Brevet FR2883365A1 — publié le 20060922

Appareil de refroidissement cryogénique pour un autodirecteur de projectile autoguidé L'invention a trait au refroidissement des autodirecteurs de projectiles autoguidés. Les autodirecteurs des projectiles (missiles, roquettes, etc.) autoguidés sont généralement équipés d'un capteur à infrarouge (couramment dénommé FPA , acronyme de l'anglais Focal Plane Array ) qui ne peut fonctionner que sous vide et à basse température. Le refroidissement du capteur, monté dans un boîtier muni d'une fenêtre transparente au rayonnement infrarouge, est couramment assuré par un appareil comprenant un refroidisseur Joule Thomson muni d'un échangeur de chaleur logé dans un récipient Dewar dont une paroi terminale forme support pour le capteur. Un exemple d'un appareil de ce type est décrit dans le brevet américain US 5 187 939. Un fluide frigorigène sous forme gazeuse (tel que de l'azote ou de l'argon), canalisé dans l'échangeur jusqu'à proximité de la paroi terminale, est libéré contre cette paroi, dont le refroidissement est assuré par la détente du gaz lors de son passage de sa forme gazeuse à une forme mixte liquide + gaz (forme stable atteinte à la température de liquéfaction, ou température de rosée), laquelle en s'écoulant assure le refroidissement de la forme gazeuse tandis que la forme mixte liquide + gaz redevient gazeuse par échange thermique, l'échangeur étant ainsi autorégulé. Ce principe est décrit en détail dans le document FR 2 665 753. La forme mixte liquide + gaz du fluide frigorigène est simplement évacuée de l'appareil dans le corps du projectile, dont la paroi (appelée peau ) est munie d'un dispositif de mise à l'air libre assurant le maintien de la pression interne du projectile. Une condition de bon fonctionnement d'un tel appareil est la sécheresse de l'atmosphère régnant dans le corps du projectile. En effet, la moindre trace d'humidité se traduit, lors du fonctionnement de l'appareil, par une sublimation de la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère en cristaux de glace qui viennent entraver la détente du gaz frigorigène, entraînant ainsi un dysfonctionnement de l'appareil, avec les conséquences qu'on imagine sur la trajectoire du projectile. C'est pourquoi un soin particulier est apporté à l'étanchéité du projectile, des joints étant interposés aux interfaces entre les différents étages qui le constituent. Or, en règle générale, les projectiles (en particulier les missiles) sont stockés pendant des années avant d'être employés. Il est donc indispensable que l'étanchéité soit assurée non seulement pendant le vol du projectile, qui ne dure que quelques minutes, mais pendant toute la durée du stockage. C'est pourquoi les joints d'étanchéité sont des pièces qui, répondant à des critères stricts, sont fort coûteuses. En outre, le soin apporté à l'étanchéité ne dispense pas le personnel chargé de l'entretien d'effectuer de fréquentes opérations de maintenance afin de vérifier le caractère opérationnel de chaque projectile. Au cours de ces opérations, on vérifie également le bon fonctionnement de l'appareil de refroidissement en faisant circuler le fluide réfrigérant, la mesure de la température du capteur, ou même une prise d'image, témoignant du bon fonctionnement de l'appareil. Or les contraintes budgétaires ne permettent plus de satisfaire ces critères. Ainsi, désormais, l'étanchéité absolue des projectiles n'estelle plus requise, afin de réduire les opérations de maintenance. 1l est donc apparu nécessaire de trouver une solution technologique alternative permettant d'assurer le bon fonctionnement des appareils de refroidissement malgré l'humidité envahissant le projectile. Tel est l'objet de la présente invention. Ainsi, et suivant un premier aspect, l'invention propose un appareil de refroidissement cryogénique pour un autodirecteur de projectile autoguidé, qui comporte: - un boîtier définissant un récipient Dewar fermé à une extrémité aval par une paroi sur laquelle est monté un capteur; un refroidisseur Joule Thomson comprenant: un échangeur de chaleur logé de manière étanche dans le récipient Dewar, un conduit d'alimentation de l'échangeur de chaleur en fluide frigorigène, un conduit d'évacuation dudit fluide, le conduit d'évacuation présentant une ouverture primaire de mise à l'air libre et une ouverture secondaire de mise à l'air, le refroidisseur Joule Thomson comportant en, outre: un opercule ruptible obturant l'ouverture primaire de mise à l'air, une soupape mobile entre une position de fermeture dans laquelle elle obture l'ouverture secondaire de mise à l'air, et une position d'ouverture dans laquelle elle libère l'ouverture secondaire. Ainsi, en cours de stockage du projectile, l'opercule assure-t-il l'étanchéité du conduit d'évacuation, empêchant ainsi l'atmosphère humide de s'y introduire. En fonctionnement, le fluide frigorigène sous forme gazeuse rompt l'opercule pour être évacué dans le corps du projectile, l'atmosphère humide ne pouvant alors envahir le conduit d'évacuation du fait de la surpression qui y règne. Malgré la présence de l'opercule, qui ne doit être rompu qu'au lancement du projectile, il est possible de tester le bon fonctionnement de l'appareil en actionnant la soupape pour la placer en position d'ouverture, puis en faisant circuler le fluide frigorigène. Celui-ci, sous forme gazeuse, est évacué par l'ouverture secondaire ainsi libérée sans toutefois rompre l'opercule, le contrôle de la température du capteur ou une prise d'image infrarouge attestant du bon fonctionnement de l'appareil. Il suffit ensuite de couper l'alimentation en fluide frigorigène et de replacer la soupape en position de fermeture, l'appareil étant alors de nouveau opérationnel. Suivant un mode de réalisation, l'opercule est bombé ; il est de préférence réalisé en titane. Par ailleurs, afin de faciliter sa rupture, il peut présenter une prédécoupe propre à rompre sous l'effet d'une surpression du côté d'une face interne de l'opercule sans toutefois entraîner une fragmentation de ce dernier. Le refroidisseur Joule Thomson comprend par exemple une embase sur laquelle est montée l'échangeur de chaleur, cette embase étant fixée au boîtier de manière à assurer l'étanchéité du récipient Dewar. Les conduits d'alimentation et d'évacuation peuvent être formés par des perçages dans l'embase. Quant à la soupape, elle se présente par exemple sous la forme d'une vis accessible depuis l'extérieur de l'embase. Suivant un mode de réalisation, la vis présente une pointe conique qui, dans la position de fermeture de la vis, coopère de manière étanche avec une portée tronconique formée sur un bord de l'ouverture secondaire. Plus précisément, l'embase peut comprendre: un alésage qui s'étend au droit de l'ouverture secondaire et dans lequel est montée la vis, un conduit de mise à l'air qui débouche dans ledit alésage, le conduit de mise à l'air et le conduit d'évacuation étant mis en communication via l'ouverture secondaire lorsque la vis est dans sa position d'ouverture. En outre, suivant un mode de réalisation, l'opercule n'est pas directement intégré à l'embase, mais à un manchon rapporté, fixé de manière étanche sur l'embase. Suivant un second aspect, l'invention propose un autodirecteur équipé d'un appareil de refroidissement cryogénique tel que décrit ci-dessus, et, suivant un troisième aspect, un projectile autoguidé, tel qu'un missile, comprenant un autodirecteur équipé d'un appareil de refroidissement cryogénique tel que décrit ci-dessus. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe partielle d'un projectile équipé d'un autodirecteur muni d'un appareil de refroidissement cryogénique; - la figure 2 est une vue schématique en coupe montrant un autodirecteur pour un projectile tel que représenté sur la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective de côté montrant un refroidisseur d'un appareil de refroidissement cryogénique pour un projectile tel que représenté sur la figure 1; - la figure 4 est une vue en perspective d'élévation en coupe partielle de côté montrant le refroidisseur de la figure 3; - la figure 5 est une vue en perspective de dessous montrant le refroidisseur de la figure 4; - la figure 6 est une vue en plan montrant un opercule ruptible pour un refroidisseur tel que représenté sur les figures 3 à 5, et - la figure 7 est une vue analogue à la figure 6, suivant une variante de réalisation. Sur la figure 1 est représenté un projectile 1 (en l'occurrence un missile) autoguidé, et équipé à cet effet d'un autodirecteur 2 optique comprenant une unité de traitement de données 3 en provenance d'un capteur infrarouge 4, ainsi qu'un appareil de refroidissement cryogénique 5 dans lequel est monté ce capteur 4. Cet appareil 5, représenté schématiquement sur la figure 2, comprend un boîtier 6 muni d'une enveloppe externe 7 qui définit une enceinte 8 dans laquelle règne un vide partiel (10-6 mbar environ). Ce vide est réalisé par pompage via un queusot 9 fixé à demeure sur le boîtier 6 au travers de l'enveloppe 7, et dont une extrémité externe 10 est écrasée et scellée à la fin du pompage. Comme cela est visible sur la figure 2, le boîtier 6 présente une fenêtre 11 réalisé dans un matériau transmettant l'infrarouge (il peut notamment s'agir de germanium ou de saphir). Le boîtier 6 définit un récipient Dewar 12 sous forme d'un tube creux débouchant, à une extrémité amont, par une ouverture 13 et fermé, à une extrémité aval, par une paroi terminale 14 située au droit de la fenêtre 11 et présentant une face externe 15, tournée vers l'enceinte 8, et plus précisément vers la fenêtre 11, et une face interne 16 opposée, tournée vers une cavité intérieure 17 du récipient, isolée de l'enceinte 8. Le capteur infrarouge 4 est monté sur la paroi terminale 14 du récipient, du côté de sa face externe 15, de manière à pouvoir être frappé par le rayonnement infrarouge traversant la fenêtre 11. Comme cela est visible sur la figure 2, le capteur 4 est relié à une carte de circuit intégré 18 (dite carte de proximité), montée à l'extérieur du boîtier 6, par l'intermédiaire de pattes de connexion 19 traversant l'enveloppe 7 par des passages étanches 20 garnis de verre. Le vide partiel régnant dans l'enceinte 8 est l'une des conditions nécessaires au fonctionnement du capteur. Une autre condition est son maintien à une température extrêmement basse, de l'ordre de 77 K. A cet effet, l'appareil 5 comporte un refroidisseur Joule Thomson 21, qui comprend un échangeur de chaleur 22 tubulaire logé dans la cavité 17 du récipient Dewar 12, ainsi qu'une embase 23 sur laquelle est monté l'échangeur de chaleur 22 et qui est fixée au boîtier 6 par l'intermédiaire de vis (non représentées) traversant des trous de fixation 24 dans l'embase 23 et venant se prendre dans l'enveloppe 7. Un joint d'étanchéité, disposé dans une rainure circulaire 25 pratiquée dans l'embase 23, est interposé entre celle-ci et le boîtier 6, de manière à assurer l'étanchéité de la cavité 17 vis-à-vis de l'atmosphère dans laquelle baigne l'appareil 5. L'échangeur de chaleur 22 comprend un tube 26 creux, dans lequel peut circuler un fluide frigorigène sous forme gazeuse, de l'amont vers l'aval. Ce tube 26 est muni d'ailettes destinées à augmenter l'échange thermique; il est enroulé en hélice sur un mandrin 27 s'étendant en saillie depuis l'embase 23. A une extrémité aval, située à proximité de la face interne 16 de la paroi 14, l'échangeur 22 est muni d'une buse 28 de détente Joule Thomson par laquelle le fluide frigorigène, sous forme gazeuse, s'échappe du tube 26, se détend sous une forme liquide + gaz en refroidissant la paroi 14 et s'écoule ensuite de l'aval vers l'amont sous forme gazeuse dans la cavité 17 du récipient Dewar 12. Il se produit un échange thermique entre le fluide circulant dans le tube 26, sous forme gazeuse, et le fluide circulant dans la cavité 17, sous forme mixte, ce dernier assurant le refroidissement de la forme gazeuse et permettant ainsi l'autorégulation de l'échangeur 22. Ce phénomène est bien connu de l'homme du métier; il est suffisamment décrit dans l'art antérieur et il n'apparaît donc pas nécessaire de le décrire ici plus en détail. Au besoin, l'on pourra notamment se reporter au document FR 2 665 753. Le refroidisseur 21 comporte un conduit 29 d'alimentation de l'échangeur 22 en fluide frigorigène sous forme gazeuse, ce conduit 29 se présentant sous la forme d'un perçage radial dans l'embase 23, qui débouche, d'une part, sur une surface externe de l'embase 23, par une entrée 30 sur laquelle est branchée une tubulure 31 de raccordement de l'échangeur 22 à une bombonne 32 embarquée de stockage du fluide sous forme gazeuse, éventuellement par l'intermédiaire d'un régulateur 33 (comme illustré sur la figure 1), et d'autre part, sur une surface externe du mandrin 27, à l'embranchement du tube 26. Le refroidisseur 21 comporte en outre un conduit 34 d'évacuation du fluide frigorigène sous forme gazeuse, ce conduit 34 se présentant sous la forme d'un perçage communiquant avec la cavité 17 du récipient Dewar 12 par une rangée de canaux 35 percés dans l'embase 23 et débouchant au pied du mandrin 27. Le conduit d'évacuation 34 présente deux ouvertures de mise à l'air libre, par lequel le fluide frigorigène sous forme gazeuse peut s'évacuer (sous des conditions que nous verrons ci-après), à savoir une ouverture primaire 36, axiale, et une ouverture secondaire 37, latérale. Comme cela est visible sur la figure 4, le refroidisseur 21 comporte: un opercule 38 ruptible obturant l'ouverture primaire 36 de mise à l'air, et une soupape 39 mobile entre une position de fermeture dans laquelle elle obture l'ouverture secondaire 37 de mise à l'air (figure 4), et une position d'ouverture dans laquelle elle libère l'ouverture secondaire 37. Lors du stockage du missile 1, c'est-à-dire en l'absence d'écoulement de fluide frigorigène dans le refroidisseur 21, l'opercule 38, intact, assure l'étanchéité de l'ouverture primaire 36, évitant ainsi que de l'air humide n'entre par cette ouverture 36 dans le conduit d'évacuation 34 et qu'au moment de la mise en route de l'appareil 5, lors du lancement du missile 1, des cristaux de glace, formés par sublimation de la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère, ne viennent se déposer sur la buse, entravant ainsi la circulation du fluide frigorigène. Par contre, lors du lancement du missile 1, l'écoulement du fluide frigorigène sous forme gazeuse en provenance du récipient Dewar 12 s'échappe par le conduit d'évacuation 34 et l'on parvient en un instant à une surpression de gaz provoquant la rupture de l'opercule 38. Comme cela est visible sur la figure 4, l'opercule 38 est bombé. Plus précisément, l'opercule 38, qui se présente sous la forme d'un disque mince en titane, matériau relativement léger, insensible à la corrosion et aux variations de température et d'hygrométrie (en comparaison de l'acier notamment), présente une face interne 40 convexe, tournée vers l'embase 23 (c'est-à-dire vers l'intérieur du conduit d'évacuation 34), et une face externe 41 opposée, concave, tournée à l'opposé de l'embase 23 (c'est-à-dire en direction de l'ouverture primaire 36). Afin de favoriser sa rupture tout en évitant sa fragmentation, et comme cela est représenté sur les figures 6 et 7, l'opercule 38 est muni d'une prédécoupe 42 formée par gravure sur sa face externe 41, soit, par exemple, en forme de croix (figure 6), soit, en variante, en forme de boucle (figure 7). Ainsi, la surpression de gaz du côté de la face interne 40 provoque simultanément (dans l'espace d'une 35 fraction de seconde) le retournement de l'opercule 38, c'est-à-dire l'inversion de sa convexité, et son éclatement, c'est-à-dire sa rupture le long de sa prédécoupe 42, vers une configuration stable et irréversible dans laquelle l'opercule 38 ouvre un passage (de forme pétaloïde dans le cas d'une prédécoupe 42 en croix, ou de forme circulaire dans le cas d'une prédécoupe 42 en forme de boucle) pour le fluide frigorigène sous forme gazeuse, qui peut alors librement s'échapper par l'ouverture primaire 36. Comme cela est illustré sur la figure 4, l'opercule n'est ici pas directement monté sur l'embase 23; il est en effet intégré à un manchon 43 rapporté fixé de manière étanche à l'embase 23, ce manchon 43 étant muni d'un perçage central 44 formant une partie du conduit d'évacuation 34 jusqu'à un lamage 45 délimitant l'ouverture primaire 36. Le manchon 43 est ici vissé sur l'embase 23 avec interposition d'un joint torique inséré dans une rainure 46 circulaire pratiquée dans celle-ci; comme cela est visible sur la figure 5, le manchon 43 comporte une tête 47 en forme d'écrou pour faciliter son vissage sur l'embase 23. L'intégration de l'opercule 38 dans le manchon 43 est réalisée par prise en sandwich et soudure d'un bord annulaire 48 de l'opercule 38 entre deux éléments 43a, 43b en acier dont l'assemblage constitue le manchon 43. Par ailleurs, en l'absence d'écoulement du fluide frigorigène, la soupape 39 est maintenue dans sa position de fermeture, dans laquelle elle assure l'obturation étanche de l'ouverture secondaire 37. Suivant un mode de réalisation illustré sur la figure 4, la soupape 39 se présente sous la forme d'une vis accessible de l'extérieur de l'embase 23. Plus précisément, l'embase 23 est percée d'un alésage 49 qui s'étend radialement depuis une surface extérieure de l'embase 23 jusqu'à l'ouverture secondaire 37. L'embase 23 est en outre percée d'un conduit 50 oblique de mise à l'air qui débouche dans l'alésage 49 au voisinage immédiat de l'ouverture secondaire 37. La vis 39, reçue dans l'alésage 49 et qui est en prise hélicoïdale avec une portion filetée 51 de celui-ci, présente une pointe 52 conique qui, dans la position de fermeture de la vis 39, coopère de manière étanche avec une portée 53 tronconique formée sur un bord externe de l'ouverture secondaire 37. A l'opposé de cette pointe conique 52, la vis 39 présente une tête 54 munie d'une empreinte dans laquelle vient se prendre un tournevis (non représenté), introduit dans l'alésage 49 par un trou 55 accessible non seulement depuis l'extérieur de l'appareil 5, mais également depuis l'extérieur du missile 1 au travers d'une peau 56 de celui-ci. Dans la position d'ouverture de la vis 39, sa pointe conique 52 est écartée de la portée tronconique 53, le conduit d'évacuation 34 se trouvant ainsi mis en communication avec le conduit 50 de mise à l'air via l'ouverture secondaire 37. Cette position de la vis 39 est adoptée lors d'une opération de maintenance visant à tester le bon fonctionnement de l'appareil 5 durant le stockage du missile 1. Au cours de cette opération, on place la vis 39, au moyen d'un tournevis suffisamment long, dans sa position d'ouverture. Puis on alimente l'appareil 5 en fluide frigorigène. L'opercule 38 obturant l'ouverture primaire 36, le fluide frigorigène sous forme gazeuse ne peut que s'échapper via l'ouverture secondaire 37, par le conduit 50 de mise à l'air. L'appareil 5 qui vient d'être décrit permet donc d'assurer un refroidissement normal du capteur 4 même dans 35 un environnement humide, résultant d'une absence d'étanchéité du missile 1. 1l n'entraîne en outre aucune limitation de la durée de vie de celui-ci, y compris lorsque son stockage dure plusieurs années. Il est à noter que, au cours du vol du missile 1, la peau 56 de celui-ci n'étant pas étanche, le gaz s'échappe librement vers l'atmosphère. REVENDICATIONS 1. Appareil (5) de refroidissement cryogénique pour 5 un autodirecteur (2) de projectile (1) autoguidé, qui comporte: un boîtier (6) définissant un récipient Dewar (12) fermé à une extrémité aval par une paroi (14) sur laquelle est monté un capteur (4) ; - un refroidisseur Joule Thomson (21) comprenant un échangeur de chaleur (22) logé de manière étanche dans le récipient Dewar (12), un conduit (29) d'alimentation de l'échangeur de chaleur (22) en fluide frigorigène, un conduit (34) d'évacuation dudit fluide sous forme gazeuse, cet appareil (5) étant caractérisé en ce que le conduit d'évacuation (34) présente une ouverture primaire (36) de mise à l'air libre et une ouverture secondaire (37) de mise à l'air, et en ce que le refroidisseur Joule Thomson (21) comporte: - un opercule (38) ruptible obturant l'ouverture primaire (36) de mise à l'air, une soupape (39) mobile entre une position de fermeture dans laquelle elle obture l'ouverture secondaire 37) de mise à l'air, et une position d'ouverture dans laquelle elle libère l'ouverture secondaire (37). 2. Appareil (5) de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel l'opercule est bombé. 3. Appareil (5) de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'opercule (38) présente une prédécoupe (42) propre à rompre sous l'effet d'une surpression du côté d'une face interne (40) de celui-ci. 4. Appareil (5) de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'opercule (38) est réalisé en titane. 5. Appareil (5) de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le refroidisseur Joule Thomson (21) comprend une embase (23) sur laquelle est monté l'échangeur de chaleur (22), cette embase (23) étant fixée au boîtier (6) de manière à assurer l'étanchéité du récipient Dewar (12). 6. Appareil (5) de refroidissement selon la revendication 5, dans lequel les conduits d'alimentation (29) et d'évacuation (34) sont formés par des perçages dans l'embase (23). 7. Appareil (5) de refroidissement selon la revendication 6, dans lequel ladite soupape (39) se présente sous la forme d'une vis accessible depuis l'extérieur de l'embase (23). 8. Appareil (5) de refroidissement selon la revendication 7, dans lequel la vis (39) présente une pointe (52) conique qui, dans la position de fermeture de la vis (39), coopère de manière étanche avec une portée (53) tronconique formée sur un bord de l'ouverture secondaire (37). 9. Appareil (5) de refroidissement selon la 25 revendication 7 ou 8, dans lequel l'embase (23) comprend: un alésage (49) qui s'étend au droit de l'ouverture secondaire (37) et dans lequel est montée la vis (39) , un conduit (50) de mise à l'air qui débouche dans ledit alésage (49), le conduit (50) de mise à l'air et le conduit d'évacuation (34) étant mis en communication via l'ouverture secondaire (37) lorsque la vis (39) est dans sa position d'ouverture. 10. Appareil (5) de refroidissement selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel l'opercule (38) est 35 intégré à un manchon (43) rapporté, fixé sur l'embase (23). 11. Autodirecteur (2) équipé d'un appareil (5) de refroidissement cryogénique selon l'une des revendications 1 à 9. 12. Projectile (1) autoguidé comprenant un autodirecteur (2) équipé d'un appareil (5) de refroidissement cryogénique selon l'une des revendications 1 à 9.