Brevet FR2842581A1 — publié le 20040123

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des protections thermique et plus particulièrement au maintien de l'isolant à l'intérieur de celles-ci. Art antérieur Les dispositifs de protection thermique tels que ceux présents sur les véhicules de rentrée atmosphérique par exemple sont en général formés de panneaux qui jouent non seulement le rôle de tenue mécanique pour la paroi externe du véhicule mais aussi celui d'isolant thermique. Toutefois, des projets récents ont montré qu'il pouvait exister certains avantages à dissocier la fonction de paroi externe avec celle d'isolation thermique. Dans ce cas, le dispositif de protection thermique peut comprendre un panneau en matériau composite thermostructural constituant la paroi externe du dispositif ainsi qu'une isolation interne disposée entre la face interne du panneau et la paroi de la structure à protéger. Cette isolation interne est réalisée à partir de matériaux légers comme par exemple de la laine isolante. Dans certains cas, comme par exemple le cas o le besoin d'isolant est plus faible que le besoin de hauteur pour les panneaux et systèmes d'attache, le panneau recevant le flux thermique haute température est relativement éloigné de la paroi de la structure à protéger. Un tel éloignement est aussi nécessaire dans le cas o l'éloignement doit être constant alors que l'épaisseur d'isolant peut varier, dans le cas d'une structure froide conçue séparément des protections thermiques, ou dans le cas d'un réservoir cryogénique o il peut être nécessaire d'avoir des circulations entre les éléments. -2 Ainsi, la couche d'isolation servant à assurer le gradient de température nécessaire entre le panneau et la structure à protéger ne remplit pas la totalité de l'espace entre ces derniers. De plus, pour réduire le rayonnement sur des éléments qui se trouvent entre les deux structures (ex. attaches du panneau, composants électroniques, etc.), il est nécessaire de maintenir la couche d'isolation contre ou au plus près du panneau côté chaud. Il existe actuellement de nombreuses solutions pour maintenir la couche d'isolation. Cependant, ces solutions présentent des inconvénients. Le collage, par exemple, de la couche d'isolation sur le panneau est peu résistant vis-à-vis des températures extrêmes rencontrées en face chaude des panneaux thermostructuraux qui peuvent aller jusqu'à 1 8000C alors que les collages classiques résistent pourtant jusqu'à 1 4000C environ. Divers types de fixations mécaniques de la couche d'isolation au panneau ont été aussi envisagés mais, de même que pour le collage, les températures sont trop importantes. De plus, une attache mécanique implique de traverser la couche d'isolation de part en part, ce qui pénalise les performances d'isolation en créant des chemins de conduction à travers l'isolation. Une autre solution consiste à bloquer la couche d'isolation contre le panneau au moyen d'un grillage ou de lanières de support. La dimension des panneaux et la masse de la couche d'isolation risque d'engendrer des flèches de déformation au centre des panneaux beaucoup trop importantes. Objet et description succincte de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un dispositif de protection thermique dans lequel la couche d'isolation thermique est maintenue adjacente au panneau sans générer -3 de chemins de conduction thermique ou de contraintes mécaniques importantes sur le panneau. Ces buts sont atteints grâce à un dispositif de protection thermique destiné à être monté sur la paroi d'une structure à protéger, le dispositif comprenant un panneau apte à recevoir sur sa face externe un flux thermique haute température, le panneau étant maintenu à une distance déterminée de la paroi de la structure et comprenant du côté de sa face interne au moins une couche d'isolation thermique, caractérisé en ce que le dispositif de protection thermique comprend en outre une couche formée d'un matériau compressible maintenue dans un état compacté entre la paroi de la structure et la couche d'isolation thermique. Ainsi, la couche d'isolation thermique peut être maintenue de façon fiable au plus près du panneau sans générer de chemins de conduction thermique ou de contraintes mécaniques importantes sur le panneau. La couche de matériau compressible présente de préférence un module de Young en compression inférieur à celui de la couche d'isolation thermique. Selon un aspect particulier de l'invention, la couche de matériau compressible est formée d'une mousse compactable qui peut être constituée d'une matière ininflammable. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la couche de matériau compressible comprend des évidements. Des ouvertures peuvent être ménagées entre les évidements pour former un chemin de circulation d'un flux de refroidissement dans le dispositif de protection thermique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche d'isolation thermique comprend plusieurs couches d'isolant constituées de différents matériaux d'isolation thermique. Le dispositif de protection thermique peut comprendre en outre des raidisseurs disposés entre le panneau et la couche d'isolation thermique, -4 ou bien qui pénètrent partiellement dans la couche d'isolation thermique à partir de la surface interne du panneau. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure IA est une vue en coupe du dispositif de protection thermique avant assemblage conformément à un mode de réalisation de l'invention, - la figure lB est une vue en coupe du dispositif de protection thermique après assemblage conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe du dispositif de protection thermique conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe du dispositif de protection thermique conformément à un troisième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 4 est une vue en perspective d'une couche de maintien selon l'invention. Description détaillée des modes de réalisation de l'invention La solution proposée par la présente invention consiste à appliquer un effort de compression sur la ou les couches d'isolation afin d'assurer leur maintien contre ou au plus près du panneau. Cet effort est réalisé à l'aide d'une couche de matériau compressible qui est disposée, dans un état compacté, dans l'espace disponible entre la paroi de la structure à protéger et la ou les couches d'isolation. Par conséquent, l'invention -5 s'applique à tout dispositif de protection thermique dans lequel l'encombrement de la couche d'isolation est inférieur à l'espace disponible entre le panneau et la paroi de la structure à protéger. Les figures lA et 1B montrent un premier exemple d'assemblage d'un dispositif de protection thermique selon l'invention. La fonction d'un tel dispositif est de protéger une structure, comme un véhicule de rentrée atmosphérique ou un réservoir cryogénique, contre les flux thermiques haute température rencontrés dans l'environnement de fonctionnement. A cet effet, le dispositif de protection thermique comprend tout d'abord un panneau 1 qui reçoit sur sa face externe le flux thermique haute température. Le panneau 1 remplit plusieurs fonctions: une fonction de tenue vis-à-vis des chargements mécaniques (différence entre pressions externe et interne, déformation structurelles,...), une fonction de maîtrise de la forme extérieure (aérodynamique), une fonction de protection de l'isolant contre l'environnement extérieur (abrasion, écoulements rapide, pluie, grêle, plasma,...), et une fonction d'écran réflecteur. Le panneau 1 peut être formé en un matériau composite thermostructural, tel que du carbone-carbone, du carbone-SiC, un matériau à matrice oxyde ou similaire. Compte tenu des niveaux de températures auxquels est soumis le panneau (autour de 1600-1800 OC), il est important que ce dernier soit suffisamment éloigné de la paroi 5 de la structure à protéger. De plus, afin d'introduire un gradient de température entre le panneau 1 et la paroi 5, une couche d'isolation thermique 7 est disposée entre ces deux éléments. Dans le mode de réalisation présenté en figures 1A et lB, la couche d'isolation 7 comprend par exemple deux sous-couches 2 et 3 de matériaux isolants légers tels qu'une laine isolante. En effet, selon les cas, il peut être avantageux d'utiliser plusieurs couches d'isolant chacune constituées d'un matériau d'isolation différent qui présente des capacités d'isolation accrues pour une plage de températures spécifique. Ainsi, afin d'obtenir une couche -6 d'isolation qui présente une capacité d'isolation optimale, celle-ci peut comprendre une succession de plusieurs couches constituées chacune d'un matériau d'isolation particulier adapté à la plage de température rencontrée à cet endroit. La couche d'isolation thermique peut aussi comprendre une simple structure mono-couche. Conformément à l'invention et comme illustré sur la figure lA, une couche 4 constituée d'un matériau compressible est placée sur la paroi 5 avant d'assembler le panneau 1 et la couche d'isolation 7. Avant assemblage, la couche d'isolation 7 présente une hauteur H1so et la couche de matériau compressible présente au repos une hauteur Hdecomp. Une fois le dispositif de protection thermique assemblé sur la paroi 5 de la structure à protéger, le panneau 1, la couche d'isolation 7 et la couche de matériau compressible 4 présentent une hauteur Htotal qui est inférieure à la somme de la hauteur Hi., de la couche 7 avec la hauteur Hdecomp de la couche 4 avant assemblage. Cette différence de hauteur est compensée par la diminution du volume de la couche 4 comprimée après assemblage. En d'autre termes, la couche de matériau compressible 4 est choisie avec une hauteur Hcomp qui est supérieure à la hauteur restante entre la couche d'isolation 7 et la paroi 5 après assemblage. Ainsi, un effort de compression peut être appliqué sur la couche 7 afin de maintenir celle-ci en contact du panneau 1 sans avoir besoin de recourir à un collage ou à un système de fixation mécanique. La couche 4 peut comprendre tout type de matériau qui peut être compressé ou compacté et qui présente de préférence un module de Young en compression inférieur à celui du ou des matériau constitutif(s) de la couche d'isolation 7. En effet, pour assurer le maintien de l'ensemble du dispositif de protection thermique, la couche d'isolation 7 et la couche de matériau compressible 4 se compriment en fonction de leur module de Young. Si on utilise pour la couche 4 un matériau de bourrage ayant un -7 module de Young important vis-à-vis de celui de la couche 7 (Le. peu compressible), l'effort de compression introduit à l'assemblage n'entraînerait que la déformation de la couche d'isolation 7 ce qui réduirait ses caractéristiques de résistance thermique. Il est donc préférable de choisir pour la couche 4 un matériau qui va absorber un maximum de la déformation lors de l'assemblage afin de garantir les propriétés de la couche d'isolation. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche 4 est réalisée à partir d'une mousse ayant une faible densité, une certaine résistance à la compression, une mise en forme en trois dimensions relativement aisée, et une bonne résistance à une température d'au moins 200 0C. De nombreuses mousses du commerce répondent à ces exigences et peuvent être utilisées dans la présente invention. Il est toutefois préférable qu'une telle mousse ne soit pas inflammable. A titre d'exemple, on peut citer le modèle de mousse "BASOTECT " V3012 qui convient très bien pour l'usage selon l'invention. La couche 4 ainsi constituée et maintenue dans un état compacté dans le dispositif de protection thermique de l'invention permet de réaliser l'effort de compression entre la paroi 5 et la couche d'isolation 7 assurant alors le maintien de cette dernière contre le panneau 1. La figure 2 représente un second mode de réalisation du dispositif de protection thermique selon l'invention. La différence entre le dispositif illustré en figure 2 et celui présenté dans les figures 1A et lB réside dans l'ajout de raidisseurs 6 entre le panneau 1 et la couche d'isolation 7. Suivants les utilisations, le panneau 1 doit être muni de raidisseurs 6 afin d'améliorer la tenue mécanique de ce dernier. Dans ce cas, la couche d'isolation 7 n'est plus en contact direct avec le panneau 1 mais avec les raidisseurs 6. La couche de matériau compressible 4 réalise alors un effort de compression pour maintenir la couche 7 au plus près du panneau 1, c'est-à-dire en contact des raidisseurs 6. -8 La figure 3 illustre un troisième mode de réalisation dans lequel le panneau est également muni de raidisseurs 60. A la différence des raidisseurs 6 de la figure 2, les raidisseurs 60 présentent une forme qui peut être intégrée dans des découpes 21 ménagées dans la première couche d'isolant 20. Dans ce cas, la couche d'isolant 20 est maintenue par la couche de matériau compressible 4 en contact du panneau 1 à l'exception des découpes 21. La forme des raidisseurs 6 et 60 respectivement représentés en figures 2 et 3 est arbitraire. Selon les effets recherchés, les raidisseurs peuvent avoir d'autres formes différentes. La couche de matériau compressible peut être formée d'un seul bloc de mousse ou similaire, ou bien être mise en forme suivant les besoins. La figure 4 montre un exemple de mise en forme d'un bloc de mousse qui peut être utilisé dans le dispositif de l'invention. Sur cette figure, un bloc 40, présentant des dimensions externes adaptées à celles de la couche d'isolation à maintenir, comporte une série d'évidements 41. Ces évidements peuvent être réalisés afin d'obtenir une réduction de masse sur la couche 4 en affaiblissant le taux de remplissage. Si l'on choisit judicieusement la forme et la disposition des évidements, comme sur la figure 3, on peut obtenir un taux de remplissage sensiblement inférieur à 1, de 1/3 à 1/2 par exemple, sans nuire à l'effort de compression appliqué à la couche d'isolation. Les évidements 41 peuvent également être utilisés pour ménager des espaces de logements pour des composants électroniques ou des raidisseurs disposés sur la paroi 5 de la structure à protéger. D'autre part, des ouvertures 42 peuvent être réalisées pour former un chemin de circulation d'un flux de refroidissement F dans le dispositif de protection thermique. Grâce à la présente invention, le maintien de la couche d'isolation est assuré seulement par la déformation de la couche de matériau compressible. Aucune attache qui pourrait former des chemins de -9 conduction à travers la couche d'isolation n'est nécessaire. De par sa nature, le matériau compressible est tolérant aux imperfections de forme qui pourraient apparaître sur la couche d'isolation. De plus, la couche compressible étant positionnée contre la structure froide, elle ne nécessite pas d'être constituée d'un matériau spécialement sélectionné pour ses caractéristiques thermiques. Par conséquent, la solution proposée par la présente invention présente en outre un avantage économique. Toutefois, dans certains cas, il peut être avantageux que le matériau compressible présente de bonnes caractéristiques d'isolation thermique. En effet, si le matériau compressible participe à l'isolation de la structure, l'épaisseur de la couche d'isolation 7 peut être réduite, diminuant ainsi la masse de l'ensemble. Cette solution peut être avantageuse dans le domaine spatial par exemple o la réduction de masse est constamment recherchée. 1 5 - 10 REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection thermique destiné à être monté sur la paroi (5) d'une structure à protéger, ledit dispositif comprenant un panneau (1) apte à recevoir sur sa face externe un flux thermique haute température et des chargements mécaniques importants, ledit panneau étant maintenu à une distance déterminée (Htotai) de la paroi (5) de la structure et comprenant du côté de sa face interne au moins une couche d'isolation thermique (7), caractérisé en ce que le dispositif de protection thermique comprend en outre une couche (4) formée d'un matériau compressible maintenue dans un état compacté entre la paroi (5) de la structure et la couche d'isolation thermique (7). 2. Dispositif de protection thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de matériau compressible (4) présente un module de Young en compression inférieur à celui de la couche d'isolation thermique (7). 3. Dispositif de protection thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche de matériau compressible (4) est formée d'une mousse compactable. 4. Dispositif de protection thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mousse est constituée d'une matière ininflammable. 5. Dispositif de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de matériau compressible présente des caractéristiques d'isolation thermique. 6. Dispositif de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de matériau compressible comprend des évidements (41). 7. Dispositif de protection thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de matériau compressible (4) comprend en outre des ouvertures (42) ménagées entre les évidements (41) pour former un chemin de circulation d'un flux de refroidissement (F) dans le dispositif de protection thermique. 8. Dispositif de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche d'isolation thermique (7) comprend plusieurs couches (2, 3) d'isolant constituées de différents matériaux d'isolation thermique. 9. Dispositif de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des raidisseurs (6) disposés entre le panneau (1) et la couche d'isolation thermique (7). 10. Dispositif de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des raidisseurs (60) qui pénètrent partiellement dans la couche d'isolation thermique (7) à partir de la surface interne du panneau (1).