Brevet FR3019869A1 — publié le 20151016

Arrière plan de l'invention L'invention concerne la réalisation de butées flexibles couramment utilisées dans le domaine de la propulsion pour former des articulations reliant une tuyère au corps d'un propulseur. Comme illustré sur la figure 1, il est courant d'articuler une tuyère 11 d'un propulseur ou moteur-fusée 10 au moyen d'une butée flexible 12 comprenant une structure lamifiée constituée d'une alternance de couches en élastomère 121 et d'armatures rigides 122 réalisées en matériau métallique ou en matériau composite présentant une forme de tronc de sphère. La butée 12 forme ainsi une liaison flexible entre la tuyère 11 et le corps 13 du propulseur de sorte que la tuyère peut être orientée au moyen d'un vérin (non représenté sur la figure 1) disposé entre le corps 13 du propulseur et le divergent 15. La pilotabilité du propulseur dépend de la possibilité d'incliner la tuyère de plusieurs degrés (par rapport à l'axe du propulseur) tout azimut. Le nombre d'alternances couche de matériau élastiquement déformable/armature rigide est directement lié à l'angle maximum d'inclinaison souhaité. En outre d'autoriser un mouvement relatif entre la tuyère et le corps du propulseur, la butée flexible doit résister aux sollicitations mécaniques dues à la pression interne tout en restant étanche et sans opposer un couple de résistance excessif. Le principal problème d'une telle butée flexible vient de l'utilisation de couches en élastomère qui présentent une forte compressibilité, typiquement de plusieurs millimètres, et qui, sous l'effet de la pression interne Pi entraîne une évolution géométrique significative de l'ensemble de la tuyère. Le principal impact de cette variation dimensionnelle sous l'effet de la pression est l'impossibilité d'ajuster finement le jeu Io entre les surfaces en regard 13a et 11a respectivement du corps 13 du propulseur et de la tuyère 11, les surfaces 13a et 11a étant constituées par des protections thermiques (non représentées sur la figure 1). Ainsi, le jeu Io déjà important au départ en raison des incertitudes dimensionnelles de la butée, augmente encore avec la pression interne Pi lors du fonctionnement du propulseur, ce qui a pour conséquence de laisser passer le flux thermique entre les surfaces 13a et lla qui dégrade alors la structure lamifiée de la butée. Par ailleurs, en raison de l'écrasement de la structure lamifiée, on observe une évolution du couple de basculement (décroissance) en fonction de la pression interne. Si cette baisse du couple de basculement descend en dessous d'une valeur limite, le fonctionnement de la butée n'est plus totalement assuré car celle-ci devient instable. Il est, par conséquent, hautement souhaitable de concevoir des butées avec un couple élevé au départ (i.e. à pression atmosphérique) afin que celui reste satisfaisant lors du fonctionnement du propulseur. Le document US 3 429 622 décrit un propulseur à tuyère orientable mettant en oeuvre une butée flexible qui comprend des billes d'acier noyées dans les couches d'élastomère du lamifié afin de contrôler la compressibilité de la butée. Cependant, le maintien des billes en position dans les couches d'élastomère est difficile à assurer. En effet, après plusieurs orientations de la tuyère, les efforts exercés par les armatures rigides de la butée sur les billes peuvent entraîner un déplacement de certaines des billes par rapport à leur position initiale dans la couche d'élastomère. Un tel déplacement des billes n'est pas souhaitable car il diminue à la fois la résistance à l'écrasement de la butée définie initialement et endommage l'élastomère. En d'autres termes, la stabilité géométrique et le couple de la butée flexible ne peut pas être assuré correctement pendant tout le fonctionnement du propulseur. Objet et description succincte de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une butée flexible comprenant un empilement de plusieurs armatures rigides présentant une forme de tronc de sphère, caractérisée en ce que chaque armature rigide comporte un épaulement sur une face et une gorge sur la face opposée et en ce que l'épaulement -3 d'une armature est logé dans la gorge de l'armature adjacente dans l'empilement. Ainsi, en n'utilisant uniquement des armatures rigides, la butée flexible de l'invention présente une très bonne résistance à l'écrasement, ce qui permet de stabiliser la géométrie de la tuyère avant et pendant le fonctionnement du propulseur. La butée selon l'invention présente en outre un couple de basculement parfaitement constant quel que soit l'angle de braquage et/ou la pression interne dans le propulseur, ce qui permet d'utiliser des moyens d'actionnement (par exemple des vérins) moins puissants et, par conséquent, moins lourds et moins encombrants, que ceux utilisés avec les butées de l'art antérieur. En outre, la butée flexible selon l'invention ne comporte pas de couche d'élastomère entre les armatures, ce qui simplifie considérablement sa fabrication par rapport à celle des butées de l'art antérieur. En effet, la butée de l'invention est obtenue en empilant simplement les armatures rigides les unes sur les autres. Il n'y a donc plus besoin d'opérations de moulage-injection, de démoulage, de recette, etc. Selon une caractéristique de la butée de l'invention, celle-ci comprend en outre une première couronne en matériau élastiquement déformable en contact avec l'empilement des armatures rigides, ladite première couronne étant placée en amont de la butée et une deuxième couronne en matériau élastiquement déformable en contact avec l'empilement des armatures rigides, ladite deuxième couronne étant placée en aval de la butée. La première couronne remplie deux fonctions, à savoir rendre la butée étanche et protéger thermiquement les armatures de la butée des gaz de combustion du propulseur. La deuxième couronne remplie trois fonctions, à savoir protéger les armatures de l'environnement externe qui est notamment corrosif, contenir un éventuel lubrifiant présent entre les armatures, et assurer l'intégrité de la butée lors de ses manipulations. Selon une autre caractéristique de la butée de l'invention, chaque armature comporte sur chacune de ses faces un revêtement antifriction. Le revêtement antifriction peut être choisi notamment parmi au moins un des revêtements suivants : polymère fluoré (ex Téflon()), bisulfure de tungstène, silicone, céramique, carbone et diamant. -4 Selon encore une autre caractéristique de la butée de l'invention, un lubrifiant est présent entre les armatures. Le lubrifiant peut être choisi notamment parmi au moins un des lubrifiants suivants : graisse, huile, silicone et bisulfure de molybdène. L'invention a également pour objet un corps prolongé par une tuyère, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une butée flexible selon l'invention, ladite butée formant une liaison articulée entre la tuyère et le corps du propulseur. L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de butée flexible comprenant la réalisation de plusieurs armatures rigides et l'empilement des armatures les unes sur les autres, caractérisé en ce que chaque armature rigide comporte un épaulement sur une face et une gorge sur la face opposée et en ce que l'épaulement d'une armature est logé dans la gorge de l'armature adjacente dans l'empilement. Selon une caractéristique du procédé de l'invention, celui-ci comprend en outre le collage d'une première couronne en matériau élastiquement déformable sur la périphérie interne de la butée et le collage d'une deuxième couronne en matériau élastiquement déformable sur la périphérie externe de la butée. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, celui-ci comprend en outre la formation revêtement antifriction sur les deux faces des armatures. Le revêtement antifriction peut être choisi notamment parmi au moins un des revêtements suivants : polymère fluoré (ex Téflon()), bisulfure de tungstène, silicone, céramique, carbone et diamant. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend en outre le dépôt d'un lubrifiant entre les armatures. Le lubrifiant peut être choisi parmi au moins un des lubrifiants suivants : graisse, huile, silicone et bisulfure de molybdène. Afin d'éviter une adhérence sous effet ventouse entre les armatures, l'état de surface des faces des armatures en contact est de préférence choisi de manière à permettre le maintien d'un film d'air ou d'un lubrifiant entre ces faces. 3019 86 9 5 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une partie arrière d'un propulseur équipée d'une butée flexible selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue schématique éclatée en perspective 10 montrant l'empilement d'armature rigides lors de la réalisation d'une butée flexible selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une partie arrière d'un propulseur équipée d'une butée flexible réalisée comme illustré sur la figure 2. 15 Description détaillée des modes de réalisation de l'invention La figure 2 illustre la réalisation d'une butée flexible 100 conformément à un mode de réalisation de l'invention. La butée flexible 20 100 est réalisée en empilant les unes sur les autres des armatures rigides 110a à 110k présentant une forme de tronc de sphère et étant réalisées par exemple en matériau métallique ou composite. Les armatures présentent un diamètre décroissant de l'armature 110a à l'armature 110k. Conformément à ce mode de réalisation, des épaulements 111 sont 25 formés sur la surface externe 1101 de chaque armature 110a à 110k tandis que des gorges 112 sont formées sur la surface interne 1102 de chaque armature 110a à 110k. Comme illustré sur la figure 3, une fois empilées les unes sur les autres, l'épaulement 111 d'une armature, par exemple l'armature 110b, 30 est logé dans la gorge 112 de l'armature adjacente, par exemple ici l'armature 110a. Concernant les armatures placées aux extrémités de la butée 100, à savoir les armatures 110a et 110k, celles-ci vont coopérer avec les portions du propulseur avec lesquels elles sont en contact. Plus précisément, l'épaulement 111 de l'armature 110a en regard d'une portion 35 211 du corps 210 d'un propulseur 200 est logée dans une gorge 2110 ménagée dans la portion 211. De même, la gorge 112 de l'armature 110k en regard d'une portion 221 de la tuyère 220 du propulseur 200 reçoit un épaulement 2210 présent sur la portion 2210. Une fois assemblée, la butée flexible 100 présente un empilement uniquement constitué d'armatures rigides en contact les unes avec les autres, le déplacement de chaque armature, par exemple l'armature 110b, étant limité par rapport aux deux armatures adjacentes, par exemple ici les armatures 110a et 110c, l'épaulement 111 de l'armature 110b étant maintenu dans la gorge 112 de l'armature 110a d'une part et, d'autre part, la gorge 112 de l'armature 110b recevant l'épaulement 111 de l'armature 110c. On limite ainsi le débattement d'une armature à l'autre, ce qui assure une surface de contact minimale tout en évitant un déchaussement d'une des armatures de la butée. L'ensemble des armatures empilées 110a à 110k est maintenu par engagement, d'une part, de l'épaulement 111 de l'armature 110a dans la gorge 2110 de la portion 211 du corps 210 du propulseur 200 et, d'autre part, de l'épaulement 2210 de la portion 221 de la tuyère 220 du propulseur 200 dans la gorge 112 de l'armature 110k. La butée flexible 100 comprend en outre une première couronne 120 placée en amont (suivant le sens d'écoulement indiqué par la flèche E de la butée et une deuxième couronne 130 placée du côté de la périphérie externe de la butée. Les couronnes 120 et 130 sont réalisées en un matériau élastiquement déformable, par exemple un élastomère, afin d'assurer la cohérence de l'empilement des armatures et l'étanchéité de la butée en particulier lors des mouvements de cette dernière. La couronne 120 est fixée sur la face externe des portions 211 et 221 tandis que la couronne 130 est fixée sur la face interne des portions 211 et 221. La première couronne 120 remplie deux fonctions, à savoir rendre la butée étanche et protéger thermiquement les armatures de la butée des gaz de combustion du propulseur. La deuxième couronne 130 remplie trois fonctions, à savoir protéger les armatures de l'environnement externe qui est notamment corrosif, contenir un éventuel lubrifiant présent entre les armatures, et assurer l'intégrité de la butée lors de ses manipulations. La face interne 1101 et la face externe 1102 des armatures ainsi que la surface des portions 211 et 221 en regard de la butée 100 sont recouvertes d'un revêtement antifriction (non représenté sur les figures 2 et 3). Le revêtement antifriction peut notamment être choisi parmi au moins un des revêtements suivants : polymère fluoré (ex Téflon()), bisulfure de tungstène, silicone, céramique, carbone et diamant. Un lubrifiant peut être en outre déposé entre les armatures. Le lubrifiant peut être choisi parmi au moins un des lubrifiants suivants : graisse, huile, silicone et bisulfure de molybdène. Par ailleurs, afin d'éviter une adhérence sous effet ventouse entre les armatures, l'état de surface des faces des armatures en contact est de préférence choisi de manière à permettre le maintien d'un film d'air ou d'un lubrifiant entre ces faces. Les faces des armatures en contact peuvent par exemple présenter une surface structurée. Dans la butée flexible 100 qui vient d'être décrite, les épaulements sont formés sur la face supérieure de chaque armature tandis que les gorges sont ménagées dans la face inférieure de chaque armature. La butée selon l'invention n'est cependant pas limitée à une telle disposition des épaulements et des gorges. En effet, les épaulements peuvent tout à fait être formés sur la face interne des armatures tandis que les gorges peuvent être ménagées sur la face externe des armatures, la limitation du déplacement des armatures les unes par rapport aux autres ainsi que leur retenue vis-à-vis d'un déchaussement étant assurées de la même façon. La forme des épaulements n'est pas limitée à celle des épaulements 111 représentés sur les figures 2 et 3. Les épaulements selon l'invention peuvent avoir des formes et des dimensions différentes. Les épaulements 111 s'étendent de manière continue et annulaire tout autour de l'armature. Toutefois, les armatures peuvent également comprendre des épaulements qui s'étendent de manière discontinue tout autour de l'armature tout en assurant la retenue et la limitation du déplacement des armatures les unes par rapport aux autres. La largeur des gorges est définie en fonction de l'angle de basculement maximum déterminée pour la butée. Grâce à la présence uniquement d'armatures rigides en contact direct les unes avec les autres, la butée flexible 100 ne peut plus s'écraser, ce qui permet d'assurer la stabilité géométrique de la tuyère avant et pendant le fonctionnement du propulseur. Un jeu J200 (figure 3) entre le corps du propulseur et la tuyère peut être choisi faible dès le départ car celui-ci ne varie pas sous l'effet de la pression interne lors du fonctionnement du propulseur. -8 En outre, grâce à la maîtrise de la rigidité de la butée et, par conséquent, de la stabilité de celle-ci quelle que soit la pression hydrostatique au cours du fonctionnement du propulseur, la puissance requise pour l'actionnement de la butée est inférieure à celle requise pour une butée ne comprenant pas de moyens anti-écrasement. Il est donc possible de réduire la masse et la consommation des moyens d'actionnement de la butée flexible (par exemple des vérins). L'absence d'éléments compressibles dans la butée permet d'avoir un couple de basculement constant quelle que soit la pression appliquée sur la butée et d'autoriser ainsi la réalisation d'une butée flexible avec un couple bas dès le départ sans crainte d'instabilité en cours de fonctionnement. Enfin, l'absence de couches d'élastomère entre chaque armature simplifie considérablement le procédé de fabrication de la butée. En effet, la butée de l'invention peut être réalisée en assemblant simplement des éléments (armatures) fabriqués de façon indépendante. Il n'y a donc plus besoin de réaliser des opérations de moulage-injection, de démoulage, de recette de la butée, etc. REVENDICATIONS1. Butée flexible (100) comprenant un empilement de plusieurs armatures rigides (110a-110k) présentant une forme de tronc de sphère, 5 caractérisée en ce que chaque armature rigide comporte un épaulement (111) sur une face (1101) et une gorge (112) sur la face opposée (1102) et en ce que l'épaulement (111) d'une armature est logé dans la gorge (112) de l'armature adjacente dans l'empilement. 10 2. Butée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre une première couronne (120) en matériau élastiquement déformable en contact avec l'empilement des armatures rigides (110a-110k), ladite première couronne (120) étant placée du côté de la périphérie interne de la butée (100) et une deuxième couronne 15 (130) en matériau élastiquement déformable en contact avec l'empilement des armatures rigides (110a-110k), ladite deuxième couronne (130) étant placée du côté de la périphérie externe de la butée. 3. Butée flexible selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce 20 chaque armature (110a-110k) comporte sur chacune de ses faces (1101 ; 1102) un revêtement antifriction. 4. Butée selon la revendication 3, caractérisée en ce que le revêtement antifriction est choisi parmi au moins un des revêtements 25 suivants : polymère fluoré (ex Téflon()), bisulfure de tungstène, silicone, céramique, carbone et diamant. 5. Butée flexible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'un lubrifiant est présent entre les armatures (110a30 110k). 6. Butée selon la revendication 5, caractérisée en ce que le lubrifiant est choisi parmi au moins un des lubrifiants suivants : graisse, huile, silicone et bisulfure de molybdène. 35-10- 7. Propulseur (200) comprenant un corps (210) prolongé par une tuyère (220), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une butée flexible (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ladite butée formant une liaison articulée entre la tuyère et le corps du propulseur. 8. Procédé de fabrication de butée flexible (100) comprenant la réalisation de plusieurs armatures rigides (110a-110k) et l'empilement des armatures les unes sur les autres, caractérisé en ce que chaque armature rigide comporte un 10 épaulement (111) sur une face (1101) et une gorge (112) sur la face opposée (1102) et en ce que l'épaulement (111) d'une armature est logé dans la gorge (112) de l'armature adjacente dans l'empilement. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il 15 comprend en outre le collage d'une première couronne (120) en matériau élastiquement déformable sur la périphérie interne de la butée (100) et le collage d'une deuxième couronne (130) en matériau élastiquement déformable sur la périphérie externe de la butée. 20 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce qu'il comprend en outre la formation revêtement antifriction sur les deux faces (1101 ; 1102) des armatures (110a-110k). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisée en ce que le 25 revêtement antifriction est choisi parmi au moins un des revêtements suivants : polymère fluoré (ex Téflon()), bisulfure de tungstène, silicone, céramique, carbone et diamant. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, 30 caractérisé en ce qu'il comprend en outre le dépôt d'un lubrifiant entre les armatures (110-110k). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le lubrifiant est choisi parmi au moins un des lubrifiants suivants : graisse, 35 huile, silicone et bisulfure de molybdène.