Brevet FR3040693A1 — publié le 20170310

PROCEDE DE LIAISON ET DE SEPARATION LINEAIRE DE DEUX ELEMENTS 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 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 fusion locale de la structure. Ces systèmes, de par leur fonctionnement, engendrent des 3040693 2 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. 5 2°) les liaisons par 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 10 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 15 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 20 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. D'autre part, par le document de brevet US 5 402 728, on connaît un dispositif de boulonnage auto destructeur mettant en oeuvre de la thermite. 25 Objets de l'invention A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé de liaison et de séparation linéaire de deux éléments devant être séparés de façon certaine, ces deux éléments étant liés linéairement l'un à l'autre, par une liaison locale définie, la 3040693 3 séparation devant 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 par un élément de liaison ; 5 - équiper cet élément de liaison d'un mélange de thermite et d'une composition intermétallique, amorçable par une liaison électrique de commande ; et - déclencher pyrotechniquement ledit mélange pour provoquer l'échauffement et le sectionnement en deux parties de l'élément de liaison. Le deuxième objet principal est un dispositif de liaison et de séparation 10 linéaire de deux éléments, un premier élément et un deuxième élément, 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 partielle d'une partie déterminée de la liaison locale de la liaison, cet échauffement étant déclenché à distance. Selon l'invention, il comprend : 15 - un élément de liaison constituant la liaison entre ces deux éléments, à savoir le premier élément et le deuxième élément ; - un mélange de thermite et d'une composition intermétallique générateur de chaleur, placé contre l'élément de liaison ; et - des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du mélange. 20 Dans une première réalisation de ce dispositif, l'élément de liaison est constituée d'une pièce à part entière, ne faisant partie d'aucuns des deux premier et deuxième éléments. Dans une deuxième réalisation de ce dispositif, l'élément de liaison constitue le prolongement d'une paroi externe d'un de ces deux éléments, que sont le 25 premier élément et le deuxième élément. De préférence, le mélange utilisé est placé dans une couronne de découpe, placée elle-même contre la paroi intérieure de l'élément de liaison. Cette couronne de découpe est constituée, de préférence, d'un corps fermé et contenant le mélange et constituant une couronne torique. 3040693 4 Dans une première réalisation de l'invention, la couronne de découpe fermée est fixée à la structure intermédiaire par des moyens de fixation qui sont placés entre l'endroit où doit avoir la coupure de l'élément de liaison et le première étage, porteur pour rester solidaire de ce premier étage porteur. 5 Dans une deuxième réalisation de l'invention, la couronne torique fermée est constituée par deux parois concentriques des moyens de liaison solidaires du deuxième étage porteur, de deux couches annulaires d'isolant placé dans deux plans parallèles entre les deux parois et perpendiculaire à elles, le moyen de liaison se complète d'une partie solidaire du premier étage et fixé aux deux parois par une liaison mécanique, 10 la coupure de l'élément de liaison se faisant au niveau des deux parois concentriques. Un troisième objet principal de l'invention est un lanceur aéronautique comprenant au moins un propulseur central, porteur, constituant le premier élément, et au moins un étage, porté, fixé sur le propulseur central et constitué par le deuxième élément. 15 Selon l'invention, ce lanceur comprend un dispositif, tel que précédemment décrit. La couronne de découpe fermée peut être fixée à l'élément de liaison par des moyens de fixation placés entre l'endroit où doit se produire la coupure de l'élément de liaison et le premier étage porteur du lanceur, afin de rester solidaire de ce 20 premier étage porteur. Dans une autre réalisation, la couronne de découpe fermée peut être constituée par deux parois concentriques des moyens de liaison solidaires du deuxième étage et de deux couches annulaires d'isolant placées entre les deux parois concentriques, le moyen de liaison se complétant d'une partie solidaire du premier étage 25 et fixé aux deux parois concentriques par un moyen mécanique de liaison, la coupure de l'élément de liaison se faisant au niveau des deux parois concentriques. 3040693 5 Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques et réalisations seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures 5 décrivant, respectivement : - figures 1A et 1B, un schéma représentant la séparation de deux éléments d'un lanceur aéronautique ; - figures 2A, 2B, 2C, trois schémas représentant l'application de l'invention sur un lanceur aéronautique ; 10 - figures 3A, 3B et 3C, des schémas relatifs au fonctionnement du dispositif selon l'invention ; et - figure 4, en coupe, une réalisation particulière de l'invention. Description détaillée de l'invention 15 La figure 2A représente les étages 10 d'un lanceur aéronautique, équipé de plusieurs propulseurs 12A et 12B, placés à la base des étages 10 du lanceur aéronautique. La figure 2B montre un détail de cet ensemble, notamment au niveau de 20 la partie supérieure des propulseurs 12A et 12B. En effet, on voit que le propulseur central 12B est surmonté des étages 10. La liaison s'effectue par un élément de liaison 13, qui est représenté à part de la figure 2C. Le dispositif selon l'invention, ainsi que le procédé de mise en oeuvre, sont illustrés à la figure 3A, en coupe détaillée, au niveau de l'élément de liaison 13. 25 Celui-ci comporte, sur sa paroi interne 14, une couronne de découpe 20. Cette dernière est constituée principalement d'un corps 21, torique et ouvert du côté de son diamètre externe. Il est rempli d'un matériau 22 pyrogène, énergétique ou de la thermite. On précise que sous le terme thermite, on comprend également les nanothermites. En référence à la figure 3B, la mise à feu du matériau 22, constituant 30 une substance pyrotechnique, provoque un échauffement brutal, jusqu'à la fusion des 3040693 6 parties de l'élément de liaison 13, se trouvant en regard de ce matériau 22. L'échauffement de cette partie de l'élément de liaison 13, jusqu'à son point de fusion, provoque la séparation de cet élément de liaison 13, en deux parties. Ces deux parties sont représentées à la figure 3C, une partie supérieure 13A et une partie inférieure 13B. 5 On comprend, sur cette figure 3C, que la couronne de découpe 20 a été préalablement fixée par un de ces bords 20A sur la paroi 14 de l'élément de liaison 13. De ce fait, après la séparation des deux parties inférieure 13B et supérieure 13A de l'élément de liaison 13, la couronne de découpe 20 reste solidaire d'une des deux parties, en l'occurrence la partie inférieure 13B de l'élément de liaison 13. En effet, dans l'application à un lanceur 10 aéronautique, on choisit que la couronne de découpe 20 reste solidaire de l'étage inférieur, qui ne continu pas le vol de l'engin aéronautique et retombe sur terre. Cela permet d'éviter que la structure continuant le vol soit échauffée pendant une durée plus important que nécessaire. Dans deux réalisations différentes du dispositif selon l'invention, 15 l'élément de liaison 13 peut être une pièce à part entière, c'est-à-dire ne faisant pas partie ni d'un premier élément, ni d'un deuxième élément, qui doivent être séparés, à savoir les étages 10 et le propulseur central 12B. Cet élément de liaison 13 est alors soit soudée ou collée, vissée, boulonnée, par ces deux extrémités, à chacun de ces deux éléments. 20 Dans une deuxième réalisation, on prévoit que l'élément de liaison 13 fasse partie intégrante de la paroi d'un des deux éléments, de préférence l'élément inférieur, à savoir le propulseur central 12B. En d'autres termes, dans ce cas, l'élément de liaison 13 est le prolongement de la paroi externe de ce propulseur central 12B. En outre, on peut également envisager que les deux parties 13A et 13B 25 de l'élément de liaison soit deux pièces différentes solidarisées entre elles, par exemple par brasage, par collage ou autre. Des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance sont prévus pour initier la réaction du matériau 22. En référence à la figure 4, une réalisation particulière de l'invention 30 prévoit la paroi du deuxième étage 40 se termine par deux parois concentriques 32A et 3040693 7 32B à l'intérieur desquelles se trouve le mélange de thermite et de composition intermétallique. Pour confiner ce mélange, on utilise deux couches d'isolants 34 placées au-dessus et en dessous du mélange. La liaison avec le premier étage 30 se fait par des moyens mécaniques, 5 par exemple des boulons 38 traversant les deux parois concentriques 32A et 32B et l'extrémité de la paroi externe du premier étage du lanceur. La rupture s'effectue donc sur les parois concentriques 32A et 32B, au niveau du mélange de solution thermite/compositions intermétallique. REVENDICATIONS1) Procédé de liaison et de séparation linéaire de deux éléments, un premier élément et un deuxième élément liés linéairement l'un à l'autre, au moyen d'une liaison locale définie et devant être séparée de façon certaine, la séparation ayant lieu par un échauffement rapide et partielle de la liaison, l'échauffement étant déclenché à distance, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - lier le premier élément et le deuxième élément par un élément de liaison (13) ; - équiper cet élément de liaison (13), d'un mélange de thermite et d'une composition intermétallique générateur de chaleur, amorçable par une liaison électrique de commande ; et - déclencher pyrotechniquement ledit mélange (22) pour provoquer l'échauffement rapide et le sectionnement en deux par fusion de l'élément de liaison (13). 2) Dispositif de liaison et de séparation linéaires de deux éléments, à savoir un premier élément et un deuxième élément, 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 d'une partie déterminée de l'élément de liaison, cet échauffement étant déclenché à distance, caractérisé en ce qu'il comprend : - un élément de liaison (13) placée entre ces deux éléments, à savoir le premier élément et le deuxième élément ; - un mélange de thermite et d'une composition intermétallique générateur de chaleur, placé contre l'élément de liaison (13) ; et - des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du mélange (22). 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de liaison (13) est une couronne de liaison des premier et deuxième éléments, c'est-à-dire 3040693 9 est constituée d'une pièce à part entière ne faisant partie d'aucun des premier et deuxième éléments. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de liaison (13) est constitué par le prolongement d'une paroi externe d'un des deux 5 éléments que sont le premier élément et le deuxième élément. 5) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange (22) est placé dans une couronne fermée de découpe (20), placée contre la paroi interne (13A) de l'élément de liaison. 6) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couronne 10 de découpe (20) est constituée d'un corps (21) fermé contenant le mélange (22), 7) Lanceur aéronautique comprenant au moins un étage (10) porté, constituant le premier élément et un propulseur central (12B), porteur, sur lequel est fixé le au moins un étage (10) et constitué par le deuxième élément, l'engin étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une des revendications 2 à 6. 15 8) Lanceur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couronne de découpe (20) fermée est fixée à l'élément de liaison (13) par des moyens de fixation placés entre l'endroit où doit se produire la coupure de l'élément de liaison et un premier étage (30) porteur du lanceur, afin de rester solidaire de ce premier étage porteur. 9) Lanceur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couronne 20 de découpe (20) fermée est constituée par deux parois concentriques (32A, 328) des moyens de liaison solidaires d'un deuxième étage (40) et deux couches annulaires (34) d'isolant placées entre les deux parois concentriques (32A, 32B), le moyen de liaison se complétant d'une partie solidaire du premier étage (30) et fixé aux deux parois concentriques (32A, 32B) par un moyen mécanique de liaison, la coupure de l'élément de 25 liaison se faisant au niveau des deux parois concentriques (32A, 32B).