif d'obturation interne (9) et d'au moins un orifice de transfert (10) de la pâte de propergol (15). 2. Appareillage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen d'étanchéité extérieure (17) est constitué par un épaulement prenant appui sur une portée annulaire de la trémie de coulée (7). 3. Appareillage selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le dispositif d'obturation interne (9) est un clapet (9) coopérant avec un siège (11) à l'intérieur de la partie tubulaire (8). 4. Appareillage selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le dispositif d'obturation interne (9) et un tiroir coulissant venant fermer l'orifice de transfert (10). 5. Procédé de cuisson sous pression d'un chargement de propergol dans une structure (1) au moyen de l'appareillage selon l'une des revendications précédentes, ce procédé comportant une phase de pressurisation du dôme (16) après le remplissage de la structure par la pâte de propergol (15), caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes - on met en place la partie supérieure tubulaire (8) du noyau de façon telle que l'étanchéité extérieure (17) soit assurée et que le dispositif d'obturation interne (9), en position ouverte, soit immergé dans la pâte de propergol, - on ferme le dôme de pressurisation (16) et on le pressurise, - on laisse se transférer dans la structure dilatée une partie de la réserve de pâte de propergol contenue à l'intérieur de la partie supérieure tubulaire (8) du noyau, - on ferme ensuite le dispositif d'obturation interne (9) de la partie supérieure tubulaire (8), - on dépressurise le dôme de pressurisation (16), - on réalise la cuisson de la pâte de propergol (15) avec le dispositif d'obturation interne (9) en position fermée. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la coulée et la cuisson de la pâte de propergol sont sensiblement isothermes. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que la pressurisation de la pâte de propergol se fait à une valeur comprise entre 0,3 fois et 1 fois la pression pn qui assure l'absence de contraintes résiduelles après refroidissement et retrait thermique du propergol. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que après cuisson le démontage du noyau se fait à une température qui correspond, lors du refroidissement, au plus tôt à la dépressurisation totale du chargement et au plus tard au frettage du chargement sur le noyau.