Brevet FR3096047A1 — publié le 20201120

Description Titre de l'invention : Grains de poudre propulsive comprenant des canaux au moins partiellement obturés Domaine de l'invention [0001] Le domaine technique de l'invention est celui des chargements propulsifs pour obus. Etat de la technique [0002] La propulsion des obus dans une arme à tube est assurée par la combustion d'un chargement de poudre propulsive. Le chargement de poudre propulsive (en matériau énergétique) pour amies à tube de moyen et gros calibres se présente le plus souvent sous la forme d'un vrac de grains cylindriques de poudre (typiquement avec un ratio L (Longueur)/D (Diamètre) de 0,25 à 5 pour un L et D compris entre 1 et 25 mm) Les grains sont pourvus de canaux axiaux débouchant (généralement sept, dix-neuf voire trente-sept canaux). Ces canaux axiaux sont généralement répartis selon une symétrie radiale. Dans un canon appelé arme à tube, on distingue 3 phases bien distinctes de fonctionnement : allumage déflagrant de la charge propulsive suivi de la pressurisation rapide du tube / mise en mouvement du projectile / accélération du projectile jusqu'à son éjection du tube. Le débit de gaz généré par le chargement doit augmenter au fur et à mesure de la progression du projectile dans le tube. Il doit donc être progressif croissant. [0003] Le débit de gaz est fonction, d'une part, de la composition des grains de poudre. La composition impose la température de flamme (de combustion) Tc et la loi de vitesse de combustion Vc''udr, du grain en fonction de la pression Pc (dans le tube). La vitesse de combustion de la poudre (et donc la pression dans le tube) dépend aussi de la température Ti du grain de poudre, notamment dans les phases d'allumage et de pressurisation. Cette température Ti est variable selon les conditions de stockage de l'obus avant son chargement dans l'arme. La gamme de température Ti opérationnelle des chargements propulsifs est généralement comprise entre Tiftoid min= -40°C et Tichaucl max= 63°C. La vitesse de combustion de la poudre, et donc le débit de gaz généré par la combustion, augmentent lorsque Ti augmente. Ces variations de vitesse de combustion en fonction de Ti impactent surtout les performances dans la phase d'allumage et de pressurisation. Il peut donc se produire soit une sur-pressurisation à chaud soit une sous-pressurisation à froid conduisant à des dégradations des performances attendues voire de l'arme à tube elle-même. Ainsi, la définition d'une performance optimale à température ambiante peut s'avérer insuffisante à froid et surdimensionnée à chaud. [0004] Le débit de gaz au cours du temps de combustion (évolutif au cours de la 2 combustion) du grain est, d'autre part, imposé par la géométrie des grains de poudre et par le nombre, la géométrie et les dimensions des canaux. La géométrie du grain et les caractéristiques des canaux fixent la surface de combustion et l'épaisseur à brûler du grain. La dimension et le nombre de canaux sont donc deux paramètres de réglage du débit de gaz au cours du temps de combustion de la poudre et donc de la pression dans l'arme à tube. [0005] L'homme du métier sait définir la géométrie d'un grain et les caractéristiques de ses canaux et choisir la composition de poudre de façon à obtenir un débit de gaz à une température Ti donnée. Néanmoins, les profils temporels de débit de gaz accessibles avec les géométries conventionnelles des grains de poudres, du type cylindrique à canaux, sont limités. De plus, la gestion du débit de gaz du chargement de poudre sur la plage de température opérationnelle reste toujours un problème auquel l'homme du métier est confronté. [0006] Les grains de poudre comprenant des canaux débouchant pour armes à tube de moyen et gros calibre sont fabriqués industriellement par des procédés par extrusion en continu. Le mélange des constituants de la poudre est extrudé par une presse verticale ou une vis sans fin. Plus récemment, la demande de brevet WO 2017/164731 a décrit la préparation d'une composition énergétique par un procédé dit de «fabrication additive» qui est également connu sous le nom d'impression 3D. Ce procédé permet a priori la fabrication de grains présentant des géométries plus complexes que celles accessibles par le procédé par extrusion. [0007] Pour limiter les variations de vitesse de combustion en fonction de Ti, des recherches de compositions à faible sensibilité à la Ti ont été menées. Le brevet US 4416712 décrit par exemple des compositions de poudres pour aunes à tube à variation de vitesse limitées en fonction de Ti. Il a par ailleurs été suggéré d'incorporer un additif en surface du grain sur une profondeur de quelques centaines de micromètres afin de limiter les variations de débit de gaz à l'allumage et la pressurisation. Les demandes de brevets US 2012/0138201 et US 2015/0321969 décrivent ainsi des grains de poudre pour armes à tube comprenant une surconcentration surfacique en plastifiant (identique ou non à celui de la composition de base de la poudre) obtenu par imprégnation après extrusion des grains. La demande de brevet FR 2 761 982 décrit des grains de poudre pour générateur de gaz pour airbag comportant une couche externe en une composition énergétique déposée par trempage ou pulvérisation, cette couche externe ayant une vitesse de combustion plus faible que celle de l'âme du grain de poudre. Ces procédés d'incorporation surfacique d'additif ne permettent toutefois pas de contrôler précisément la quantité d'additif incorporée. On observe donc des variations significatives des propriétés de combustion de la poudre selon les lots de fabrication. [0008] L'homme du métier cherche donc à produire, de façon reproductible, des grains de 3 poudre pour arme à tube qui permettent in fine de régler le profil temporel du débit de gaz avec une grande latitude et avec précision, et/ou d'obtenir un débit de gaz quasi-constant en fonction de la température Ti, et ce, indépendamment de la composition du grain de poudre qui est optimisée pour ses performances balistiques. Résumé de l'invention [0009] 11 est du mérite de l'inventeur d'avoir mis au point des grains de poudre répondant au cahier des charges susmentionné. L'invention concerne donc, selon un aspect, un grain de poudre qui comporte une pluralité de canaux débouchant ou non, au moins un canal étant partiellement ou complètement. obturé par au moins un bouchon, ledit au moins bouchon étant constitué d'un matériau dont la température de fusion Tf est supérieure à la température opérationnelle à chaud maximum (Tichand max.) du grain dc poudre, à savoir généralement supérieure à 63°C. L'invention concerne également, selon un autre aspect, un procédé dc préparation des grains dc poudre définis ci-dessus. L'invention concerne en outre, selon un autre aspect, un chargement de poudre propulsive constitué de grains de poudre tels que définis ci-dessus. Brève description des figures [0010] [fig.1] La figure 1 représente un grain de poudre conventionnel, comportant 19 canaux débouchant. [0011] [fig.2] La figure 2 représente un grain de poudre selon l'invention, comportant 19 canaux débouchant, dont 7 canaux (6 périphériques et le canal central) sont obturés, à chacune de leurs extrémités, par un bouchon. 100121 I fig.31 La figure 3 représente une vue du grain de poudre de la figure 2 en transparence partielle sur laquelle on visualise la présence interne des bouchons. 100131 I fig.41 La figure 4 représente une vue du grain de poudre de la figure 2 en coupe sur laquelle on visualise la présence interne des bouchons. 100141 I fig.51 La figure 5 représente l'architecture type d'une arme à tube et de son chargement propulsif. 100151 I fig.61 La figure 6 représente la pression à la culasse, en fonction du temps, générée lors du tir d'un projectile dans une arme à tube en utilisant soit un chargement contenant des grains sans bouchon du type de la ligure I, soit un chargement contenant des grains avec bouchons du type de la figure 2. 100161 I fig.71 La figure 7 représente la vitesse, en fonction du temps, d'un projectile propulsé dans les conditions de la figure 6. 100171 I fig.81 La figure 8 représente l'évolution de la géométrie au cours de la combustion d'un grain sans bouchon du type de la figure 1, et d'un grain avec bouchons du type de la figure 2. 100181 I fig.91 La figure 9 représente la pression à la culasse, en fonction du temps, générée lors du tir d'un projectile dans une arme à tube en utilisant un chargement contenant des grains du type de la figure 1, à différentes températures opérationnelles (Ti) des grains de poudre. [0019] [fig.10] La figure 10 représente la vitesse, en fonction du temps, d'un projectile propulsé dans les conditions de la figure 9. [0020] [fig.1 1] La figure 11 représente la pression à la culasse, en fonction du temps, générée lors du tir d'un projectile dans une arme à tube en utilisant un chargement contenant des grains du type de la figure 2, à différentes températures opérationnelles (Ti) des grains de poudre. [0021] [fig.12] La figure 12 représente la vitesse, en fonction du temps, d'un projectile propulsé dans les conditions de la figure 11. [0022] [fig.13] La figure 13 représente la pression à la culasse, en fonction du temps, générée lors du tir d'un projectile dans une arme à tube en utilisant un chargement contenant des grains de poudre conformes à l'invention, à différentes températures opérationnelles (Ti) des grains de poudre. [0023] [fig.14] La figure 14 représente la vitesse, en fonction du temps, d'un projectile propulsé dans les conditions de la figure 13. Description de l'invention [0024] Selon un aspect, l'invention concerne un grain de poudre qui comporte une pluralité de canaux (de 2 à 37 voire plus, par exemple 7, 19 ou 37) débouchant ou non, au moins un canal étant partiellement ou complètement obturé par au moins un bouchon, ledit au moins bouchon étant constitué d'un matériau dont la température de fusion Tc est supérieure à la température opérationnelle à chaud maximum (Tid,,,,'1,',') du grain de poudre. Afin d'assurer une marge fonctionnelle, cette température de fusion Tf est préférentiellement supérieure d'au moins 8°C à la température opérationnelle à chaud maximum (Tid',',,',''). De manière avantageuse, la température de fusion Tf est supérieure à 63°C. [0025] La composition des grains de poudre n'est en soi pas originale, et peut être une com- position de poudre simple base comprenant de la Nitrocellulose (NC) ; une composition de poudre double base comprenant de la Nitrocellulose (NC) et une huile nitrée telle que la Nitroglycérine (NGL), le dinitrate de triéthylène glycol (TEGDN) ou le dinitrate de diéthylène glycol (DEGDN) ; une composition de poudre multibases comprenant par exemple (NC + NGL + Nitroguanidine (NGU)), (NC + DEGDN + NGU) ou (NC + NGL + plastifiant) ; une composition de poudre (telle que décrite ci-dessus) dopée avec une charge énergétique telle que l'hexogène (RDX) ou l'octogène (HMX) ; ou bien encore une composition de poudre composite (dite aussi poudre LOVA) comprenant une charge énergétique et un liant réticulé, par exemple du type polyuréthane, polyazoture de glycidyle (PAG) et/ou thermoplastique, par exemple du PMMA ou un copolymère éthylène/acétate de vinyle (EAV). Il est possible d'incorporer dans la composition de poudre un ou plusieurs additifs et /ou un ou plusieurs liants thermoplastiques dont la température de fusion est comprise entre 63°C et 120°C et dont la température de transition vitreuse est inférieure à -40°C. [0026] Le grain de poudre selon l'invention comporte donc plusieurs canaux débouchant ou non, dont au moins un canal partiellement ou complètement obturé par au moins un bouchon. Ledit au moins bouchon est constitué d'un matériau dont la température de fusion Tr est supérieure à la température opérationnelle à chaud maximum (Tichuru',',) du grain de poudre, à savoir généralement supérieure à 63°C (Tp > 63°C). Il peut s'agir d'un matériau inflammable (inflammable au sens de la classification SGH ONU Système Général Harmonisé de classification et d'étiquetage des produits chimiques) ou d'un matériau énergétique (au sens explosif = matériau de division de risque 1 au sens de la classification SGH ONU - Système Général Harmonisé de classification et d'étiquetage des produits chimiques). Lorsque le grain contient plus d'un bouchon, chaque bouchon peut être constitué d'un même matériau ou de matériaux différents (inflammables et/ou énergétiques), et/ou présenter des longueurs identiques ou différentes. Plusieurs bouchons espacés peuvent être présents dans un même canal. Chaque bouchon a une surface radiale équivalente à celle de son canal de façon à l'obturer, sa longueur est typiquement de 1/100 à 1 fois la longueur du canal. [0027] Dans un mode de réalisation, ledit au moins un bouchon est constitué d'un matériau de composition identique à celle du grain de poudre telle que décrite ci-dessus (composition simple base, double base, multibases, dopée, composite). La vitesse de combustion du bouchon est alors identique à celle du grain de poudre (Vc1,0',1,0,, = Vc poudre). Le choix du nombre de bouchons, de leur positionnement et de leur longueur permettent de diminuer la surface de combustion initiale (et donc le débit de gaz) par rapport à un grain à canal(aux) débouchant(s) ou non sans bouchon, au moins un canal n'étant pas complètement obturé : la combustion de chaque bouchon lorsque le front de flamme l'atteint a pour effet de déboucher partiellement ou en totalité un canal et d'augmenter ainsi progressivement la surface de combustion et donc le débit de gaz. [0028] Dans un autre mode de réalisation, ledit au moins un bouchon est constitué d'un composé énergétique renfermant un liant énergétique par exemple de type NC, une charge énergétique du type RDX, HMX, EDNA (éthylène dinitramine), NGU ou GUDN (dinitramide de guanylurée) et éventuellement un plastifiant énergétique du type NGL, DEGDN ou TEGDN. La vitesse de combustion du bouchon est alors plus élevée que celle du grain de poudre (Vcb.chon > Vcpuudre). [0029] Dans un autre mode de réalisation, ledit au moins un bouchon est constitué d'un matériau inflammable, ledit matériau permettant d'obtenir une vitesse de combustion du bouchon inférieure à celle du grain de poudre (Vc6oUcàofl température ambiante. Ces variations de pression dans l'arme en fonction de Ti entraînent une augmentation de vitesse du projectile avec la Ti comme montré sur la figure 10. [0060] En référence à la figure 11, pour la pression maximale à la culasse, les pressions maximales obtenues avec le chargement C sont identiques à froid Ti = -40°C et à température ambiante Ti = 21°C, et sont de l'ordre d'environ 350 MPa. En référence à la figure 12, les vitesses maximales de projectile sont sensiblement équivalentes à froid et à température ambiante. Cet effet d'équivalence de fonctionnement en température pour un même chargement (selon l'invention) s'expliquent par le fait que les bouchons du chargement C se brisent lors de la déflagration d'allumage en libérant les canaux à une température froide Ti 21°C. A Ti = 21°C, les bouchons obturent donc les canaux et brûlent en libérant progressivement les canaux. A Ti=-40°C, les bouchons se brisent à l'allumage et libèrent la surface des canaux initialement bouchés. Exemple 3 [0061] Le chargement D selon l'invention est de même architecture que celui du chargement B de l'exemple 1 comprenant 14 bouchons. La composition des grains du chargement D est la même que celle des grains du chargement A de référence. Les bouchons sont constitués d'un matériau dont la température de transition vitreuse est comprise entre 21°C et 63°C. Le matériau susceptible de présenter ces propriétés pour ces températures est par exemple le propolis. 13 [0062] En référence à la figure 13, la pression maximale à la culasse obtenue avec le chargement D est d'environ 550 MPa à la température Ti = 21°C, cette pression est nettement supérieure à celle obtenue à la température Ti = 63°C qui est d'environ 420 MPa. En référence à la figure 14, les vitesses maximales de projectile sont équivalentes à température ambiante et à chaud. Ces résultats s'expliquent par le fait que les bouchons du chargement D se brisent lors d'une déflagration d'allumage du chargement en libérant les canaux à une température Ti 63°C. A Ti = 63°C, les bouchons obturent donc les canaux et brûlent en libérant progressivement les canaux. A Ti = 21°C. les bouchons se brisent à l'allumage et libèrent la surface des canaux initialement bouchés. Ainsi, pour un même chargement D, la pression maximale à chaud est inférieure à celle obtenue à la température ambiante. On dispose donc d'une possibilité significative d'augmentation de l'énergie du chargement à l'ambiante sans risquer de surpression à chaud. 14 REVENDICATIONS[Revendication 1] Grain dc poudre qui comporte une pluralité de canaux débouchant ou non, au moins un canal étant partiellement ou complètement obturé par au moins un bouchon, ledit au moins bouchon étant constitué d'un matériau dont la température de fusion est supérieure à la température opérationnelle à chaud maximum du grain de poudre. [Revendication 2] Grain dc poudre selon la revendication 1, dans lequel la température de fusion dudit bouchon est supérieure à 63°C. [Revendication 3] Grain dc poudre selon la revendication 1 ou la revendication 2, qui contient plus d'un bouchon, chaque bouchon étant constitué du même matériau ou de matériaux différents. [Revendication 4] Grain de poudre selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le ou les bouchons obturant partiellement lesdits canaux est (sont) constitué(s) d'un matériau de composition identique à celle du grain de poudre. [Revendication 5] Grain de poudre selon la revendication 4, dans lequel ladite composition est une composition de poudre simple base comprenant de la nitrocellulose ; une composition de poudre double base comprenant de la nitrocellulose et une huile nitrée ; une composition de poudre multibases ; une composition de poudre simple base, double base ou multibases, dopée avec une charge énergétique ; ou bien encore une composition de poudre composite comprenant une charge énergétique et un liant réticulé. [Revendication 6] Grain de poudre selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un bouchon est constitué d'un composé énergétique renfermant un liant énergétique, une charge énergétique et éventuellement un plastifiant énergétique. [Revendication 7] Grain de poudre selon la revendication 6, dans lequel le liant énergétique est de la nitrocellulose, la charge énergétique est choisie parmi l'hexogène, l'octogène, l'éthylène dinitramine, la nitroguanidine ou la dinitramide de guanylurée, et le plastifiant énergétique est choisi parmi la nitroglycérine, le dinitrate de triéthylène glycol ou le dinitrate de diéthylène glycol. [Revendication 8] Grain de poudre selon la revendication 1, clans lequel ledit au moins un bouchon est en un matériau inflammable, ledit matériau permettant d'obtenir une vitesse de combustion du bouchon inférieure à celle du grain de poudre. [Revendication 9] Grain de poudre selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un 15 [Revendication 10] bouchon est en un matériau thermoplastique inflammable dont la température de transition vitreuse est supérieure à la température opérationnelle à froid minimum du grain de poudre. [Revendication 11] Grain de poudre selon la revendication 9, dans lequel la température de transition vitreuse du matériau thermoplastique inflammable est supérieure à -40°C. [Revendication 12] Chargement de poudre propulsive constitué de grains de poudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, ou d'un bloc composé desdits grains de poudre. Procédé de préparation de grains de poudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 qui comprend : (i) la préparation d'une pâte comprenant les ingrédients de la poudre, (ii) la préparation d'une pâte comprenant les ingrédients du ou des bouchons, (iii) le mélange en totalité ou par parties séparées des pâtes obtenues aux étapes (i) et (ii) au moyen d'un dispositif de fabrication additive.