Brevet FR2740510A1 — publié le 19970430

DISPOSITIF DE LIBERATION POUR DES CONDUITES DE PROPERGOL L'invention se rapporte à un dispositif de libération pour des conduites de propergol pour moteurs- fusées, en particulier des conduites pour des ergols hypergoliques chimiquement agressifs tels que la monométhylhydrazine et le tétroxyde de diazote, dans la zone comprise entre au moins une sortie de réservoir et au moins une vanne d'arrêt, ce dispositif libérant le trajet d'écoulement, sous une surpression définie, côté réservoir, 1o par rupture irréversible de matériau et comprenant un élément de rupture en forme de piston qui se compose d'un disque, d'un emplacement de rupture circulaire sur le bord du disque, d'une tige de guidage centrale, solidaire du disque et d'un rebord de serrage entourant l'emplacement de rupture, ainsi qu'un panier d'interception à faible résistance à l'écoulement (faibles pertes de charge), maintenant par complémentarité de forme le disque après rupture et translation axiale, l'élément de rupture étant chimiquement résistant vis-à-vis de l'ergol au moins pendant une durée prolongée. Des dispositifs de libération suivant le principe de rupture ou d'éclatement, libérant une section d'écoulement par rupture irréversible de matériau, sont connus par de nombreuses publications. Ainsi, le document DE-B-29 13 463 décrit une combinaison d'un dispositif de libération à feuille d'éclatement et d'une soupape de sûreté sollicitée par ressort, pour la protection de réservoirs, conduites, etc. contre la surpression. L'agencement de feuille d'éclatement est monté en aval de la soupape de sûreté, le trajet d'écoulement conduisant à l'air libre, côté sortie. Les éléments sont accordés de telle manière que le cisaillement de la feuille d'éclatement ait lieu à peu près sous la même surpression que l'ouverture de la soupape de sécurité à l'encontre de la force de ressort. Dans cette combinaison, l'agencement de feuille d'éclatement n'a en réalité que pour fonction d'assurer l'étanchéité absolue du système jusqu'au déclenchement de la soupape de sûreté. Une caractéristique avantageuse de cet agencement connu réside dans le fait que le disque de rupture massif (appelé ici plateau) qui assure le serrage de la feuille d'éclatement est maintenu, à l'état cisaillé, après translation axiale, par complémentarité de forme par un dispositif d'interception (bras d'encliquetage). Il subsiste ainsi, après une course relativement faible du disque, une section d'écoulement définie, importante, à faible résistance d'écoulement. Le principe décrit à feuille d'éclatement présente cependant également des inconvénients. Comme mentionné expressément dans le texte, les feuilles d'éclatement ont tendance à former des éclats lors du cisaillement. Dans le cas o le trajet d'écoulement aval ne mène pas à l'air libre, mais à d'autres éléments fonctionnels tels que des vannes, pompes, tuyères etc., les éclats peuvent provoquer des perturbations sérieuses pouvant aller jusqu'à une défaillance du système. En outre, les feuilles réalisées par laminage présentent des tolérances relativement larges en ce qui concerne leurs caractéristiques mécaniques (résistance de rupture, allongement de rupture, etc.), en fonction du degré de déformation intervenant lors de la fabrication. Les tensions internes non calculables qui sont produites pendant cette opération sont également défavorables. Le serrage de la feuille entre les composants massifs provoque d'autres contraintes internes, ce qui conduit en dernier lieu à des dispersions relativement importantes quant aux paramètres de rupture (différence de pression, déformation, etc.). Pour des raisons d'étanchéité, les feuilles sont généralement soudées aux composants massifs, ce qui conduit à des tensions et déformations internes supplémentaires. Tout cela fait apparaître qu'il n'est en général pas possible, avec des feuilles d'éclatement, d'obtenir un comportement de rupture susceptible d'être calculé de façon relativement exacte. Par ailleurs, les feuilles d'éclatement sont la plupart du temps peu résistantes aux fluides agressifs, les modifications de structure et tensions internes résultant du degré de déformation élevé ayant à ce sujet des conséquences défavorables. Dans le cas d'agencements avec une feuille soudée, les cordons de soudure qui présentent une finesse correspondant à l'épaisseur de la feuille représentent des endroits particulièrement exposés à la corrosion. Enfin, il convient encore de remarquer que l'agencement de feuille d'éclatement suivant le document précité, en raison de l'entaillage bilatéral qu'il implique par construction, favorise de toute manière l'attaque corrosive locale. Le brevet DE 24 27 790 décrit une soupape de libération à déclenchement par explosif pour des réservoirs sous pression. L'élément à détruire (plaque de rupture) est & cet effet sectionné dans la zone d'un affaiblissement de section, par mise à feu d'une charge creuse annulaire. Etant donné que la destruction est ici provoquée par la force explosive et non pas par la pression interne du réservoir, il est possible d'utiliser des épaisseurs de paroi relativement importantes qui ne conduisent pas à des problèmes de corrosion, et les caractéristiques du matériau de l'élément de rupture sont également d'une moindre importance. Par contre, une telle solution ne convient absolument pas pour des fluides inflammables ou explosibles tels que par exemple des propergols pour moteur-fusée et provoque en outre, à la libération, l'introduction de corps étrangers (éclats, résidus d'explosifs, etc.) dans le système. Le brevet US 3 842 598 décrit un moteur-fusée pour des engins volants militaires, conçu pour une aptitude au stockage prolongé et une capacité d'utilisation rapide. Le réservoir de propergol est rempli sur la majeure partie de son volume par un mélange combustible/oxydant essentiellement liquide, à teneur en oxydant réduite. Il comprend, en outre, un récipient flexible étanche avec un oxydant supplémentaire. Lors de l'utilisation, le récipient flexible est amené à éclater à l'aide de gaz sous pression (azote) provenant d'un réservoir supplémentaire, et l'oxydant ainsi libéré est réparti dans le mélange de propergol, ce qui produit un propergol stoechiométrique hautement énergétique. Ce propergol est brûlé dans une chambre de poussée montée en aval. Entre le réservoir de gaz sous pression et le réservoir de propergol ainsi qu'entre le réservoir de propergol et la chambre de poussée est disposée chaque fois une membrane de rupture, à des fins d'étanchéité hermétique pendant la phase de stockage, mais le brevet précité ne donne aucune indication sur la structure de cette membrane. Par le brevet US 3 714 777, on connaît une soupape avec un élément de rupture pour un système de propergol, cette soupape étant installée en plus de la vanne d'arrêt proprement dite (isolation valve). Le propergol (ici l'oxydant) est refoulé hors du réservoir à l'aide de gaz sous pression, en passant par une membrane ou vessie étanche flexible (expulsion bladder). Dans le cas d'une différence de pression trop importante entre le gaz sous pression et l'oxydant, la membrane peut être détruite, et du gaz sous pression parvient dans le système de propergol, ce qui est indésirable. La soupape additionnelle mentionnée règle la différence de pression à une valeur maximale admissible par le fait que le flux d'oxydant est automatiquement plus ou moins étranglé. L'élément de rupture est détruit au début de la phase de fonctionnement par la pression de l'oxydant et libère une conduite de gaz sous pression pour l'opération de réglage. Les inconvénients mentionnés précédemment tels que comportement de déclenchement imprécis, perturbations du fonctionnement par des éclats, etc. s'appliquent également aux constructions connues par ces brevets US. Compte tenu de ces solutions connues et de leurs inconvénients, le but de la présente invention est de créer un dispositif de libération suivant le principe de rupture pour des conduites de propergol, dispositif qui, avant son activation, maintient le propergol isolé de façon fiable et hermétique des éléments fonctionnels disposés en aval, qui ouvre avec sécurité sous une pression de rupture (différence de pression) susceptible d'être prédéterminée avec une précision relativement élevée, qui permette, d'une manière relativement simple du point de vue construction, une adaptation de la pression de rupture à des conditions différentes du système, qui, tout en ne présentant qu'un faible volume de montage, ne provoque que des pertes de charge faibles, reproductibles, avec des "phénomènes de coups de bélier" tolérables, et qui puisse être fabriqué d'une manière relativement simple et peu onéreuse. Ce but est atteint, dans le cas d'un dispositif de libération tel que défini en préambule, par le fait que l'élément de rupture est assemblé par soudage à partir de deux parties, le disque avec rebord de serrage et emplacement de rupture constituant une partie, la tige de guidage avec siège pour le disque l'autre partie, que le disque avec le rebord de serrage est fabriqué par enlèvement de copeaux à partir d'un matériau en plaque, déformable à froid, ayant une résistance de rupture relativement faible et une bonne soudabilité, que la tige de guidage avec siège pour le disque est réalisée par enlèvement de copeaux à partir du matériau utilisé pour le disque, ou d'un matériau à résistance plus élevée et à bonne soudabilité, l'un ou l'autre en barre, et que l'emplacement de rupture est réalisé par enlèvement de copeaux sous forme d'entaille unilatérale sur le côté de l'élément de rupture éloigné du réservoir. L'élément de rupture étant assemblé par soudage à partir de deux parties dont chacune est monopièce, l'une des parties (disque avec rebord de serrage et emplacement de rupture) assume la fonction d'étanchéité et de rupture proprement dite, et l'autre partie (tige de guidage avec siège de disque) la fonction de guidage lors de l'ouverture après rupture. La fabrication par enlèvement de copeaux du disque avec rebord de serrage et emplacement de rupture à partir d'un matériau en plaque, déformable à froid, permet un comportement de rupture relativement "cassant", reproductible, avec faible allongement de rupture, malgré la faible résistance de rupture de la matière. Le matériau en plaque choisi, déformé à froid, présente une structure à grains fins très uniforme, avec des caractéristiques de matière à faible dispersion seulement. De ce fait, et en raison de l'écrouissage dû à la déformation à froid, il se produit, sous des charges définies, une rupture relativement spontanée, régulière et "cassante", sans déformation notable. Une ductilité résiduelle suffisante dans le fond de l'entaille évite dans une large mesure la formation d'éclats ou de particules. La rupture se produit sous la forme d'une déchirure essentiellement simultanée sur tout le pourtour, de sorte qu'un blocage en position oblique ou une flexion est pratiquement exclu. La finesse des grains et l'uniformité de la structure permettent également une résistance suffisante à la corrosion dans la zone de l'épaisseur minimale du matériau qui ne s'élève par exemple qu'à un ou quelques dixièmes de millimètre. La soudure d'assemblage se trouve dans la zone de forte épaisseur de matériau, est largement dimensionnée et ne pose ainsi des problèmes ni du point de vue résistance, ni du point de vue corrosion. L'usinage par enlèvement de copeaux des parties à assembler par soudage assure une précision et une qualité de surface suffisantes tout en n'impliquant qu'un coût de fabrication réduit. Etant donné que la tige de guidage ne présente pas d'emplacement de rupture, les impératifs imposés à ce sujet au disque tels que faible allongement de rupture, résistance de rupture, etc. ne s'appliquent pas à la tige. En dehors de la précision et de la bonne soudabilité qu'elle doit présenter, la tige de guidage ne doit se déformer en fonctionnement ni plastiquement, ni trop élastiquement, afin d'éviter un coincement ou blocage dans les guidages associés. C'est pourquoi elle est constituée par une matière qui, par rapport à celle du disque, est au moins de même résistance, mais plutôt de résistance plus élevée, un matériau en tige avec une faible surcote de diamètre étant à cet effet disponible en tant que semi- produit. Il convient également de veiller à obtenir une résistance chimique suffisante vis-à-vis du propergol, résistance qui peut le cas échéant être améliorée par un traitement de surface. L'emplacement de rupture est également réalisé par enlèvement de copeaux, l'exécution en tant qu'entaille unilatérale sur le côté éloigné du réservoir permettant à la fois de simplifier la fabrication et d'améliorer considérablement la résistance à l'attaque corrosive du fait de la forme lisse sur le côté qui est en contact avec le propergol déjà avant l'activation. De préférence, le disque avec rebord de serrage peut être constitué par un alliage aluminium-magnésium non- durcissable, et la tige de guidage avec siège par le même alliage ou de préférence par un alliage durcissable à base d'aluminium. L'élément de rupture peut avantageusement être revêtu par chromatation jaune et donc passivé sur tous les côtés. Suivant un autre mode de réalisation, les parties de l'élément de rupture peuvent être constituées d'acier inoxydable. Les parties de l'élément de rupture peuvent de préférence être réalisées sous forme de pièces tournées. Dans ce cas, l'entaille (emplacement de rupture) et au moins la zone de surface opposée du disque, côté réservoir, peuvent être usinées aux cotes finales et à l'état de surface final par tournage à grande vitesse par outil diamanté. Le dispositif de libération et la vanne d'arrêt qui fait suite à ce dispositif peuvent être avantageusement réunis en une unité fonctionnelle dans un même bottier. On va décrire ci-après plus en détail l'invention avec référence à la figure unique annexée. Cette figure montre un dispositif de libération 1 qui est réuni avec une vanne d'arrêt 12 dans un bottier 13 sous la forme d'une unité fonctionnelle. L'unité fonctionnelle fait partie d'une conduite de propergol non représentée et est conçue spécialement pour des propergols hypergoliques, chimiquement agressifs. En fonctionnement, le propergol pénètre, dans le mode de réalisation illustré, horizontalement de droite à gauche dans le boîtier 13, est dévié de 900 dans la zone de la vanne d'arrêt 12 et quitte finalement le boîtier 13 verticalement vers le bas. En amont de l'unité représentée se trouve un réservoir de propergol non illustré qui, à l'état rempli, est activé par pression, par exemple à partir d'un accumulateur de gaz inerte. En aval de l'unité représentée se trouve au moins un moteur-fusée qui doit être alimenté en propergol. La fonction du dispositif de libération 1 consiste d'abord à isoler le propergol contenu dans un réservoir hermétiquement de tous les éléments suivants du système, y compris la vanne d'arrêt 12, afin de maintenir tout le système d'alimentation en propergol et de propulsion dans un état passif, mais de disponibilité permanente et d'éviter des dommages par corrosion et donc des perturbations de fonctionnement. Par conséquent, l'invention convient particulièrement pour des systèmes de propulsion qui doivent être passifs et stockables pendant des durées prolongées, tout en étant activables rapidement. Cela rend l'invention intéressante également pour des applications militaires. L'autre fonction du dispositif de libération 1 consiste à libérer rapidement et de façon fiable le trajet d'écoulement pour le propergol lorsqu'une différence de pression définie existe entre le côté réservoir et le côté moteur, différence indiquée sur la figure par "Ap" et une flèche. Cette libération ne doit si possible pas permettre à des corps étrangers et impuretés de pénétrer dans le propergol et le propergol doit en outre s'écouler avec le moins de pertes possible à travers le dispositif de libération 1. Le "coeur" du dispositif de libération 1 est constitué par un élément de rupture 2 qui se compose d'un disque 3 avec emplacement de rupture 4 et rebord de serrage , ainsi que d'une tige de guidage 6 avec un siège 7 pour le disque 3. Le disque 3 est relié par soudage à la tige de guidage 6 de sorte que le premier peut être constitué d'un matériau en plaque, déformé à froid, et la seconde en un matériau en barre de même résistance ou de résistance plus élevée, ce qui permet de combiner un comportement de rupture optimal avec de bonnes propriétés mécaniques. Pour des raisons de poids, il est préférable d'utiliser des métaux légers soudables, par exemple des alliages aluminium/magnésium, toutes les surfaces étant de préférence usinées par tournage. L'emplacement de rupture 4 est réalisé sous forme d'entaille annulaire unilatérale sur le côté de l'élément de rupture 2 initialement éloigné du propergol, cela afin d'exclure des dommages par corrosion dans cette zone critique. Dans le cas d'alliages d'aluminium, la résistance à la corrosion peut être notablement accrue par une chromatation jaune sur toutes les faces. L'usinage final de l'entaille et de la surface plane opposée, côté réservoir, s'effectue avantageusement, après dégrossissage par tournage usuel, par tournage haute vitesse à l'aide d'un outil diamanté, ce qui permet d'obtenir de façon reproductible des précisions dimensionnelles et de forme et des qualités de surface optimales. Cela est important compte tenu du fait que l'épaisseur de paroi minimale dans la zone de l'emplacement de rupture 4 ne s'élève par exemple qu'à environ un dixième de millimètre. Après rupture, l'élément de rupture 2 exécute un mouvement de translation axiale limité et la tige de guidage 6 est à cet effet montée mobile en translation axiale de part et d'autre dans des trous de réception correspondants. Le mouvement de translation est limité dans la position active ouverte par un panier d'interception 9 qui fixe ensuite le disque 3 par complémentarité de forme dans cette position à l'aide d'un ou de plusieurs ressorts de retenue 11. Cela évite des mouvements axiaux involontaires, par exemple dus aux effets d'accélération, et les variations d'écoulement qui pourraient en résulter. La position fixée est représentée en traits mixtes sur la figure. Le panier d'interception 9 comporte au moins sur le pourtour plusieurs ouvertures 10 suffisamment grandes qui permettent au propergol de passer sans être gêné. En outre, le panier d'interception 9 centre la partie aval de la tige de guidage 6. Ainsi, le dispositif de libération conforme & l'invention se distingue par une étanchéité hermétique fiable, une ouverture rapide, reproductible et fiable, des pertes d'écoulement minimales, un encombrement réduit ainsi que l'absence d'effet de coups de bélier et de libération de "corps étrangers" dans le propergol. En outre, par variation de la géométrie ainsi que des matières, principalement de l'élément de rupture, le dispositif de libération peut être adapté de façon relativement simple et sans problème à des paramètres de fonctionnement modifiés. La fabrication en tant que telle est également relativement simple et peu onéreuse. REVENDICATIONS 1. Dispositif de libération pour des conduites de propergol, en particulier des conduites pour des propergols hypergoliques, chimiquement agressifs, tels que la monométhylhydrazine et le tétroxyde de diazote, dans la zone comprise entre au moins une sortie de réservoir et au moins une vanne d'arrêt aval, dispositif qui libère le trajet d'écoulement par rupture irréversible de matériau sous l'effet d'une surpression définie, côté réservoir, et comprend un élément de rupture en forme de piston, composé d'un disque, d'un emplacement de rupture annulaire sur le bord du disque, d'une tige de guidage centrale solidaire du disque et d'un rebord de serrage annulaire entourant l'emplacement de rupture, le dispositif comprenant en outre un panier d'interception à faible résistance à l'écoulement, retenant par complémentarité de forme le disque après rupture et translation axiale, l'élément de rupture étant chimiquement résistant vis-à-vis du propergol au moins pendant une durée prolongée, caractérisé par le fait que l'élément de rupture (2) est assemblé par soudage (soudure 8) à partir de deux parties, le disque (3) avec rebord de serrage (5) et emplacement de rupture (4) formant l'une des parties et la tige de guidage (6) avec siège (7) pour le disque (3) formant l'autre partie, que le disque (3) avec rebord de serrage (5) est réalisé par enlèvement de copeaux à partir d'une matière à résistance de rupture relativement faible et à bonne soudabilité, se présentant sous la forme d'un matériau en plaque déformé à froid, que la tige de guidage (6) avec siège (7) pour le disque (3) est réalisée par enlèvement de copeaux à partir de la matière utilisée pour le disque (3) ou d'une matière plus résistante, à bonne soudabilité, sous forme de matériau en barre, et que l'emplacement de rupture (4) est réalisé par enlèvement de copeaux sous forme d'entaille unilatérale sur le côté de l'élément de rupture (2) éloigné du réservoir. 2. Dispositif de libération suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le disque (3) avec rebord de serrage (5) est constitué d'un alliage aluminium- magnésium non-durcissable, la tige de guidage (6) avec siège à partir du même alliage ou de préférence à partir d'un alliage durcissable à base d'aluminium. 3. Dispositif de libération suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément de rupture (2) est revêtu par chromatation jaune et donc passivé sur toutes les faces. 4. Dispositif de libération suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les parties de l'élément de rupture sont en acier inoxydable. 5. Dispositif de libération suivant l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé par le fait que les parties de l'élément de rupture (2) sont réalisées sous forme de parties tournées. 6. Dispositif de libération suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que l'entaille (emplacement de rupture 4) et au moins la zone superficielle opposée du disque (3), côté réservoir, sont usinées aux cotes finales et à l'état de surface final par tournage haute vitesse avec outil diamanté. 7. Dispositif de libération suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il est réuni avec la vanne d'arrêt (12) aval sous la forme d'une unité fonctionnelle (bottier 13).