Brevet FR2876438A1 — publié le 20060414

ARTICLE D'ISOLATION CRYOGENIQUE, PROCEDE DE MISE EN UVRE ET UTILISATION D'UN TEL ARTICLE D'ISOLATION, ET LANCEUR EQUIPE D'UN TEL ARTICLE D'ISOLATION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine technique de l'isolation cryogénique. La présente invention vise un article d'isolation cryogénique, ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre d'un tel article d'isolation cryogénique. Elle vise également une utilisation d'un tel article d'isolation cryogénique pour l'isolation cryogénique d'équipements ou de structures de véhicules ou d'engins spatiaux ou aéronautiques, tels que des réservoirs à paroi mince dans lesquels se trouvent des ergols, tels que de l'hydrogène ou de l'oxygène, qui doivent être maintenus en phase liquide en minimisant les pertes thermiques. Elle vise enfin un lanceur équipé d'un tel article d'isolation cryogénique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine des véhicules ou des engins spatiaux ou aéronautiques, il est nécessaire de prévoir une protection thermique de certaines structures ou certains équipements du véhicule ou de l'engin. Par exemple, lorsqu'il s'agit d'un lanceur, celui-ci est soumis à des conditions extérieures qui varient en fonction de la phase de la mission qu'il remplit. Classiquement, le:Lanceur connaît une phase d'attente au sol, une phase de vol entre le sol et l'altitude de lancement, et une phase balistique. En phase d'attente au sol, le lanceur est soumis à des charges thermiques qui comprennent: - des échanges par rayonnement: de ses parois externes avec le sol et avec l'atmosphère, sous forme d'émission infrarouge, l'éclairement solaire, sous forme de rayonnement direct, ou de rayonnement diffusé par l'atmosphère, ou de rayonnement réfléchi par le sol, - des échanges par convection avec l'air ambiant. En phase de vol, le lanceur est soumis aux 15 flux aérothermiques lors de la traversée de l'atmosphère. En phase balistique, le lanceur est soumis à des flux de rayonnement spatiaux, tels que le rayonnement de la terre, le rayonnement du soleil, l'albédo. Afin de limiter l'effet de ces différentes sources de charges thermiques externes au lanceur, les réservoirs d'un lanceur sont thermiquement isolés sur leurs parois extérieures. Ces réservoirs sont classiquement des structures cryogéniques à paroi mince. Il existe différents types d'articles d'isolation pour de tels réservoirs. Ces articles procurent généralement des solutions hybrides, qui permettent de répondre aux besoins spécifiques de chacune des phases de la mission d'un lanceur, sans pénaliser de façon exagérée sa masse totale. A cet effet, on rencontre souvent des articles d'isolation cryogénique utilisant des matériaux d'isolation ayant une faible densité et une résistance thermique élevée. Comme cela a été indiqué précédemment, l'efficacité thermique des articles d'isolation cryogénique est liée à leur capacité à limiter les flux de chaleur entrants. L'efficacité thermique des articles d'isolation est aussi liée à la pénétration de gaz condensables. Il est donc nécessaire qu'ils soient capables d'exclure les gaz condensables comme l'air humide. En effet, lors du lancement, l'air et l'humidité piégés dans le matériau isolant induisent un risque de condensation et de gel qui peut occasionner des dommages à l'article d'isolation. Plus précisément, lors du remplissage des réservoirs, les gaz situés aux abords d'une paroi froide se condensent, ce qui génère un gradient de température dans l'épaisseur du matériau isolant et augmente la conductivité thermique de l'article d'isolation. Lors de la montée en atmosphère du lanceur, des augmentations locales de pression peuvent alors survenir dans le matériau isolant. Lorsque cette pression devient supérieure à la limite élastique du matériau, il se produit une spallation, c'est-à-dire un gonflement, puis un éclatement, au niveau des cellules constitutives du matériau isolant. C'est ce que l'on appelle le oryopompage de l'air. Afin de réduire ce phénomène de cryopompage, il est classique d'utiliser des articles d'isolation cryogénique réalisés à partir de mousses rigides à cellules fermées. Ce sont par exemple des mousses en polychlorure de vinyle, des mousses en polyuréthanne chargées ou non de verre, des mousses en polyisocyanurate, ou des mousses phénoliques. On rencontre également des articles d'isolation réalisés à partir de mousses polystyréniques, bien que de telles mousses soient plus rarement utilisées dans le domaine de l'isolation cryogénique, car leurs propriétés thermiques sont moindres et car elles sont très perméables à la vapeur d'eau. Il a été constaté que les mousses en polyuréthanne à cellules fermées ne sont pas suffisamment imperméables aux gaz, ce qui entraîne une dégradation de leurs performances thermiques avec le temps. L'efficacité thermique des articles d'isolation est également liée aux caractéristiques mécaniques de ces articles d'isolation, qui doivent être capables d'autoriser des mouvements de la peau du réservoir et de supporter les charges d'accélération exercées sur le lanceur. Il est donc nécessaire de pouvoir contrôler l'application de ces articles d'isolation sur les parois des réservoirs, de manière fiable, prévisible, et reproductible. Dans la technique antérieure, on rencontre deux procédés d'installation d'un tel article d'isolation cryogénique sur un réservoir cryogénique à parois minces. Un premier procédé connu consiste à projeter directement sur la face extérieure des parois du réservoir le matériau isolant. Il est à noter que, plus la masse de la mousse est élevée, et plus les charges d'accélération exercées sur le lanceur peuvent provoquer des défauts d'adhérence, et par suite à une isolation moindre. Afin de minimiser cet inconvénient, il est nécessaire que l'adhérence de l'article d'isolation cryogénique soit supérieure à la limite de rupture de la mousse utilisée. Ceci est d'autant plus vrai que la mousse utilisée est une mousse ayant une faible tenue à la traction. Un deuxième procédé connu consiste à coller contre la face extérieure des parois du réservoir des panneaux réalisés à base de matériau isolant, ces panneaux étant réalisés par exemple à l'aide de moules ou de formes. Par ailleurs, il est quelquefois souhaitable que l'article d'isolation soit capable de résister à des températures élevées, en des emplacements particuliers, comme par exemple des zones de protubérances qui sont: soumises à des flux aérothermiques importants, e-: donc à des températures qui s'avèrent ponctuellement élevées. Les mousses rigides à cellules fermées sont généralement capables de résister à des températures allant jusqu'à environ 100 C. Il est donc généralement connu de protéger l'article d'isolation au moyen d'un article d'isolation supplémentaire, appelé isolation chaude , qui est capable de résister à des températures élevées. Les mousses phénoliques sont quant à elles capables de résister à des température allant jusqu'à environ 160 C, mais présentent l'inconvénient d'être relativement cassantes, ce qui ne permet pas de les utiliser pour toutes les applications souhaitées. Compte tenu de ce qui précède, il s'avère donc que l'utilisation d'un article d'isolation cryogénique réalisé à partir des mousses rigides à cellules fermées connues dans la technique antérieure présente un certain nombre d'inconvénients. Le besoin existe donc de disposer d'un article d'isolation cryogénique alternatif qui permette de surmonter ces inconvénients. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention va être décrite dans le cas de l'isolation d'un réservoir cryogénique d'un engin spatial. Un tel réservoir est une structure à parois minces, ayant une surface métallique et une température de surface froide par rapport à la température ambiante. Selon un premier aspect, l'invention concerne un article d'isolation cryogénique, caractérisé en ce qu'il es' réalisé à partir d'une mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide (PEI). Un exemple d'une telle mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide est connu sous la dénomination R82 disponible auprès de la Société AIREX. De préférence, la mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide présente une masse volumique allant sensiblement de 55 kg/m3 à 65 kg/m3, par exemple de l'ordre de 60 kg/m3. Cette masse volumique relativement faible permet avantageusement d.e pouvoir utiliser un tel article d'isolation dans le domaine spatial. Une telle valeur de masse volumique confère à la mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide une bonne tenue en température. Elle peut supporter une température sensiblement de l'ordre de 180 C, supérieure à celle que peuvent supporter les mousses rigides à cellules fermées de la technique antérieure. La mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide se dégrade donc moins vite à température élevée que les mousses rigides à cellules fermées de la technique antérieure. Cela permet avantageusement de supprimer l'ajout d'articles d'isolation supplémentaires, appelés isolations chaudes sur certaines zones de concentration de flux aérothermiques, telles que des zones de protubérances. La mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide présente sensiblement une contraction thermique de 0,7% à 20 K, qui est inférieure à celles des mousses rigides à cellules fermées de la technique antérieure: contraction thermique de 1% à 20 K pour la mousse rigide à cellules fermées en polychlorure de vinyle, et contraction thermique de 1, 2% à 20 K pour la mousse rigide à cellules fermées en polyuréthanne. Cette propriété de faible contraction thermique présente l'avantage qu'il n'est pas nécessaire d'augmenter les propriétés de résistance mécanique de l'article d'isolation, comme c'est le cas avec des matériaux de la technique antérieure comme le polyuréthanne, par exemple en augmentant son épaisseur ou en ajoutant des fibres de verre. De manière préférée, la mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide présente une résistance à la traction allant sensiblement de 1,5 MPa à 2 MPa, par exemple de l'ordre de 1,7 MPa. En comparaison, les mousses rigides à cellules fermées en polyuréthanne présentent une résistance à la traction allant généralement de 0,5 à 0,8 MPa, et les mousses rigides à cellules fermées en polychlorure de vinyle présentent une résistance à la traction allant généralement de 0,8 à 1,0 MPa. Cette propriété de bonne résistance à la traction procure l'avantage que l'article d'isolation cryogénique peut recevoir des équipements qui sont directement collés sur lui. Il est ainsi possible d'éviter des systèmes de fixation mécanique de ces équipements sur l'article d'isolation cryogénique. Il en résulte un gain de masse et une fixation moins onéreuse, car cela permet de supprimer le taraudage de pièces qui serait nécessaire à une fixation mécanique de ces équipements. Il en résulte également une isolation améliorée, car l'absence de visserie traversant la mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide permet d'éviter les ponts thermiques. Par suite, les risques de cryopompage de l'air sont évités. Cette propriété de bonne résistance à la traction procure également à l'article d'isolation cryogénique de l'invention l'avantage de pouvoir être fixé par collage sur la structure. De préférence, l'article d'isolation comporte au moins un panneau de mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide réalisé par moulage. Un tel panneau présente par exemple une épaisseur allant de 15 mm à 20 mm. En outre, il est possible de préformer le panneau, de telle manière qu'il présente une section courbée, avec un rayon de courbure correspondant au rayon de courbure de la surface qui le reçoit, le cas échéant. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de mise en uvre d'un article d'isolation cryogénique selon le premier aspect, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes: - une étape de préparation de la surface sur laquelle doit être appliqué l'article d'isolation cryogénique, une étape de protection au cours de laquelle on applique sur la surface ainsi préparée un 20 primaire d'accrochage, une étape de fixation au cours de laquelle on colle ledit article d'isolation cryogénique, se présentant sous la forme d'au moins un ou plusieurs panneau réalisé à partir d'une mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide, à l'aide d'un tissu de verre imprégné d'un matériau adhésif. L'étape de préparation a pour objet de donner à la surface une tension superficielle suffisante pour assurer une adhérence optimale d'un primaire d'accrochage. Cette préparation peut prendre différentes formes bien connues de l'homme du métier. Par exemple, elle comporte une opération de dégraissement alcalin et une opération de décapage sulfochromique lorsque la surface est une surface en alliage d'aluminium. Puis elle comporte une opération de rinçage à l'eau déminéralisée ou une opération d'émerisage à l'aide d'un papier abrasif de grade fin, ou encore une opération de sablage au corindon de faible granulométrie. Il est souhaitable que la durée entre l'étape de préparation et l'étape de protection soit aussi courte que possible. De préférence, cette durée est sensiblement inférieure à 8 heures. L'étape de protection consiste à appliquer par projection un primaire d'accrochage sur la surface préalablement préparée. Cette étape de protection a pour objet d'améliorer l'adhérence du matériau adhésif utilisé ensuite pour fixer l'article d'isolation, et de protéger la surface sur laquelle doit être appliqué l'article d'isolation cryogénique. De préférence, le primaire d'accrochage est une résine époxy. Un tel matériau présente l'avantage de conserver ses propriétés physiques jusqu'à une température d'environ -253,15 C (20 K). Par exemple, une telle résine époxy peut est un matériau référencé PZ 820/HZ820 disponible auprès de la société SODIEMA. Il est souhaitable d'éviter que la surface qui vient d'être protégée ne soit polluée. A cet effet, la durée entre l'étape de protection et l'étape de fixation est de préférence allant sensiblement de 36 heures après la fin de la projection du primaire d'accrochage à 30 jours après la polymérisation du primaire d'accrochage. De manière avantageuse, le primaire d'accrochage forme un film ayant une épaisseur allant sensiblement de 10 micromètres à 50 micromètres. De manière encore plus avantageuse, son épaisseur est sensiblement égale à 20 micromètres. Au cours de l'étape de fixation, on colle sur la surface, qui a été préalablement préparée et revêtue d'un primaire d'accrochage, l'article d'isolation réalisé à partir de mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide, se présentant sous la forme d'un ou de plusieurs panneau(x). Le collage est effectué au moyen d'un matériau adhésif. Le matériau adhésif doit être apte à supporter les températures cryogéniques sans perdre son intégrité, et doit, en outre, être chimiquement compatible avec les matériaux dont il assure le collage. De préférence, le matériau adhésif est une colle de la famille des époxydes, comme par exemple de la colle disponible sous la référence AY103/HY953F auprès de la société VANTICO, et plus connue sous la dénomination ARALDITE (marque déposée). De préférence, le matériau adhésif est appliqué au moyen d'un tissu de verre qui en est imprégné, et qui est appliqué directement sur la surface. Lorsqu'il s'agit de la surface d'un réservoir d'engin spatial ou aéronautique, le tissu de verre imprégné de matériau adhésif est bobiné autour de ce réservoir, en une ou plusieurs couches. De préférence, le tissu de verre présente une densité de masse surfacique allant sensiblement de 30 g/m2 à 40 g/m2. De manière préférée, la couche de matériau adhésif déposée présente une densité de masse surfacique allant sensiblement de 150 g/m2 à 200 g/m2. De manière plus préférée, cette densité de masse surfacique est sensiblement de 150 à 170 g/m2. De manière préférée, le matériau adhésif présente une résistance au cisaillement de l'ordre de 3 MPa à -253,15 C (20 K). A titre illustratif, cela signifie qu'un panneau de l'article d'isolation cryogénique selon l'invention, qui serait collé sur une surface d'une structure cryogénique sur une surface de collage de 10 cm2, pourrait résister à un effort à l'arrachement d'environ 1300 N. De préférence, l'étape de fixation comporte une opération de maintien au cours de laquelle on maintient ledit panneau au moyen d'un sac à vide, à une pression de maintien donnée et pendant une durée de maintien donnée. L'article d'isolation cryogénique comporte généralement plusieurs panneaux. Les panneaux sont appliqués sur la surface de la structure en laissant de préférence un jeu de l'ordre de 1 millimètre entre deux panneaux adjacents. Puis ils sont maintenus au moyen d'un sac à vide, avec une pression de maintien et pendant une durée de maintien nécessaires à la polymérisation du matériau adhésif, par exemple 0,7 bars et environ 36 heures pour de l' ARALDITE . Le sac à vide est ensuite déposé, ce qui permet de vérifier que les panneaux ont été collés correctement, et notamment de vérifier la présence de matériau adhésif au niveau des joints qui séparent deux panneaux adjacents. En effet, si un joint séparant deux panneaux adjacents ne présente pas ou pas suffisamment de colle, il peut se produire un phénomène de cryopompage de l'air au moment de la mise à froid de la structure, ce qui pourrait conduire à un endommagement de l'article d'isolation cryogénique. L'article d'isolation cryogénique selon l'invention peut avantageusement être utilisé pour l'isolation d'une structure à parois minces d'un engin spatial ou aéronautique. L'article d'isolation cryogénique qui vient d'être décrit, réalisé à partir d'une mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide, présente un certain nombre d'avantages par rapport à ceux de la technique antérieure, qui sont réalisés à partir d'autres mousses rigides à cellules fermées. Lorsqu'il est appliqué sur une structure à parois minces telle qu'un réservoir cryogénique de lanceur, l'article d'isolation selon l'invention autorise les mouvements de la peau de cette structure qui sont dus aux efforts hyperstatiques, tels que les contractions thermiques et la pressurisation du réservoir, pendant la phase de remplissage des réservoirs au sol, ou qui sont dus aux efforts généraux supportés par le lanceur en vol. La mousse rigide à cellule fermée en polyétherimide possède une excellente résistance à l'impact, et également une résistance élevée au pelage, ce qui est indispensable si les panneaux de l'article d'isolation cryogénique sont appliqués sur une structure chargée dynamiquement. Le fait que la mousse rigide à cellules fermée en polyétherimide possède une bonne tenue en température par rapport aux mousses rigides à cellules fermées de la technique antérieure a pour avantage que, lorsqu'elle est soumise à un pic de flux aérothermique, la surface de la mousse à cellules fermées en polyétherimide se carbonise moins vite, et sur une moindre épaisseur. Il en résulte que les modifications des caractéristiques physiques de la mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide ne sont pas critiques et autorisent la poursuite de la mission du lanceur, ce qui pourrait ne pas être le cas avec des mousses rigides à cellules fermées de la technique antérieure. Enfin, l'article d'isolation cryogénique réalisé à partir de mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide est peu affecté, ou n'est pas affecté, par l'absorption d'eau et d'humidité. Il réduit ainsi le risque de voir sa résistance et de sa rigidité à la compression diminuer avec le temps. Selon un troisième aspect, l'invention concerne également un lanceur équipé d'au moins un article d'isolation cryogénique selon le premier aspect. Selon un quatrième aspect, l'invention concerne également une utilisation d'un article d'isolation cryogénique selon le premier aspect, pour l'isolation d'une structure à parois minces d'un engin spatial ou aéronautique. REVENDICATIONS 1. Article d'isolation cryogénique, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'une 5 mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide. 2. Article d'isolation cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide présente une masse volumique allant sensiblement de 55 kg/m3 à 65 kg/m3. 3. Article d'isolation cryogénique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide présente une masse volumique de l'ordre de 60 kg/m3. 4. Article d'isolation cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide présente une résistance à la traction allant sensiblement de 1,5 MPa à 2 MPa. 5. Article d'isolation cryogénique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide présente une résistance à la traction de l'ordre de 1,7 MPa. 6. Article d'isolation cryogénique selon 30 l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite mousse rigide à cellules fermées en SP 24683 VD 2876438 $ polyétherimide présente sensiblement une contraction thermique de 0,7% à 20K. 7. Article d'isolation cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un panneau de mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide réalisé par moulage. 8. Article d'isolation cryogénique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit panneau présente une épaisseur allant de 15 mm à 20 mm. 9. Article d'isolation cryogénique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit panneau est préformé de manière à présenter une section courbée. 10. Procédé de mise en oeuvre d'un article d'isolation cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes. - une étape de préparation de la surface sur laquelle doit être appliqué l'article d'isolation cryogénique, - une étape de protection au cours de laquelle on applique sur la surface ainsi préparée un primaire d'accrochage, - une étape de fixation au cours de laquelle on colle ledit article d'isolation cryogénique, se présentant sous la forme d'au moins un panneau réalisé à partir d'une mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide, à l'aide d'un tissu de verre imprégné d'un matériau adhésif. 11. Procédé de mise en oeuvre selon la revendication 10, caractérisé en ce que la durée entre l'étape de préparation et l'étape de protection est sensiblement inférieure à 8 heures. 12. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisé en ce que la durée entre l'étape de protection et l'étape de fixation est sensiblement comprise entre 36 heures après la fin de la projection du primaire d'accrochage et 30 jours après la pclymérisation du primaire d'accrochage. 13. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le primaire d'accrochage est une résine époxy. 14. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le primaire d'accrochage forme un film ayant une épaisseur allant sensiblement de 10 micromètres à 50 micromètres. 15. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que le primaire d'accrochage forme un film ayant une épaisseur sensiblement égale à 20 micromètres. SP 4683 VD 16. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que le matériau adhésif est une colle de la famille des époxydes. 17. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce que le matériau adhésif est déposé en une couche qui présente une densité de masse surfacique allant sensiblement de 150 g/m2 à 200 g/m2. 18. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 17, caractérisé en ce que le matériau adhésif est déposé en une couche qui présente une densité de masse surfacique allant sensiblement de 150 g/m2 à 170 g/m2. 19. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 18, caractérisé en ce que le matériau adhésif présente une résistance au cisaillement de l'ordre de 3 MPa à -253,15 C (20 K). 20. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 19, caractérisé en ce que le tissu de verre présente une densité de masse surfacique allant sensiblement de 30 à 40 g/m2. 21. Procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 20, caractérisé en ce que au cours de l'étape de fixation, on colle des panneaux en laissant entre deux panneaux adjacents un jeu sensiblement de l'ordre de 1 mm. 22. Procédé de mise en uvre selon l'une quelconque des revendications 10 à 21, caractérisé en ce que l'étape de fixation comporte une opération de maintien au cours de laquelle on maintient ledit panneau au moyen d'un sac à vide, à une pression de maintien donnée et pendant une durée de maintien donnée. 23. Utilisation d'un article d'isolation cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour l'isolation d'une structure à parcis minces d'un engin spatial ou aéronautique. 24. Lanceur, caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un article d'isolation cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.