Brevet FR3063281A1 — publié le 20180831

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE LIAISON ET DE SÉPARATION LINÉAIRE DE DEUX ÉLÉMENTS COLLÉS 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 second élément est un élément de rang n + 1, soit un second 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 second 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 : 3063281 2 1°) les liaisons par boulonnerie, rivetage et découpe pyrotechnique par fusion 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 ; 5 Le document de brevet FR 2 947 808 montre un exemple de mise en oeuvre d'une telle solution. 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 10 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 15 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 20 structures. Par ailleurs, on connait un dispositif et un procédé, comme illustrés par les Figures 2A, 2B et 2C, où un élément de liaison 13 comporte, sur une 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 25 pyrogène, c'est-à-dire générateur de chaleur, tel que de la thermite. On précise que sous le terme thermite, on comprend également les nanothermites. En référence à la figure 2B, la mise à feu du matériau 22, constituant une substance pyrotechnique, provoque un échauffement brutal, jusqu'à la fusion des 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, 3063281 3 provoque la séparation de cet élément de liaison 13, en deux parties. Ces deux parties sont représentées à la figure 2C, une partie supérieure 13A et une partie inférieure 13B. La couronne de découpe 20 a été préalablement fixée par un de ses bords 20A sur la paroi 14 de l'élément de liaison 13. De ce fait, après la séparation des deux parties 5 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 aéronautique, on choisit que la couronne de découpe 20 reste solidaire de l'étage inférieur, qui ne continue pas le vol de l'engin aéronautique et retombe sur terre. Cela permet d'éviter que la structure 10 continuant le vol soit échauffée pendant une durée plus importante que nécessaire. 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. 15 Objet de l'invention À cet effet, un premier objet principal de l'invention est un dispositif de liaison et de séparation linéaire de deux éléments, à savoir un premier élément et un 20 second élément, liés linéairement l'un à l'autre par des moyens de liaison, et devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu par échauffement des moyens de liaison, cet échauffement étant déclenché à distance, le dispositif comprenant : - les moyens de liaison entre les premier et second éléments ; - un matériau pyrogène, générateur de chaleur, placé près des moyens de liaison, 25 c'est-à-dire agencé de manière à permettre un échauffement de ces moyens de liaison ; et des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du matériau pyrogène. Selon l'invention, dans le dispositif : le matériau pyrogène est placé dans un tube, lui-même placé entre le premier 30 élément et le second élément ; 3063281 4 - les moyens de liaison sont constitués par de la colle et sont placés entre le tube et les premier et second éléments. Dans la réalisation principale du dispositif, la colle est une colle thermiquement isolante vis-à-vis du tube et des premier et second éléments. 5 Dans une réalisation particulière du dispositif, un système de retenue du tube est prévu sur le premier élément. De préférence, le système de retenue est métallique. Dans une application principale du dispositif, le premier élément est un étage porteur du second élément porté d'un engin spatial. 10 Dans une réalisation préférentielle de l'invention, le matériau pyrogène est un mélange de thermite et d'une composition intermétallique. Un autre objet principal de l'invention est un procédé de liaison et de séparation linéaire de deux éléments, un premier élément et un second élément destinés à être liés linéairement l'un à l'autre temporairement par des moyens de liaison, et 15 devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu par échauffement généralement rapide et partiel des moyens de liaison, l'échauffement étant déclenché à distance. Selon l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes : lier le premier élément et le second élément par de la colle ; 20 disposer du matériau pyrogène, c'est-à-dire générateur de chaleur, dans un tube lui-même placé entre le premier élément et le second élément, au milieu de la colle, le matériau de type pyrogène étant amorçable par une liaison électrique de commande ; - déclencher pyrotechniquement ledit matériau de type pyrogène pour provoquer l'échauffement rapide de la colle et obtenir la séparation des premier et second 25 éléments. 3063281 5 Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, 5 accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement : - figures 1A et 1B : des schémas représentant la séparation de deux éléments d'un lanceur aéronautique ; - figures 2A, 2B et 2C: le principe de fonctionnement d'un dispositif de l'art antérieur ; 10 - figure 3 : un schéma représentant la localisation du dispositif selon l'invention, appliqué à un lanceur aéronautique ; - figures 4A, 4B et 4C: trois schémas représentant le dispositif selon l'invention et son fonctionnement ; et - figures 5A, 5B et SC: trois schémas relatifs à une mise en oeuvre 15 préférentielle du dispositif selon l'invention et son fonctionnement. Description détaillée de l'invention La figure 3 montre un lanceur aéronautique possédant un premier étage 20 porteur 1 avec ses propulseurs et portant, au-dessus de sa partie supérieure, une partie à satelliser, ou un étage supérieur. Dans l'encadré montrant un agrandissement est localisée une liaison entre ces deux éléments du lanceur aéronautique. La figure 4A montre schématiquement, en coupe, les premier et second éléments 1 et 2 séparés par une partie représentée de forme carrée symbolisant des 25 moyens de liaison. Ces derniers contiennent un tube contenant un matériau de type pyrogène S. De préférence, ce matériau de type pyrogène est un mélange de thermite et de un ou de plusieurs matériaux métalliques, c'est-à-dire une composition intermétallique. La thermite peut également être de la nano-thermite. 3063281 6 Le tube 4 est entouré d'une colle 3, notamment dans les parties supérieures et inférieures qui se trouvent en contact avec les premier et second éléments 1 et 2. La colle 3 assure donc la jonction et le maintien entre ces premier et second éléments 1 et 2, et ceci de façon étanche. 5 La colle 3 est par exemple une colle obtenue par le procédé INDAR développé par la société RESCOLL, ou encore une colle de type EA 9395. En référence à la figure 4B, à un moment déterminé, on procède à la mise à feu du matériau de type pyrogène, de façon pyrotechnique, avec des moyens de déclenchement placés à distance par rapport à la liaison entre le premier élément 1 et le 10 second élément 2 et agissant sur le matériau pyrogène 5 par l'intermédiaire d'une liaison électrique. Un échauffement très rapide d'une partie au moins du matériau de type pyrogène a lieu, atteignant donc rapidement une température suffisante pour faire fondre la colle. Bien entendu, le tube 4 doit présenter un point de fusion permettant de garantir son intégrité durant ce déclenchement, et l'élévation de température, tout en 15 permettant l'échauffement de la colle jusqu'à sa carbonisation et donc la suppression de son effet de liaison avec les premier et second éléments 1 et 2. Ces derniers sont ainsi séparés. La figure 4C montre cette séparation avec le premier élément 1 portant ce qu'il reste des moyens de liaison, c'est-à-dire en particulier le tube 4. Le second 20 élément 2 est donc séparé du premier élément 1. On comprend donc qu'on peut procéder à la séparation de deux étages d'un engin aéronautique, notamment entre un premier étage porteur, constitué par le premier élément 1 et un second étage devant continuer son ascension vers l'espace et étant constitué par un second élément 2. Dans cette architecture, les efforts généraux passent par la liaison collée 25 et le tube métallique 4, qui sont donc dimensionnés en conséquence. On note que sur les figures 4A, 4B et 4C, les premier élément 1 et second élément 2 peuvent former une couronne intermédiaire entre les deux étages d'un engin aéronautique, c'est-à-dire constituant une liaison intermédiaire entre ces derniers. 3063281 7 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, on prévoit un système de retenue sur le premier élément 1 des moyens de liaison, notamment du tube 4, après déclenchement pyrotechnique. En référence aux demi-vues en section axiale des figures 5A, 5B et 5C, 5 une réalisation particulière de l'invention est la suivante. Les premier élément 1 et second élément 2 possèdent une extrémité élargie. Sur une surface d'extrémité de ces derniers est disposée la colle 3 qui entoure entièrement, ou au moins partiellement, le tube 4 rempli de matériau de type pyrogène 5. 10 Comme illustré à la figure 5B, la mise à feu du matériau de type pyrogène 5 provoque l'échauffement et la fusion ou la carbonisation de la colle 3. Le système de retenue 6 est fixé au premier élément 1 et entoure au moins le tube 4. De préférence, le système de retenue 6 comporte des orifices pour le 15 passage de la colle 3. Comme le montre la figure 5C, après le déclenchement pyrotechnique, il y a séparation des premier et second éléments 1 et 2. Le système de retenue 6 entoure toujours le tube 4, qui est retenu auprès du premier élément 1. On prévoit que ce système de retenue soit constitué d'un film métallique entourant le tube 4, sur toute sa 20 circonférence, celui-ci étant annulaire comme les éléments 1 et 2. Ce système de retenue 6 doit avoir un point de fusion élevé, afin de résister à la chaleur dégagée par le matériau de type pyrogène. Le point de fusion du système de retenue 6 et celui du tube 4 sont en particulier supérieurs au point de fusion de la colle 3. Concernant ce dernier, le choix de la thermite peut se faire en fonction 25 de la colle utilisée, ainsi que des caractéristiques du matériau utilisé pour constituer le tube. En variante, le système de retenue 6 peut être fixé directement à des régions latérales du tube 4 agencées chacune entre les parties du tube qui sont en contact avec la colle 3. 3063281 8 En d'autres termes, l'invention concerne un ensemble comprenant un premier élément 1 et un second élément 2 reliés linéairement l'un à l'autre par des moyens de liaison, et comprenant, outre les moyens de liaison, un matériau pyrogène et des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du matériau pyrogène, dans 5 lequel: - le matériau pyrogène 5 est placé dans un tube 4 lui-même placé entre le premier élément 1 et le second élément 2, et - les moyen de liaison sont constitués par une colle 3 placée entre le tube 4 et chacun des premier et second éléments 1, 2. 10 Un procédé de liaison temporaire d'un premier élément et d'un second élément selon l'invention comporte donc les étapes consistant à : - disposer un matériau pyrogène dans un tube muni de moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du matériau pyrogène ; puis - interposer une colle entre le tube et le premier élément, et entre le tube et le 15 second élément de sorte que la colle assure la fixation de chacun des premier et second éléments au tube. Un procédé de séparation d'un premier élément et d'un second élément préalablement reliés au moyen du procédé de liaison temporaire ci-dessus, et formant donc un ensemble du type décrit ci-dessus, consiste à opérer un déclenchement 20 pyrotechnique du matériau pyrogène 5 de sorte qu'un échauffement du matériau pyrogène 5 provoque un échauffement de la colle 3 permettant la fusion ou la carbonisation de cette colle 3 et donc la séparation mutuelle des premier et second éléments 1, 2. Le dispositif et le procédé selon l'invention peuvent être utilisés aussi 25 bien dans le domaine civil que dans le domaine militaire. On note que l'invention permet un niveau de chocs pyrotechniques réduit, voire inexistant, ce qui est primordial pour la pérennité du matériel, notamment du second élément. En évitant d'utiliser des moyens de liaison métalliques entre les premier et second éléments, on s'affranchit de générer des débris métalliques, fondus ou pas, 30 après le déclenchement pyrotechnique. REVENDICATIONS1. Dispositif de liaison et de séparation linéaire de deux éléments, à savoir un premier élément (1) et un second élément (2), liés linéairement l'un à l'autre par des moyens de liaison, et devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu par échauffement des moyens de liaison, cet échauffement étant déclenché à distance, le dispositif comprenant : les moyens de liaison entre les premier et second éléments (1) ; un matériau pyrogène (5), générateur de chaleur, placé près des moyens de liaison ; et - des moyens de déclenchement pyrotechnique à distance du matériau pyrogène (5), caractérisé en ce que : - le matériau pyrogène (5) est placé dans un tube (4) lui-même placé entre le premier élément (1) et le second élément (2) ; et les moyen de liaison sont constitués par une colle (3) placée entre le tube (4) et chacun des premier et second éléments (1, 2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la colle (3) est une colle thermiquement isolante vis-à-vis du tube (4) et des premier et second éléments (1, 2). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un système de retenue (6) du tube (4) sur le premier élément (1). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système de retenue (6) est métallique. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'applique à un engin spatial, le premier élément (1) correspondant à un étage porteur, le second élément (2) correspondant à un étage porté. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau pyrogène est un mélange de thermite et d'une composition intermétallique. 3063281 10 7. Procédé de liaison et de séparation linéaire de deux éléments, un premier élément (1) et un second élément (2) destinés à être liés linéairement l'un à l'autre temporairement par des moyens de liaison, et devant être séparés de façon certaine, la séparation ayant lieu par un échauffement des moyens de liaison, 5 l'échauffement étant déclenché à distance, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : lier le premier élément (1) et le second élément (2) par de la colle (3) ; - disposer un matériau pyrogène (5), générateur de chaleur, dans un tube (4), lui-même placé entre le premier élément (1) et le second élément (2), au milieu de la colle, le 10 matériau pyrogène (5) étant amorçable par une liaison électrique de commande ; et - déclencher pyrotechniquement ledit matériau pyrogène (5) pour provoquer l'échauffement rapide de la colle (3) et obtenir la séparation des premier et second éléments (1, 2).