Brevet FR2742483A1 — publié le 19970620

La présente invention se situe dans le domaine des chargements pour générateurs de gaz ou des chargements pour propulseurs ; plus particulièrement il s'agit de chargements birégimes, constitués essentiellement d'un inhibiteur et d'un bloc monocomposition de propergol solide. La combustion du bloc de propergol solide produit un premier régime à débit élevé de gaz quand le chargement est utilisé dans un générateur de gaz ou à forte poussée quand le chargement est utilisé dans un propulseur ; puis un deuxième régime à débit faible ou à poussée faible ; suivant les cas la transition entre les deux régimes est plus ou moins rapide.Rappelons , qu'en première approximation et toutes choses égales par ailleurs, un bloc de propergol solide ayant une grande surface en combustion produit un fort débit de gaz et/ou une forte poussée, suivant l'utilisation en tant que générateur de gaz ou en tant que propulseur. La présente invention concerne aussi un procédé pyrotechnique, basé sur la combustion de tels chargements pour produire les deux régimes de fonctionnement. En combinant une forme particulière de la cavité ou canal du chargement et des dimensions déterminées l'homme de métier sait réaliser de tels chargements : on se référera par exemple au brevet FR 2 500 149. Toutefois le chargement birégime proposé par ce brevet présente les inconvénients de ne permettre que des rapports de surface de l'ordre de 2 et avec un élancement (rapport longueur du bloc/diamètre du bloc) important supérieur ou égal à 5. Le but de la présente invention est de proposer une solution alternative permettant un grand rapport des débits et une constance de chacun de ces débits tout en permettant un chargement compact. Le chargement birégime de la présente invention est essentiellement constitué par un inhibiteur et un bloc monocomposition de propergol solide comprenant une cavité principale débouchant sur la face arrière du bloc et caractérisé en ce que - l'inhibiteur comprend une virole extérieure et une virole intérieure qui sont solidaires d'une semelle, la virole extérieure et la virole intérieure étant essentiellement cylindriques et coaxiales avec l'axe du dit bloc, - la virole extérieure recouvrant au moins une partie de la surface latérale du dit bloc, de préférence au moins la moitié ; la semelle recouvrant les différentes parties de la face avant du dit bloc et la virole intérieure étant entièrement incluse dans ledit bloc. Rappelons qu'un chargement est un solide présentant en général deux faces opposées, planes ou non, se raccordant à une face latérale en général cylindrique. Classiquement pour un chargement propulsif (chargement utilisé dans un propulseur) on appelle face avant du chargement celle "regardant" vers lavant dans le sens du déplacement du propulseur et donc face arrière celle qui lui est opposée. Dans un propulseur la face arrière du bloc est en vis à vis de la partie du propulseur qui porte la ou les tuyères. Nous utiliserons une terminologie identique dans le cas du générateur de gaz. Enfin, dans le cas présent, la surface latérale du chargement peut être partiellement inhibée. La partie non inhibée de cette surface latérale a un profil simple ou plus élaboré pour piloter l'évolution du front de flamme comme nous le verrons par la suite sur certains exemples. Préférentiellement le chargement est tel que la distance séparant la surface du fond de la cavité principale de la surface de la face avant du bloc est au plus égale à la hauteur de la virole intérieure de l'inhibiteur. Cette distance est éventuellement nulle la cavité principale traverse alors le bloc de part en part. La hauteur de la virole intérieure est mesurée par rapport à la surface intérieure de la semelle. Avantageusement le chargement est tel que l'épaisseur à brûler radiale mesurée depuis la surface de la cavité principale est supérieure ou égale à la distance séparant la surface du fond de la cavité principale de la surface de la face avant du bloc. L'épaisseur à brûler radiale est la distance séparant la surface de la cavité principale de la surface de la virole intérieure de l'inhibiteur. Préférentiellement la distance séparant le sommet de la virole intérieure de la face arrière du bloc est comprise entre 0,6 et 1,5 fois l'épaisseur à brûler radiale tel que précédemment définie. Dans un premier type de réalisation le chargement selon l'invention possède une cavité principale à symétrie de révolution autour de l'axe du bloc. La cavité principale est soit essentiellement dans la partie intérieure du bloc, c'est-à-dire dans la partie cylindrique délimitée par la virole intérieure de l'inhibiteur : dans ce cas la cavité a simplement la forme d'un cylindre circulaire ou a des formes plus complexes telles que par exemple une forme d'entonnoir, ou d'une ou plusieurs gorges annulaires ; soit, la cavité principale est essentiellement dans la partie extérieure du bloc, c'est à dire dans la partie délimitée par la virole extérieure et la virole intérieure de l'inhibiteur : il s'agit dans ce cas de cavités en forme de gorges annulaires avec des profils plus ou moins complexes. Dans un deuxième type de réalisation, le chargement selon l'invention possède une cavité principale présentant une symétrie d'ordre n (n étant un nombre entier) autour de l'axe du bloc ce qui veut dire que la cavité se superpose à elle-même pour toute rotation de 2X/n autour de l'axe : la cavité peut notamment présenter la forme d'un canal étoilé, d'une trompette ou être constituée de plusieurs cavités identiques et disposées selon cette symétrie d'ordre n. Cette cavité principale est éventuellement associée à une ou plusieurs cavités secondaires dont la nature de symétrie (symétrie de révolution ou symétrie d'ordre n) est indépendante de la nature de la cavité principale. Avantageusement la longueur l du bloc de propergol solide est inférieure à 1,3 fois le diamètre extérieur d du bloc : soit l/d La présente invention concerne aussi un procédé pyrotechnique de génération de deux débits de gaz par la combustion d'un chargement tel que précédemment défini, ledit procédé comportant les étapes suivantes pendant le premier régime de débit, le front de flamme du bloc comporte au moins une surface en combustion sensiblement frontale essentiellement constituée par la combustion de la face arrière et au moins une surface en combustion sensiblement radiale essentiellement constituée par la combustion de la surface de la cavité principale, pendant le deuxième régime de débit, le front de flamme du bloc est essentiellement constitué par une surface en combustion sensiblement frontale, la transition entre les deux régimes de débit se fait par l'extinction du front de flamme de la surface en combustion sensiblement radiale de la cavité principale sur l'inhibiteur. On conçoit que suivant la façon dont cette partie du front de flamme atteint l'inhibiteur et dont il s'éteint, la transition entre les deux régimes de débit est plus ou moins rapide. Le front de flamme est, a chaque instant, la surface en combustion du bloc. A proximité immédiate de ce front les gaz le combustion sont émis perpendiculairement à la surface. Au cours de la combustion, le front de flamme se déforme et se "déplace" parallèlement à lui-même. On dit que la combustion est frontale lorsque les gaz de combustion sont émis parallèlement (ou sensiblement parallèlement) à l'axe du bloc, l'exemple type est la combustion en cigarette d'un bloc. On dit, de même, que la combustion est radiale lorsque les gaz de combustion sont émis dans un plan perpendiculaire (ou sensiblement perpendiculaire) à l'axe du bloc ; l'exemple type est la combustion dans un canal cylindrique ou une cavité de forme plus complexe. Avantageusement dans ce procédé la surface en combustion au cours du premier régime de débit est au moins égale à 2 fois celle en combustion au cours du deuxième régime ; cette évaluation se fait sur des surfaces moyennes au cours de chacun de ces régimes. Préférentiellement l'évolution du front de flamme est telle que les surfaces de combustion, au cours de chacun des deux régimes, sont sensiblement constantes. Pour réaliser le chargement selon l'invention tous les types de propergol solide (homogène coulé ou extrudé, composite, double base composite,...) conviennent pourvu que le propergol présente une étendue de pression de fonctionnement assez importante. La nature de l'inhibiteur est adaptée à celle du propergol choisi. Le chargement peut être du type libre ou du type moulé-collé. Les procédés de fabrication, connus de l'homme de métier, sont adaptés au type de propergol et de chargement choisis. Enfin tous les types de structure (métallique, composite, mixte,...) conviennent à ces utilisations en tant que propulseur ou générateur de gaz. Là encore l'homme de métier sait organiser et dimensionner les différents éléments tels que notamment, la structure, la ou les tuyères, l'allumeur etc.. du propulseur ou du générateur de gaz. Le chargement selon l'invention est une solution alternative intéressante pour la réalisation de chargement birégime avec un bloc monocomposition. Le choix de la forme de la cavité principale et des dimensions des différentes parties du chargement permet d'avoir des chargements a fort rapport de surface de combustion (donc de forts rapports de débit ou de poussée) entre les deux régimes et même de réaliser des chargements compacts pour lesquels la longueur du bloc de propergol est au plus égale à 1,3 fois son diamètre. L'invention est décrite ci-dessous plus en détail à l'aide des figures suivantes - les figures 1 à 4 qui représentent différents exemples de chargements selon l'invention, - les figures 5 et 6 qui représentent, pour deux de ces exemples, les fronts de flamme pour des incréments constants d'épaisseur brûlée, - la figure 7 qui représente l'évolution de la surface de combustion en fonction de l'épaisseur brûlée. Pour des raisons de simplicité, les exemples ici présentés sont tous des chargements libres. Les figures la et lb représentent des vues en coupes longitudinale et transversale d'un premier exemple de chargement 1 selon l'invention. Le bloc de propergol solide 3 comporte un seule cavité qui est donc la cavité principale 4 débouchant sur la face arrière 5 : cette cavité est ici un cylindre de section circulaire, elle admet l'axe du bloc comme axe de révolution. La face latérale extérieure du bloc est partiellement recouverte par la virole extérieure 6 de l'inhibiteur 2 ; la partie non inhibée du bloc présente un profil simple qui prolonge celui de la partie inhibée. La virole intérieure 7 de l'inhibiteur 2 est entièrement incluse dans le propergol solide constituant le bloc 3. La virole extérieure 6 et la virole intérieure 7 sont solidaires d'une semelle 8 qui recouvre et inhibe les différentes parties de la face avant du bloc 3. Les figures 2.a et 2.b représentent de même que précédemment, un deuxième exemple de chargement selon l'invention. On y trouve des éléments semblables, nous ne commenterons que les différences. La cavité principale 24 est dans cet exemple à symétrie d'ordre 4 : la cavité principale comprend 4 canaux oblongs identiques qui se superposent pour toute rotation de 2x/4 autour de l'axe du bloc, ces canaux sont disposés dans la partie extérieure du bloc entre la virole intérieure 27 et la virole extérieure 26 de l'inhibiteur. Ces mêmes viroles se raccordent à la semelle 28 par des arrondis dont nous verrons le rôle par la suite. Dans cet exemple la face latérale extérieure du bloc est entièrement recouverte par la virole extérieure 26 de l'inhibiteur. Enfin ce chargement comporte une cavité secondaire 240. La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'un troisième exemple de chargement selon l'invention. La cavité principale 34 est constituée par une gorge annulaire de profil simple : deux faces parallèles raccordées par un fond circulaire. La face latérale extérieure du bloc est partiellement inhibée et elle est chanfreinée pour se raccorder à la face arrière 35 du bloc 33. La semelle 38 de l'inhibiteur est relativement épaisse ce qui permet, de façon connue, d'y disposer des moyens de fixation du chargement dans la structure. La figure 4 représente de même que précédemment un quatrième exemple. La cavité principale 44 a la forme d'un entonnoir : la partie de la cavité qui débouche sur la face arrière est un large cylindre qui se raccorde ensuite à une partie tronconique qui se raccorde à une partie cylindrique de petit diamètre se terminant par un fond hémisphérique. La partie non inhibée de la face latérale a un profil particulier se raccordant par un arc de cercle au bord de la virole extérieure de l'inhibiteur. Nous verrons par la suite l'effet de cette particularité. La figure 5 représente l'évolution du front de flamme du chargement 31 de l'exemple 3 pour des incréments constants d'épaisseur de propergol brûlé les fronts de flamme pour ces différents incréments d'épaisseur sont parallèles entre eux. Pendant le premier régime le front de flamme courant est représenté en 311, il comprend une partie plane en combustion frontale qui vient de la combustion de la face arrière 35 du bloc et une partie combustion essentiellement radiale qui vient de la combustion de la surface de la cavité principale de forme annulaire. La portion de surface latérale, non inhibée et chanfreinée, par son évolution permet de piloter l'évolution du front de flamme pour favoriser la transition entre les deux régimes. Pendant le deuxième régime le front de flamme courant est représenté en 313 ; il comprend une surface annulaire, entre la virole extérieure 36 et la virole intérieure 37 de l'inhibiteur 32, cette surface est très légèrement concave et elle est en combustion sensiblement frontale. La transition entre les deux régimes se fait assez brutalement quand, en 312, le front de flamme atteint la virole intérieure 37 de l'inhibiteur, la partie centrale du bloc disparaît assez brusquement laissant seulement un petit résiduel conique dont l'importance est encore réduite par la surépaisseur centrale de la semelle. On voit que les arrondis de raccordement de la virole intérieure 37 à la semelle correspondent au rayon de courbure du front de flamme et donc favorisent l'extinction brutale de la surface en combustion radiale quand elle atteint la surface de l'inhibiteur. Remarquons que pendant le premier régime la virole intérieure 37 reste entièrement incluse dans le propergol et qu'elle ne se dégage que progressivement pendant la transition et le deuxième régime. La figure 6 représente l'évolution du front de flamme pour le chargement 41 de l'exemple 4 pour des incréments constants d'épaisseur de propergol brûlé. Pendant le premier régime, le front de flamme courant est représenté en 411, il comprend 3 portions à sa périphérie une première portion qui devient importante et s'approche d'une surface en combustion frontale elle provient de la combustion du profil particulier de la surface latérale non inhibée du bloc, une deuxième portion en combustion frontale qui va disparaître rapidement elle provient de la combustion de la face arrière 45 du bloc, enfin une troisième portion en combustion essentiellement radiale qui provient de la combustion de la surface de la cavité en forme d'entonnoir. En modifiant la forme du profil de la surface latérale non inhibée du bloc on conçoit que l'on peut faire évoluer différemment le front de flamme. Pendant le deuxième régime le front de flamme courant est représenté en 413 : il comprend une surface annulaire entre la virole extérieure 46 et la virole intérieure 47 de l'inhibiteur, cette surface légèrement concave est en combustion sensiblement frontale. Enfin la transition entre les deux régimes se fait, pour cet exemple, de façon moins rapide que pour l'exemple précédent. En effet, le front de flamme 412 n'atteint la virole intérieure 47 que progressivement, car le rayon de raccordement de la dite virole intérieure 47 à la semelle 48 est différent de celui du front de flamme. Ces deux exemples nous montrent que la forme particulière des chargements permet d'avoir pendant un premier régime une surface de combustion importante avec une première portion de surface en combustion essentiellement frontale et une deuxième portion de surface en combustion essentiellement radiale, puis pendant un deuxième régime une surface de combustion plus faible et en combustion essentiellement frontale, la transition entre ces deux régimes se faisant par l'extinction sur l'inhibiteur de la portion de surface en combustion essentiellement radiale du premier régime. Des dispositions particulières, telles que le profil de la partie non inhibée de la surface latérale du bloc ou les rayons de raccordement des viroles extérieure ou intérieure avec la semelle de l'inhibiteur permettent de piloter l'évolution du front de flamme du bloc en combustion et de contrôler la rapidité plus ou moins grande de la transition entre les deux régimes. La figure 7 représente l'évolution de la surface de combustion en fonction de l'épaisseur brûlée pour le chargement de l'exemple 4 dont le bloc a une longueur d'environ 100 mm et un diamètre extérieur d'environ 130 mm : le rapport l/d est d'environ 0,77. Les surfaces de combustion pendant les deux régimes sont sensiblement constantes et leur rapport est important : il est supérieur à 4. Pour un propergol dont la vitesse de combustion augmente de 10 mm/s à une pression de 3 MPa jusqu'à 19 mm/s à une pression de 20 MPa, le rapport des poussées entre les deux régimes est de l'ordre de 8 l'augmentation de la vitesse de combustion en fonction de la pression et du serrage (rapport de la surface de combustion à la section du col de la tuyère) accentue l'effet du rapport des surfaces pour ces deux régimes. Revendications 1. Chargement birégime (1,21,31,41) essentiellement constitué par un inhibiteur (2,22,32,42) et un bloc monocomposition de propergol solide (3,23,33,43) comprenant une cavité principale (4,24,34,44) débouchant sur la face arrière (5,25,35,45) du dit bloc caractérisé en ce que l'inhibiteur (2,22,32,42) comprend une virole extérieure (6,26,36,46) et une virole intérieure (7,27,37,47) solidaires d'une semelle (8,28,38,48), la virole extérieure et la virole intérieure étant essentiellement cylindriques et coaxiales avec l'axe du dit bloc, la virole extérieure (6,26,36,46) recouvrant au moins la moitié de la surface latérale du dit bloc (3,23,33,43), la semelle (8,28,38,48) recouvrant les différentes parties de la face avant du dit bloc et la virole intérieure (7,27,37,47) étant entièrement incluse dans ledit bloc (3,23,33,43). 2. Chargement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la distance séparant la surface du fond de la cavité principale de la surface de la face avant du bloc est au plus égale à la hauteur de la virole intérieure (7,27,37,47) de l'inhibiteur (2,22,32,42). 3. Chargement selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'épaisseur à brûler radiale mesurée depuis la surface de la cavité principale (4,24,34,44)) est supérieure ou égale à la distance séparant la surface du fond de la cavité principale de la surface de la face avant du bloc 4. Chargement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la distance séparant le sommet de la virole intérieure (7,27,37,47) de la face arrière (5,25,35,45) est comprise entre 0,6 et 1,5 fois l'épaisseur à brûler radiale mesurée depuis la surface de la cavité principale. 5. Chargement selon la revendication 1 à 4 caractérisé en ce que la cavité principale est à symétrie de révolution. 6. Chargement (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que la cavité principale (4) comporte au moins une gorge annulaire. 7. Chargement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport l/d est inférieur à 1,3 ; l étant la longueur et d le diamètre extérieur du dit bloc. 8. Procédé pyrotechnique de génération de deux régimes de débits de gaz par la combustion d'un chargement (1,21,31,41) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que - pendant le premier régime de débit, le front de flamme du dit bloc (3,23,33,43) comporte au moins une surface en combustion sensiblement frontale essentiellement constituée par la combustion de la face arrière (5,25,35,45) et au moins une surface en combustion sensiblement radiale essentiellement constituée par la combustion de la surface de la cavité principale (4,24,34,44), pendant le deuxième régime de débit, le front de flamme du dit bloc est essentiellement constitué par une surface, en combustion sensiblement frontale, la transition entre les deux régimes de débit se fait par l'extinction du front de flamme de la surface en combustion sensiblement radiale de la cavité principale sur l'inhibiteur. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le rapport des surfaces de combustion pour les deux régimes est supérieur ou égal 2. 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que pendant chacun des deux régimes de débit les surfaces de combustion sont sensiblement constantes.