Brevet FR3012606A1 — publié le 20150501

L'invention se rapporte à un procédé de diagnostic d'un chargement. Un tel procédé est notamment destiné à évaluer le vieillissement d'un chargement de propergol rendu inaccessible une fois monté dans une chambre de combustion. Un domaine d'application privilégié de l'invention est le contrôle de vieillissement d'un chargement de propergol solide dans un propulseur. Dans le domaine de la propulsion par exemple, les propriétés mécaniques des chargements de propergol solide d'un propulseur sont susceptibles d'évoluer en vieillissant. Ces évolutions sont notamment causées par l'environnement de stockage du propulseur, par exemple en fonction de la présence d'oxygène, d'humidité, de la salinité, de la température et de ses variations. Ainsi, l'oxygène présent à l'intérieur d'un canal d'un chargement de propergol solide peut conduire à l'oxydation du liant qui entraîne une sur-réticulation de celui-ci et donc un durcissement de la masse viscoélastique. En présence d'une forte hygrométrie, le propergol solide a au contraire tendance à se ramollir. Les chargements de propergol solide peuvent donc, en cours de stockage, se ramollir ou se durcir selon l'environnement de stockage. La dégradation des propriétés mécaniques d'un chargement de propergol solide peut causer l'échec du tir du propulseur. Il est donc souhaitable de mesurer l'évolution dans le temps des propriétés mécaniques d'un chargement de propergol solide afin de statuer sur l'aptitude au tir du propulseur lui-même. Le même type de problème se rencontre évidemment dans le domaine des têtes militaires en explosifs. Des tentatives ont été faites pour déterminer le vieillissement d'une telle masse de matériau viscoélastique en y incorporant des capteurs piézoélectriques reliés à des centrales de mesure, pour mesurer périodiquement au cours du temps l'évolution de leurs propriétés mécaniques, en corrélation avec le vieillissement. Ainsi, le document de brevet US 3,937,070 décrit un procédé de mesure des propriétés mécaniques d'un chargement solide par l'intermédiaire de capteurs piézoélectriques implantés dans la masse du chargement. Un des problèmes lié à ce type de surveillance est la difficulté d'implanter des capteurs dans le matériau viscoélastique au moment de la fabrication du chargement. De plus, la présence de tels capteurs dans le matériau viscoélastique modifie localement les propriétés du matériau et peut être une source de défaillance (par exemple à cause d'une fissuration). Ces capteurs peuvent aussi générer des problèmes de sécurité, notamment par échauffement local. Surtout, la localisation des capteurs dans le matériau lui-même ne permet pas de suivre une évolution des propriétés dans la "peau" de la masse dudit matériau, cette zone étant la plus exposée au vieillissement en raison des échanges de surface entre les zones superficielles du matériau et l'environnement. On connaît également, de la demande de brevet FR 2 954 498, un dispositif permettant de soumettre à des vibrations un échantillon de matériau viscoélastique contenu dans un porte-échantillon situé au voisinage du chargement à contrôler, et d'analyser la réponse de l'échantillon à ces sollicitations pour en déduire son état et, ainsi, l'état du chargement soumis au même environnement. Ce procédé nécessite de découper un échantillon dans le chargement à surveiller, ou de prélever un échantillon d'un matériau strictement identique audit chargement. L'appareillage nécessaire à sa mise en oeuvre est, par ailleurs, relativement volumineux et complexe. Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé de contrôle des propriétés mécaniques d'un chargement de propergol pour évaluer son vieillissement, qui puisse être mis en oeuvre facilement et, le cas échéant, dans des systèmes confinés ou dangereux. L'invention permet d'atteindre cet objectif avec un procédé de diagnostic d'un chargement, notamment un chargement de propergol, comprenant au moins les étapes suivantes : a) on fournit le chargement à contrôler équipé d'au moins un résonateur fixé sur la surface dudit chargement, b) on fait vibrer le résonateur, c) on identifie la fréquence de résonance du résonateur, et d) on déduit de la fréquence de résonance au moins une valeur représentative de l'état mécanique du chargement. La fréquence de résonance d'un résonateur n'est pas la même lorsque le résonateur est libre de ses mouvements et lorsque ses degrés de liberté sont modifiés par son environnement. Elle est également fonction des caractéristiques de cet environnement. Le procédé selon l'invention exploite la sensibilité de la fréquence de résonance d'un résonateur à une modification de son environnement, et notamment des caractéristiques mécaniques (la rigidité par exemple) de son support. En déterminant la fréquence de résonance du résonateur fixé à la surface d'un chargement de propergol, on peut ainsi déduire directement ou indirectement une ou plusieurs valeur(s) représentative(s) de l'état du matériau constituant le chargement, notamment son module, à l'aide de relations ou courbes préétablies. Le procédé selon l'invention est appliqué à un chargement, qui peut être constitué d'un matériau composite, par exemple un matériau viscoélastique, notamment du propergol. Selon l'invention, le résonateur est fixé sur la surface du chargement. En d'autres termes, il affleure au moins partiellement de la surface du chargement, et de préférence il fait saillie au moins partiellement depuis ladite surface. Le résonateur étant fixé sur la surface du chargement, le procédé permet, sans être intrusif, d'analyser directement le chargement concerné, sans prélèvement préalable, et sans modifier les propriétés du chargement ou le fragiliser. Selon un exemple de mise en oeuvre, pour faire vibrer le résonateur, on applique une tension à un excitateur électromécanique adapté à exciter le résonateur, on fait varier la fréquence de ladite tension, et on détecte la réponse du résonateur aux variations de fréquence de ladite tension. Selon un exemple, à l'étape c) du procédé, on mesure l'intensité du courant parcourant l'excitateur en fonction de la fréquence, on identifie un pic d'intensité du courant représentatif de la résonance du résonateur et on détermine la fréquence correspondant à ce pic d'intensité, ladite fréquence correspondant à la fréquence de résonance du résonateur. Lorsque le résonateur, soumis à un environnement donné (ici le support auquel il est fixé), est excité par une tension de fréquence donnée, il appelle un courant d'intensité proportionnelle à l'énergie nécessaire pour permettre son déplacement à ladite fréquence. Lorsqu'on fait varier la fréquence de la tension appliquée sur une plage de fréquence proche de la fréquence de résonance, l'intensité du courant appelé par le résonateur varie progressivement. Elle passe par un minimum à la fréquence de résonance, puis croît à nouveau. En traçant la courbe d'intensité du courant parcourant le résonateur en fonction de la fréquence, on identifie donc la fréquence de résonance du résonateur, représentative des caractéristiques - notamment de la rigidité - du chargement auquel le résonateur est fixé. A noter que l'on entend ici par pic d'intensité une valeur minimale d'intensité identifiable sur la courbe et successive à une chute d'intensité. Le montage utilisé est simple et peu coûteux. Un simple câblage électrique et un ampèremètre relié à l'excitateur suffit pour mesurer sa réponse en courant aux modifications de fréquence de la tension d'entrée. Selon un exemple, l'excitateur électromécanique est un élément piézoélectrique. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le résonateur et l'excitateur forment un actionneur piézoélectrique amplifié. Un tel actionneur piézoélectrique comprend usuellement un élément piézoélectrique formant excitateur électromécanique et une structure métallique destinée à amplifier le déplacement de l'élément piézoélectrique, formant résonateur. Selon une disposition de l'invention, le résonateur peut être collé sur la surface du chargement. Selon une variante, le résonateur comprend une partie d'attache noyée dans la masse du chargement. Selon un exemple de mise en oeuvre avantageux, à l'étape d), on calcule le facteur de qualité du résonateur et on en déduit ladite valeur représentative de l'état du chargement. Le facteur de qualité Q est défini comme le rapport entre la valeur de fréquence au pic d'intensité du courant parcourant le résonateur et la largeur de la courbe d'intensité à mi-hauteur du pic. Il a été établi que ce paramètre est très sensible à l'évolution des propriétés du matériau constituant le chargement. Selon un exemple, la valeur représentative de l'état du 30 chargement est le module du matériau constituant le chargement. Selon un exemple, le procédé comprend une étape d'étalonnage au cours de laquelle on fournit un échantillon de matériau équipé, sur sa surface, d'un dispositif de contrôle, on traite l'échantillon pour modifier l'état du matériau, et on mesure au moins un paramètre représentatif de 35 la résonance du résonateur pour différents états mécaniques dudit matériau. L'échantillon est de préférence constitué du même matériau que celui du chargement que l'on souhaite contrôler ou il peut s'agir de son simulant inerte, ou encore simplement d'un matériau de même nature. Il s'agit généralement d'un matériau composite, notamment viscoélastique, par exemple du propergol. Le traitement de l'échantillon peut notamment comprendre un vieillissement accéléré en température et/ou en hygrométrie imposée(s). Il est connu qu'en faisant varier la température d'un matériau, notamment d'un matériau viscoélastique tel que le propergol, on modifie également son module. On simule pour ainsi dire le vieillissement du matériau, en l'amenant à changer d'état (état ramolli, état durci, etc.). Pour chaque palier de température, on mesure et on note les valeurs caractéristiques du matériau au pic de résonance du résonateur, notamment la fréquence de résonance, le facteur de qualité et le module. Le procédé selon l'invention est avantageusement appliqué au diagnostic d'un chargement de propergol dans un propulseur. La présente invention concerne également un ensemble comprenant un chargement de propergol et un dispositif de contrôle dudit chargement, le dispositif de contrôle comprenant au moins un résonateur fixé sur la surface du chargement. Selon un exemple, l'ensemble comporte en outre un excitateur électromécanique adapté à exciter le résonateur. Selon un exemple, l'ensemble selon l'invention peut comprendre en outre un générateur de tension relié à l'excitateur électromécanique et/ou un ampèremètre relié au résonateur. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 illustre un chargement de propergol équipé d'un dispositif de contrôle de ses caractéristiques mécaniques ; Les figures 2A et 2B illustrent des exemples possibles d'agencements d'un dispositif de contrôle sur le chargement de propergol ; La figure 3 montre une courbe obtenue lors de la mise en oeuvre du procédé de contrôle selon l'invention, sur un chargement de propergol du type représenté sur la figure 1 ; La figure 4 illustre un échantillon de matériau viscoélastique sur lequel sont réalisés des essais d'étalonnage ; La figure 5 montre une courbe résultant des essais réalisés sur un échantillon du type représenté de la figure 4 ; La figure 6 montre un propulseur comprenant un chargement de propergol équipé d'un dispositif de contrôle, tel qu'illustré par la figure 1. La figure 1 illustre un chargement de propergol 10 équipé d'un dispositif de contrôle 20 permettant d'examiner ses caractéristiques 10 mécaniques. Le dispositif de contrôle 20 comprend ici plusieurs capteurs d'état 22 fixés en différents endroits de la surface du chargement 10. Chaque capteur 22 comprend un excitateur électromécanique 24 adapté à transformer une tension d'entrée en un déplacement mécanique et un 15 résonateur 26 adapté à vibrer à la fréquence imposée par ladite tension d'entrée et solidaire de la surface S du chargement de propergol 10. Le dispositif de contrôle 20 comprend en outre un générateur de tension sinusoïdale 30 à amplitude et fréquence ajustables permettant d'amorcer chaque excitateur électromécanique 24 et un dispositif de 20 mesure 32 conçu pour mesurer l'intensité du courant parcourant chaque excitateur électromécanique 24, par exemple une pince ampérométrique additionnée d'un amplificateur. Dans l'exemple, les capteurs d'état 22 sont des actionneurs piézoélectriques amplifiés du type commercialisé par la société CEDRAT 25 TECHNOLOGIES sous la marque APA®. Comme il est bien connu, dans ce type d'actionneur, un dispositif mécanique formant résonateur vient amplifier le déplacement d'un élément piézoélectrique formant excitateur électromécanique induit par l'application à cet excitateur d'une tension électrique. 30 Dans l'exemple illustré, l'élément piézoélectrique 24 est de forme générale parallélépipédique, par exemple en céramique. Le résonateur 26 comprend, lui, une armature externe 27 de forme sensiblement elliptique, par exemple réalisée en acier inoxydable, à l'intérieur de laquelle l'élément piézoélectrique 24 est précontraint à l'aide 35 d'une ou plusieurs cales de précontrainte 28. L'élément piézoélectrique 24 se retrouve ici comprimé dans la direction du grand axe X1 de l'armature (ci-après direction longitudinale), le mouvement de l'élément dans la direction longitudinale étant ainsi amplifié par l'armature externe dans la direction X2 du petit axe de ladite armature (ci-après direction transversale). Pour la suite de la description, on définit une extrémité inférieure 26a et une extrémité supérieure 26b du résonateur en référence à la direction transversale X2 selon laquelle il se déforme en vibrant. Dans l'exemple, le résonateur 26 est relié au chargement de propergol à son extrémité inférieure par l'intermédiaire d'une partie d'attache 23 solidaire de l'armature 27. Selon un exemple, la partie d'attache 23 peut être fixée au chargement de propergol par une fine couche de colle. Selon un autre exemple, la partie d'attache 23 peut être partiellement noyée dans la masse dudit chargement. L'armature 27, elle, reste dans tous les cas libre de se déplacer au-dessus de la surface du chargement 10. Dans l'exemple de la figure 1, le chargement de propergol 10 présente une forme sensiblement cylindrique, notamment en forme de cylindre droit, par exemple de type bloc monolithe plein ou de type empilement de disques, définie par une première et une deuxième face d'extrémité 12a, 12b et une surface latérale externe 14 et interne 16 s'étendant entre lesdites faces d'extrémités 12a, 12b. Comme illustré sur la figure, le résonateur 26 peut être collé, par une seule de ses extrémités inférieure ou supérieure 26a, 26b, à l'une des faces d'extrémités 12a, 12b du chargement 10. Le résonateur 26 peut aussi être collé, par une seule de ses extrémités inférieure ou supérieure 26a, 26b, à la face interne 16 du chargement 10. Les figures 2A et 2B illustrent d'autres agencements possibles des capteurs d'état 22 à la surface du chargement de propergol 10. Dans l'exemple illustré sur la figure 2A, un capteur d'état est monté dans la cavité centrale 18 du chargement, ses extrémités inférieure et supérieure 26a, 26b étant fixées chacune à des portions diamétralement opposées de la surface interne 16 du chargement. Dans un autre exemple illustré sur la figure 2B, le chargement de propergol 10' présente une surface interne 16 ondulée, formant plusieurs cavités longitudinales 18' délimitées chacune par une première et une deuxième face 19a, 19b, opposées l'une à l'autre. Un capteur 22 peut alors être monté entre la première et la deuxième face 19a, 19b d'une telle cavité 18' (dans l'exemple, son extrémité inférieure est fixée à la première face 19a de la cavité 18' et son extrémité supérieure, à la deuxième face 19b). Le procédé de contrôle selon l'invention repose sur le lien existant entre la fréquence de résonance du résonateur 26 et les caractéristiques de son support, ici le chargement de propergol 10. Si le résonateur 26 a une fréquence propre fi, il présente une fréquence de résonance différente f2 lorsqu'il est lié à son support. Et sa fréquence de résonance fR varie encore en fonction des caractéristiques mécaniques du support auquel il est relié. Par ailleurs, il a été établi que l'intensité I du courant appelé par le résonateur 26 atteint un pic à la fréquence de résonance fR. Pour déterminer la fréquence de résonance fR, on fait donc varier la fréquence de la tension appliquée par le générateur 30, et on trace la courbe montrant l'intensité du courant appelé par le résonateur en fonction de ladite fréquence. La courbe résultant de ces mesures est illustrée sur la figure 3. On y constate que l'intensité I du courant mesuré par l'ampèremètre 32 croît lentement à mesure que la fréquence augmente sur une période précédant le phénomène de résonance. Puis, à partir d'une fréquence fA pour laquelle l'intensité du courant est égale à IA, la courbe connaît une décroissance rapide jusqu'à atteindre une valeur minimum IR à la fréquence de résonance fR. Après la résonance, l'intensité du courant croît à nouveau rapidement jusqu'à une valeur Ig à la fréquence fB, puis reprend une progression plus lente. La fréquence pour laquelle l'intensité est la plus faible correspond donc à la fréquence de résonance. A partir de la courbe, il est possible de déterminer également le facteur de qualité Q du résonateur 26, qui correspond au rapport entre la valeur de fréquence au pic d'intensité (i.e. la fréquence de résonance fR) et la largeur de la courbe à mi-hauteur du pic. Pour ce faire, on recherche le premier endroit où la courbe est plane (i.e. où sa dérivée est nulle) avant que la fréquence de résonance n'ait été atteinte (à gauche du pic sur la figure 4). Ce point A, qui correspond à une intensité de courant appelé IA pour une fréquence fA, constitue ce que l'on appelle le pied du pic de résonance. La hauteur du pic est ainsi égale à la différence AY= IA-IR. Il est facile, dès lors, de mesurer la largeur L de la courbe à mi-hauteur, c'est-à-dire la différence en valeur absolue entre les deux valeurs de fréquence (ici fm1 et fm2) pour lesquelles l'intensité du courant est égale à (IA-IR)/2. La largeur de la courbe L=fm1-fm2 permet, ensuite, de calculer le facteur de qualité Q=fR/L. Ces calculs peuvent être réalisés par un opérateur, ou comme illustré sur la figure 1, de façon automatique, par un dispositif de calcul 34 relié au dispositif de mesure 32. Pour déduire des valeurs précédentes l'état du propergol, il est nécessaire d'établir ou d'avoir établi au préalable la relation existant entre la fréquence de résonance fR du résonateur 26 et l'état du matériau constituant son support. Pour cela, on réalise des essais sur un ou plusieurs échantillons 40, du type illustré sur la figure 4. Un échantillon 40 peut se présenter sous la forme d'un simple bloc de matériau composite, notamment viscoélastique (propergol ou son simulant inerte), ici parallélépipédique (typiquement de dimensions 10 mm x 25 mm x 25 mm), auquel est fixé un dispositif de contrôle 20 tel que défini précédemment. Il est bien connu, aujourd'hui, que les caractéristiques d'un matériau viscoélastique tel que le propergol peuvent être modifiées en faisant varier la température du matériau. On peut ainsi simuler le vieillissement d'un échantillon, notamment modifier son module, en modifiant sa température. Pour chaque température, on mesure le module de l'échantillon et, dans le même temps, la fréquence de résonance du résonateur qui est fixé sur l'échantillon et/ou son facteur de qualité. La courbe de la figure 5 illustre, pour trois échantillons testés, la fréquence de résonance fR du résonateur 26 en fonction de la température de l'échantillon. Sur cette courbe, on a également représenté les variations de fréquence de résonance d'un résonateur en configuration libre. Les résultats ainsi obtenus sont exploitables pour le contrôle effectif du chargement de propergol monté dans un propulseur illustré sur la figure 6. La figure 6 illustre le chargement de propergol 10 à l'intérieur d'un propulseur 100. Dans cette position, et avant mise à feu du chargement de propergol 10, les capteurs d'état 22 sont montés sur le chargement et sont donc, tout comme le chargement 10, rendus inaccessibles. Le générateur 30 et le dispositif de mesure 32, eux, ne sont connectés que pendant les phases de mesure. L'invention a cependant un domaine d'application plus large que celui de l'exemple ci-dessus. Les chargements de propergol concernés peuvent être soit en simple stockage soit intégrés à but fonctionnel dans des dispositifs. Compte tenu de l'autonomie du dispositif, son utilisation est particulièrement adaptée pour les dispositifs isolés, confinés ou dangereux comme les propulseurs ou les têtes militaires.15 REVENDICATIONS1. Procédé de diagnostic d'un chargement, notamment un chargement de propergol (10), comprenant au moins les étapes suivantes : a) on fournit le chargement (10) à contrôler équipé d'au moins un résonateur (26) fixé sur la surface (S) dudit chargement, b) on fait vibrer le résonateur (26), c) on identifie la fréquence de résonance du résonateur (26), et d) on déduit de la fréquence de résonance (fR) au moins une valeur représentative de l'état mécanique du chargement (10). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour faire vibrer le résonateur (26), on applique une tension à un excitateur électromécanique (24) adapté à exciter le résonateur (26), on fait varier la fréquence de ladite tension, et on détecte la réponse du résonateur (26) aux variations de fréquence de ladite tension. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, à l'étape c), on mesure l'intensité du courant parcourant l'excitateur (24) en fonction de la fréquence, on identifie un pic d'intensité du courant représentatif de la résonance du résonateur (26) et on détermine la fréquence correspondant à ce pic d'intensité, ladite fréquence correspondant à la fréquence de résonance du résonateur (26). 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l'excitateur électromécanique (24) est un élément piézoélectrique. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le résonateur (26) est collé sur la surface (S) du chargement (10). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le résonateur comprend une partie d'attache (23) noyée dans la masse du chargement (10). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, à l'étape d), on calcule le facteur de qualité (Q) du résonateur (26) et on en déduit ladite valeur représentative de l'état du chargement (10). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, à l'étape d), la valeur représentative de l'état du chargement (10) est le module du matériau constituant le chargement. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre une étape d'étalonnage au cours de laquelle : on fournit un échantillon (40) de matériau équipé, sur sa surface, d'au moins un résonateur (26), on traite l'échantillon (40) pour modifier l'état mécanique dudit matériau, et on mesure au moins un paramètre représentatif de la résonance du résonateur (26) pour différents états mécaniques dudit matériau. 10.Procédé selon la revendication 9, dans lequel le traitement de l'échantillon (40) comprend une modification de la température à laquelle est soumis l'échantillon, entraînant son vieillissement accéléré. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le traitement de l'échantillon (40) comprend une modification de l'hygrométrie à laquelle est soumis l'échantillon, entraînant son vieillissement accéléré. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, appliqué à un chargement de propergol dans un propulseur. 13. Ensemble comprenant un chargement, notamment un chargement de propergol (10), et un dispositif de contrôle (20) dudit chargement, le dispositif de contrôle (20) comprenant au moins un résonateur (26) fixé sur la surface (S) du chargement (10). 3012 606 13 14. Ensemble selon la revendication 13, comportant en outre un excitateur électromécanique (24) adapté à exciter le résonateur (26). 5 15.Ensemble selon la revendication 14, comprenant en outre un générateur de tension (30) relié à l'excitateur électromécanique (24). 10 16. Ensemble selon la revendication 14 ou 15, dans lequel l'excitateur électromécanique (24) est un élément piézoélectrique. 17. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, dans lequel le résonateur (26) est collé sur la surface (S) du chargement 15 (10). 18. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, dans lequel le résonateur comprend une partie d'attache (23) noyée dans la masse du chargement (10). 20 19. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, comprenant en outre un ampèremètre (32) relié au résonateur.