Brevet FR3009282A1 — publié le 20150206

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LIAISON ET DE SEPARATION LINEAIRE DE DEUX ELEMENTS, AVEC MOYENS ENERGETIQUES DECALES DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne une séparation linéaire, la plus douce possible, d'un premier élément par rapport à un second élément, qui sont au préalablement liés de façon rigide. L'invention s'applique, de préférence, aux lanceurs spatiaux, pour la séparation des étages entre eux, du lanceur et de sa coiffe ou d'un étage et de la charge utile, de missiles, de sondes spatiales, voire d'avions, dans le cas d'un largage de charge utile. Cette séparation a pour but de réduire la masse de l'ensemble embarqué, ou de larguer une charge utile. Ces applications se caractérisent par le fait qu'on a besoin de séparer des objets qui peuvent être fragiles, par exemple un satellite, et dont la liaison a eu à subir des charges mécaniques élevées, comme celles subies lors de la propulsion par un lanceur. Art antérieur et problème posé Les Figures 1A et 1B illustrent ce principe de séparation entre deux éléments 1 et 2 d'un lanceur. Le premier élément 1 est, de préférence, un élément de rang n, de préférence, un premier étage moteur. Le deuxième élément est un élément de rang n + 1, soit un deuxième élément moteur, soit une charge utile, par exemple un satellite. La séparation linéaire, dans l'axe du lanceur, doit donc être effectuée sans détérioration de la base du deuxième élément et, dans le cas où on désire récupérer le premier élément 1, sans détérioration de la surface de celui-ci, où se trouvait la liaison entre ces deux éléments 1 et 2. Dans l'état actuel de la technique, le système de liaison-séparation est principalement de quatre types, qui sont les suivants : 1°) les liaisons par boulonnerie, rivetage et découpe pyrotechnique par pression et élévation de température locale de la structure. Ces systèmes, de par leur fonctionnement, engendrent des débris de matière éjectés. De plus, la découpe provoque un choc important dans la structure, ce qui peut être dommageable pour les charges utiles du lanceur ; Le document de brevet FR 2 947 808 montre un exemple de mise en oeuvre d'une telle solution. 2°) les liaisons par boulonnerie, rivetage et découpe pyrotechnique par rupture de la structure, par l'intermédiaire de la déformation d'un élément pyrotechnique. Cette solution est la plus employée et n'engendre pas de débris, mais provoque un choc très important ; 3°) les liaisons par boulonnerie pyrotechnique et rupture ou séparation de l'écrou. Ce type de solution engendre beaucoup moins de chocs que les deux précédentes, mais nécessite plusieurs boulons pour passer les efforts d'un élément à l'autre, engendrant donc des risques plus importants de défaillances du fait du nombre de dispositifs impliqués ; 4°) les liaisons par sangle et ruptures de celle-ci par boulons pyrotechniques. Ce type de solution ne permet pas de passer de gros efforts entre les deux éléments et n'autorise pas de diamètres trop importants pour les lanceurs. Dans ce cas également, le relâchement des contraintes provoque un choc important dans les structures. De manière générale, dans l'état actuel de ces techniques, les systèmes dérivant de ces solutions de liaison-séparation ont la particularité de laisser, la plupart du temps, des aspérités sur la forme extérieure du lanceur, après la séparation. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients susmentionnés. Objets de l'invention 30 A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé de liaison et de séparation linéaire de deux éléments liés linéairement l'un à l'autre, par une liaison locale définie, et devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu par échauffement rapide et partiel de l'ensemble, au niveau ou aux alentours de la liaison, cet échauffement étant déclenché à distance. Selon l'invention, le procédé consiste : - à lier les deux éléments au niveau de deux surfaces respectives correspondantes de ces deux éléments, par des moyens de liaison placés entre deux surfaces de liaison respectives des deux éléments, une des deux surfaces de liaison étant une première surface de séparation d'une paroi de séparation présentant une deuxième surface de séparation, opposée à la première surface de séparation ; - disposer sur la deuxième surface de séparation de la paroi de séparation du matériau de type pyrogène, énergétique ou de la thermite, amorçable par une liaison électrique de commande ; - déclencher pyrotechniquement ledit matériau pour provoquer l'échauffement et la destruction des moyens de liaison. Un deuxième objet principal de l'invention est un dispositif de liaison et de séparation linéaire de deux éléments liés linéairement l'un à l'autre par une liaison locale définie et devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu au moyen d'un échauffement rapide et partiel de l'ensemble, au niveau ou aux alentours de la liaison, l'échauffement étant déclenché à distance. Selon l'invention, le dispositif comprend : - des moyens de liaison des deux éléments, ces moyens de liaison étant placés entre deux surfaces de liaison respectives des deux éléments, une des deux surfaces de liaison étant la première surface d'une paroi de séparation, qui présente une deuxième surface opposée à la première surface de séparation ; - un matériau pyrogène, énergétique ou de la thermite, placé sur la deuxième surface de séparation ; et - des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du matériau. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, les deux surfaces de liaison sont des surfaces respectives des deux éléments, la paroi de séparation étant les parois d'un des deux éléments. Dans ce cas, avantageusement, les deux surfaces de liaison sont coniques. Les moyens de liaison sont réalisés par brasage ou collage. De préférence, la paroi de séparation est celle de l'élément placé à l'extérieur de l'autre élément, le matériau étant placé dans une cavité externe de cette paroi de l'élément externe. Un troisième objet de l'invention est un lanceur aéronautique comprenant au moins un étage porteur constitué par un premier élément et un étage porté par et fixé sur l'étage porteur et constitué par un deuxième élément, le lanceur étant caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs décrits précédemment, répartis sur toute la périphérie du lanceur entre les deux étages pour les solidariser, puis les séparer. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures, représentant respectivement : - Figures lA et 1B, un schéma représentant la séparation de deux éléments d'un lanceur ; - Figure 2, en coupe, le principe du procédé selon l'invention ; - Figure 3, en coupe, une réalisation du dispositif selon l'invention ; - Figure 4, en vue cavalière, une certaine réalisation du dispositif selon l'invention ; et - Figure 5, en coupe, un détail de réalisation du dispositif selon l'invention.30 Description détaillée d'une réalisation de l'invention La Figure 2 montre un schéma du procédé et du dispositif selon l'invention, appliqué à deux éléments 1 et 2, qui sont, dans l'application préférentielle de l'invention, pour le premier élément 1, un lanceur aérospatial ou aéronautique de rang n, par exemple le premier étage d'un lanceur sur l'extrémité duquel est fixé le deuxième élément, qui est soit un deuxième lanceur de rang n+1, c'est-à-dire de préférence un deuxième étage de lanceur, soit une charge opérationnelle, par exemple contenant du matériel ou une installation à mettre sur orbite. L'extrémité avant du premier élément 1 est conique, c'est-à-dire que la paroi externe 12 de ce premier élément 1 est conique pour en faciliter la séparation, cette conicité étant optionnelle. En correspondance, l'extrémité arrière du deuxième élément 2 possède une paroi interne 22, qui est conique, de la même conicité que la paroi externe 12 du premier lanceur 1. L'interface entre ces deux surfaces, la surface externe 12 du premier lanceur 1 et la surface interne 22 du deuxième lanceur 2, comprend des moyens de liaison pour solidariser de façon ferme et fiable les éléments 1 et 2 entre eux. Ces moyens de liaison sont, de préférence, une brasure répartie sur toute la périphérie de ces deux surfaces. Ces moyens de liaison peuvent également être une colle disposée de la même manière. On précise que le ruban de brasure ou de colle est placé dans un logement de la structure supérieure, c'est-à-dire du deuxième élément 2. Pour réaliser l'immobilisation des deux éléments 1 et 2, ces derniers sont portés à la température de fusion de la brasure ou de la colle utilisées pour cet assemblage. Par exemple, si ces structures à assembler sont réalisées en titane et que la brasure choisie est un alliage d'argent, l'ensemble de la zone à assembler est portée à la température de fusion de l'alliage d'argent, soit environ 960°. Pour ce faire, on choisit plusieurs méthodes classiques, par exemple le brasage par induction, le brasage par chauffage au four, sous atmosphère neutre, ou le brasage par résistance. Pour l'assemblage concerné par la présente invention, on note que le brasage par induction, ou le brasage par résistance sont plus adaptés pour les grands volumes. Le brasage étant réalisé, les moyens de chauffage sont retirés et la liaison est alors fonctionnelle. Pour réaliser la désolidarisation des deux éléments, c'est-à-dire le premier élément 1 et le deuxième élément 2, on introduit dans un lôement 23 pratiqué dans la surface externe 26 du deuxième élément 2, sur une surface dite deuxième surface de séparation 21, en regard des moyens de liaison, des moyens de chauffage constitués par une couche de matériau du type pyrogène, énergétique ou de la thermite. On précise ici que le terme thermite englobe les nanothermites. La première surfacé de séparation est constituée par la surface de liaison 22 du deuxième élément 2. La paroi du deuxième élément 2 devient ici une suface de séparation. Par des moyens de déclenchement à distance, l'échauffement rapide de ce matériau est déclenché au moment où on désire désolidariser le premier élément 1 du second élément 2. De ce fait, les moyens de liaison 11, à savoir de la brasure ou de la colle, fondent et les deux éléments, c'est-à-dire le premier élément et le second élément, se séparent. Les matériaux utilisés pour constituer ces moyens de chauffage sont donc des matériaux pyrogènes, tels que de la thermite gainée. Ce type de matériau, par réaction d'oxydoréduction exothermique, produit des températures de l'ordre de 2800°, de 1 230°C à 5 770°K, en incluant les nanothermites. On précise que les moyens de liaison sont ainsi placés autour de l'ensemble de la liaison, c'est-à-dire sur la périphérie de l'ensemble du premier élément 1 et du second élément 2. La liaison représentée est avantageusement complétée d'un premier joint intérieur 15, placé entre le premier élément et le second élément et un deuxième joint externe 16, placé entre le premier élément et le second élément, mais à l'extérieur de l'ensemble. La Figure 3 reprend en coupe le même endroit, concerné par la présente invention. Toutefois, des moyens de déclenchement ont été représentés. Ils sont constitués ici d'un allumeur 30 du type utilisé par les équipements pyrotechniques. Il est placé à l'extérieur dû deuxième élément, en saillie de la surface externe 26 du deuxième élément 2. Une contreplaque 31, faite de plusieurs éléments, fait la liaison entre cet allumeur 30 et les moyens de chauffage, constitués ici d'un ruban de thermite 24. La fixation de l'allumeur sur le deuxième élément peut être réalisée au moyen d'un système vis-écrou 32, rapporté dans l'épaisseur du deuxième élément 2. La Figure 4 montre cet allumeur 30, vissé sur la surface externe 26 du deuxième élément 2. Il peut également se trouver à l'intérieur. Si une pluralité d'allumeurs 30 est ainsi nécessaire, tout autour de la périphérie de l'ensemble, un même nombre de contreplaques 31 est utilisé pour faire la jonction entre le ruban de thermite 24 et les allumeurs 30. Elle comble le logement 23, pratiqué sur toute la circonférence de la surface externe 26 du deuxième élément 2. Ces allumeurs 30 vont donc provoquer l'allumage instantané du ruban de thermite 24, ou du matériau équivalent, s'il y a lieu. La température générée dans l'ensemble de la jonction, est réglée par la quantité de matériau constituant les moyens de chauffage, par exemple de matériau de type thermite, et de l'environnement métallique de l'ensemble. L'émission de chaleur se diffuse dans la structure, au niveau de la liaison, qui transmet elle-même cette chaleur à la brasure, ou à la colle. Cette dernière va passer par sa température de fusion et la désolidarisation du premier élément du deuxième élément aura donc lieu. En regard de la Figure 5, on peut pratiquer un logement 25 dans lequel sont placés les moyens de liaison, tels que la brasure ou la colle. Il s'agit d'une cavité peut profonde, faisant le tour de la périphérie de la surface intérieure 22 du deuxième élément 2. Dans le cas de deux éléments d'un lanceur aérospatial, les premier élément 1 et deuxième élément 2 sont intentionnellement sous pression. De ce fait, ils vont s'éloigner l'un de l'autre, sous l'effet de bouchon de champagne, selon l'axe linéaire de l'ensemble. Dans le cas où il n'y a pas de pression à l'intérieur des deux éléments, ou entre les structures, l'éloignement peut se faire par tout autre moyen connu, tel que des ressorts, des fusées d'éloignement, des moyens pneumatiques ou autres. Après la désolidarisation du premier élément et du deuxième élément, la structure intérieure du deuxième élément retrouve une surface sans protubérance, ni arrachement. De plus, l'invention répond à une disposition de l'Article 5 de la Loi relative aux Opérations Spatiale (LOS), relative aux Opérateurs de lancement de satellites, afin d'assurer la protection de l'environnement de l'espace extra-atmosphérique, notamment en vue de limiter les risques liés aux débris spatiaux. REVENDICATIONS1) Procédé de liaison et de séparation linéaire de deux éléments, un premier élément (1) et un deuxième élément (2) liés linéairement l'un à l'autre, au moyen d'une liaison locale définie et devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu par échauffement rapide et partiel de l'ensemble, au niveau ou à l'entour de la liaison, l'échauffement étant déclenché à distance, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - lier les deux éléments au niveau de deux surfaces de liaison (12, 22), respectives et correspondantes du premier élément (1) et du deuxième élément (2), avec des moyens de liaison (11) placés entre ces deux surfaces de liaison (12, 22), une des deux surfaces de liaison (22) étant une première surface d'une paroi de séparation présentant une deuxième surface dite de séparation (21), opposée à la première surface (11) ; - disposer sur cette deuxième surface de séparation (21), du matériau (24) de type pyrogène, énergétique ou de la thermite, amorçable par une liaison électrique de commande ; et - déclencher pyrotechniquement ledit matériau (24) pour provoquer l'échauffement et la destruction des moyens de liaison (11). 2) Dispositif de liaison et de séparation linéaire de deux éléments, un premier élément (1) et un deuxième élément (2), linéairement liés l'un à l'autre par une liaison locale définie et devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu par échauffement rapide et partiel de l'ensemble, au niveau ou alentour de la liaison, cet échauffement étant déclenché à distance, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens de liaison (11) des deux éléments, à savoir le premier élément (1) et le deuxième élément (2), ces moyens étant placés entre deux surfaces de liaison (12, 22) respectives du premier élément (1) et du deuxième élément (2), une des deux surfaces de liaison (22) étant une première surface d'une paroi de séparation présentant une deuxième surface (21) opposée à la première surface (22)- du matériau (24) pyrogène, énergétique ou de la thermite placé sur la deuxième surface (21) de la paroi de séparation ; et - des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du matériau (24). 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux surfaces de liaison (12, 22) sont des surfaces respectives de's deux éléments, c'est-à-dire le premier élément (1) et le deuxième élément (2), la paroi de séparation étant la paroi d'un des deux éléments. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi de séparation est celle de l'élément placé à l'extérieur de l'autre élément, le matériau (24) étant placé dans un logement (23) pratiqué sur la paroi de l'élément externe (2). 5) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison (11) sont constitués par une brasure. 6) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison (11) sont constitués par de la colle. 7) Lanceur aéronautique comprenant au moins un étage porteur constitué par un premier élément (1) et un étage porté par et fixé sur l'étage porteur et constitué par un deuxième élément (2), le lanceur étant caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs selon l'une des revendications 2 à 6, répartis sur toute la périphérie du lanceur entre les deux étages pour les solidariser, puis,les séparer, les deux surfaces de liaison (12, 22) étant coniques.