Brevet FR2936570A1 — publié le 20100402

Propulseur à combustible nano-énergétique. La présente invention concerne le domaine des propulseurs à propergols solides, notamment les propulseurs utilisés dans des systèmes 5 d'armes ou dans des lanceurs civils. Aujourd'hui, une des principales limitations à la mise au point de propulseurs plus performants réside dans les propriétés des matériaux énergétiques disponibles. En effet, actuellement, on dispose de matériaux 10 énergétiques présentant des vitesses de combustion allant de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres par seconde. L'objectif d'un propulseur étant de fournir une impulsion maximale dans un calibre donné, on va classiquement chercher à augmenter la surface de brûlage du pain énergétique au sein d'un propulseur. 15 En effet, le débit massique Dm d'un matériau présentant une vitesse de combustion Vc, une masse volumique p et une surface de brûlage S, vérifie la relation suivante : D. =V x p x S . Ce débit massique Dm est directement proportionnel à la force engendrant le déplacement du propulseur. L'impulsion est alors l'intégrale de cette force sur la durée 20 pendant laquelle elle s'exerce. Pour augmenter l'impulsion, il faut donc augmenter la surface S de brûlage du matériau énergétique. Pour augmenter la surface de brûlage du pain énergétique du propulseur, on aménage généralement un canal central au coeur du pain énergétique du propulseur ; ce canal central permet d'augmenter de façon 25 substantielle la surface de brûlage du pain énergétique, comme l'illustre la figure 1. Cependant, cette technique actuelle présente des inconvénients importants. Tout d'abord, le canal central aménagé au coeur du pain 30 énergétique rend le propulseur fragile devant des agressions extérieures accidentelles. Cette sensibilité des propulseurs, et donc potentiellement des munitions dont ils font partie, est bien connue, particulièrement vis-à-vis d'agressions dues à des impacts d� éclats lourds � ou de fragments légers. Ces agressions et les réactions associées sont modélisées et regroupées sous l'appellation � d'effet canal �. Il existe par ailleurs des normes classifiant la violence des réactions des propulseurs et des munitions à des agressions extérieures accidentelles. Un objectif primordial lors de la conception de nouveaux propulseurs est donc de minimiser le risque d'une réaction violente de ces propulseurs à une agression extérieure accidentelle. L'effet canal a tendance à augmenter la violence des réactions vis-à-vis de ces agressions, ce qui constitue un problème majeur. La faiblesse du rendement énergétique volumique en est un autre. En effet, de toute évidence, l'aménagement d'un canal central dans un propulseur, s'il permet bien d'en augmenter l'impulsion, en augmente aussi le volume par accroissement de la hauteur pour une masse de propergol donnée. Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients majeurs précités. En effet, l'apparition de nouveaux matériaux, nano-structurés, présentant simultanément une gamme de vitesses de combustion allant de 1 à 1000 fois celle des matériaux énergétiques classiques (propergols) et une gamme de densité allant de 0.5 à 10 fois celle des matériaux énergétiques usuellement utilisés rend possible la conception de propulseurs intégrant des chargements fonctionnant sans canal central et permettant d'obtenir un débit massique conforme aux spécifications requises. Ainsi, l'absence de canal central permet à la fois de supprimer de facto l'effet canal et de maximiser le rendement énergétique volumique. A cet effet l'invention a pour objet un propulseur comportant • une enveloppe équipée d'une tuyère, • un chargement de matériau énergétique constitué d'au moins un bloc de matériau énergétique, caractérisé en ce que ledit matériau énergétique présente une vitesse de combustion supérieure à environ un centimètre par seconde. Avantageusement, ledit chargement de matériau énergétique peut 5 comprendre plusieurs blocs de matériau énergétique imbriqués. Avantageusement, le matériau énergétique présente une vitesse de combustion comprise entre un centimètre par seconde et sept mètres par seconde. 1 o Avantageusement, le matériau énergétique présente une densité comprise entre un gramme par centimètre cube et treize grammes par centimètre cube. Avantageusement, le matériau énergétique est constitué de 15 matériaux nano-structurés, comme par exemple : • un composé nanométrique constitué de trioxyde de tungstène W03 et d'Aluminium Al en proportions stoechiométriques, • un composé comprenant de l'oxyde de chrome Cr203, ou un autre oxyde comme de l'oxyde de fer FeO, Fe203 ou Fe304, ou de 20 l'oxyde de manganèse MnO2, utilisé comme structurant, dopé par des nanostructures d'aluminium Al ou par des composés inertes de formule générique CxHyOzNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque. 25 Avantageusement, le mode de combustion du matériau énergétique d'un propulseur selon l'invention peut être un mode de combustion en � cigarette �. Avantageusement, l'initiation du matériau énergétique dans un 30 procédé d'initiation d'un propulseur selon l'invention est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds. Avantageusement, l'initiation du matériau énergétique dans un procédé d'initiation d'un propulseur selon l'invention est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser. 35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : • la figure 1 : le schéma d'une section d'un pain énergétique dans un propulseur de l'art connu ; • la figure 2: le schéma simplifié d'un propulseur selon l'art connu • la figure 3: le schéma simplifié d'un propulseur selon io l'invention. La figure 1 présente schématiquement le principe de maximisation de la surface de brûlage d'un pain énergétique et de mise en oeuvre d'une 15 constance de cette surface. En effet, comme cela a été expliqué précédemment, l'impulsion maximale que l'on cherche à produire, est directement proportionnelle au débit massique de matériau énergétique brûlé et donc à la surface de brûlage dudit matériau énergétique. D'autre part, l'impulsion doit respecter certains critères, en termes de stabilité notamment, 20 afin être conforme à la spécification des exigences concernant le propulseur. L'ajustement du débit massique qui en découle se fait par ajustement de la surface de brûlage. Sur la figure 1, on constate qu'à cet effet, dans l'art connu, on conçoit des pains énergétiques présentant un canal central sous une forme d'� étoile extrudée �. Ainsi, la surface de brûlage S1, devient la 25 surface de brûlage S2 d'aire égale. De même, au fur et à mesure du brûlage du matériau énergétique, la surface de brûlage devient Sn, toujours de même aire que S1 et S2 et ainsi de suite. C'est de cette façon qu'on assure généralement, dans l'état de l'art, l'impulsion maximale et le débit massique de matériau énergétique brûlé 30 constant dans les propulseurs. La figure 2 illustre de façon très schématique, un propulseur de l'art connu. Ce dernier, de forme cylindrique, présente une enveloppe 6 équipée d'une tuyère 5. Il comprend un pain énergétique 1 périphérique au 35 coeur duquel est aménagé un canal central 3. Ce pain énergétique 1 peut typiquement être constitué de propergol double-base SD 1136. Le pain énergétique 1 brûle sur une surface constante, selon le principe décrit en figure 1. Le débit massique s'échappant du cylindre énergétique via le col 4 est donc constant. Ainsi, l'impulsion générée est élevée du fait de l'importance de la surface de brûlage, et stable du fait de sa constance. Cependant, le vide du canal central 3 aménagé au centre du pain énergétique 1 induit une fragilité accrue du cylindre énergétique du propulseur notamment vis-à-vis d'impacts d� La figure 3 représente une illustration schématique du principe de l'invention. Celle-ci est rendu possible par l'apparition de matériaux énergétiques présentant des vitesses de combustion bien supérieures à 15 celles des matériaux énergétiques actuels. Ces nouveaux matériaux, que l'on appellera matériaux nano-énergétiques dans la suite de la présente demande de brevet, ne sont pas basés, comme le sont les matériaux énergétiques actuels, sur un mélange micronique d'un oxydant, du type perchlorate d'ammonium NH4CIO4, avec un premier réducteur, générateur de 20 gaz, du type � liant PBHT � (Polybutadiène), assurant par ailleurs la cohésion du mélange, et un second réducteur, générateur d'énergie, du type aluminium Al. Les matériaux nano-énergétiques sont en effet des mélanges basés sur deux réactions chimiques simultanées : 25 • Une réaction de type thermite, au cours de laquelle de l'aluminium est oxydé par l'oxyde d'un autre métal : fer ; chrome ; tungstène. Cette réaction est dite nano-structurée, les réactifs et les produits comportant des nanostructures. • Une réaction de type oxydoréduction basée sur un 30 réducteur, générateur de gaz, de formule générique CxHyozNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque, et l'oxydant de la réaction de type thermite qui se produit simultanément. Cette réaction est également nano-structurée. De tels matériaux nano-énergétiques sont mis au point et produits par l'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL), institut de recherche situé à Saint-Louis (France). On peut citer comme exemple de matériaux nano-énergétiques 5 permettant de mettre en oeuvre l'invention : • Un composé binaire constitué de trioxyde de tungstène WO3 et d'aluminium Al à l'échelle nanométrique. Ce composé se présente sous la forme de poudre. • Un composé constitué d'oxyde de chrome Cr2O3, utilisé comme structurant du mélange, dopé par : o un explosif nano-structuré, générateur de gaz, tel que de l'hexogène (également connu sous la terminologie de RDX) C3H6N6O6, des sucres (Fructose, Lactose), des celluloses ou, de façon générale, toute molécule à faible enthalpie de formation permettant de générer des produits de réaction gazeux du type monoxyde de carbone CO, oxyde d'azote NOx, vapeur d'eau H2O etc., o et un réducteur nano-structuré, tel que de l'aluminium Al. Ces matériaux nano-énergétiques présentent des vitesses de brûlage en combustion stable de l'ordre de 0.1 centimètre par seconde à 7 mètres par seconde, alors que les matériaux énergétiques actuels présentent 25 des vitesses de brûlage en combustion stable de l'ordre de quelques millimètres par seconde à quelques dizaines de millimètres par seconde. Ces mêmes matériaux nano-énergétiques sont par ailleurs capables de se densifier à des valeurs comprises entre 0.5 gramme par centimètre cube et 13 grammes par centimètre cube tandis que les 30 matériaux énergétiques actuels peuvent se densifier de 1 à 2 grammes par centimètre cube. Les matériaux nano-énergétiques conservent pourtant des propriétés mécaniques comparables, voire parfois meilleures, que les matériaux énergétiques actuels. 10 15 20 Ainsi, l'utilisation des ces matériaux nano-énergétiques dans des propulseurs permet de s'affranchir du canal central 3 obligatoire dans les propulseurs actuels nécessitant une impulsion forte et un temps de combustion très court. L'invention présente donc le double avantage de permettre une augmentation importante de l'impulsion des propulseurs à volume constant, ou réciproquement une réduction importante du volume des propulseurs, en supprimant tout risque d'effet canal et d' utiliser un matériau énergétique de ~o base n'incorporant plus nécessairement de l'explosif. REVENDICATIONS1. Propulseur comportant : • une enveloppe équipée (6) d'une tuyère (5), • un chargement de matériau énergétique (2), constitué d'au moins un bloc de matériau énergétique, caractérisé en ce que ledit matériau énergétique présente une vitesse de combustion supérieure à environ un centimètre par seconde. 2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chargement de matériau énergétique (2) comprend plusieurs blocs de matériau énergétique imbriqués. 3. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) présente une vitesse de combustion comprise entre un centimètre par seconde et sept mètres par seconde. 4. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) présente une densité comprise entre 1 gramme par centimètre cube et treize grammes par centimètre cube. 5. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) est constitué de matériau nano-structuré, comme par exemple : • un composé nanométrique constitué de trioxyde de tungstène WO3 et d'Aluminium Al en proportions stoechiométriques, • un composé comprenant de l'oxyde de chrome Cr2O3, ou un autre oxyde comme de l'oxyde de fer FeO, Fe2O3 ou Fe3O4, ou de l'oxyde de manganèse MnO2, utilisé comme structurant, dopé par des nanostructures d'aluminium Al ou par des composés inertes de formule générique CxHyOzNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque. 6. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) dudit propulseur présente un mode de combustion en � cigarette �. 7. Procédé d'initiation d'un propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique (2) est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds. 8. Procédé d'initiation d'un propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique (2) est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser.5