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"Procédé de liaison de polyt6trafluoréthyHne à une surface métallique"
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La présente invention concerne, d'une manière générale, un procédé de liaison en vue de fixer du polytétrafluoréthylène sur une surface métallique et elle concerne, en particulier, la liaison d'un manchon de polytétrafluoréthylère de protection contre la chaleur sur une envelop- pe structurelle tronconique en alliage de magnésium.
Les antennes métalliques de télémesure de certains véhicules de rentrée à grande vitesse dans l'atmosphère ne peuvent fonctionner con- venablement à moins qu'elles ne soient protégées d'une manière appro- priée contre les conditions rigoureuses d'échauffement rencontrées au cours de la rentré? dans l'atmosphère terrestre âpres un vol spatial.
Afin de permettre la télémesure d'informations à des stations ter- restres au cours de la rentrée et lorsque l'échauffement rigoureux pro- voqué par les conditions de rentrée a cessé, la matière utilisée sur les antennes de télémesure en vue de leur conférer une protection contre la chaleur ne doit pas subir une carbonisation ou une dégradation ther- mique atténuant sérieusement la transmission radio. On a trouvé que le polytétrafluoréthylène, disponible dans le commerce sous le nom de "Teflon" (produit de la "DuPont Company") était une des matières actuel- lement connues pour la protection contre -la chaleur, cette matière pou- vant protéger les antennes métalliques de télémesure des véhicules de rentrée dans l'atmosphère, tout en résistant également à la dégradation thermique.
Un procédé de la technique antérieure en vue de lier des de "Teflon" sur des surfaces préparées est décrit dans le Brevet Américain N 2.984.599 aux noms de George D. Edwards et al. Par suite des coefficients de dilatation thermique différents pour le "Teflon" et les composants métalliques des antennes de télémesure, em- . ployés pour les différents véhicules de rentrée dans l'atmosphère, on a rencontré de sérieuses difficultés pour fixer, d'une manière adéquate, les matières plastiques protectrices en une épaisseur suffisante sur les antennes, de façon à protéger les éléments de ces dernières au cours d'une rentrée dans l'atmosphère, tout en permettant également la trans- mission d'une télémesure.
En conséquence, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procède en vue de fixer, sur une surface métallique, une ma-
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tiare plastique de protection contre la chaleur.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé en vue de lier du polytétrafluoréthylène à un alliage de mag- nésium ayant un coefficient de dilatation thermique différent.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé en vue d'obtenir un interstice uniforme de ligne de liaison en- tre une matière plastique d'enveloppe et un substrat d'une matière différente.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé perfectionné en vue de lier une couche protectrice de polyté- trafluoréthylène sur une autre surface.
Un autre objet encore de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé en vue d'obtenir une liaison exempte de vides entre une couche en matière plastique et une surface métallique.
Un autre objet encore de la présente in@ention est de prévoir un , nouvel appareil de liaison en vue de fixer, sur un élément d'antenne de véhicule de rentrée, dans l'atmosphère, un manchon profilé en matiè- re plastique de protection contre la chaleur.
Suivant la présente invention, on réalise les objets ci-dessus, ainsi que d'autres, en prévoyant un manchon tronconique en alliage mé- tallique constitué d'environ 3% de thorium et de 97% de magnésium, ce manchon étant usiné aux dimensions désirées. Ce manchon d'alliage mé- tallique sert de structure métallique d'antenne pour un véhicule de rentrée dans l'atmosphère et il comporte un manchon lié de protection contre la. chaleur, constitué de polytétrafluoréthylène usiné. Lors de son usinage initial, ce manchon en matière plastique a pratiquement le même diamètre intérieur que celui de l'antenne métallique.
Lorsqu'on soumet les deux éléments à une température d'environ 93 C, le manchon en matière plastique subit une plus forte dilatation thermique que cel- le de l'antenne métallique, de façon que les deux éléments puissent venir se mettre en place. Sur la surface extérieure de la surface mé- tallique, on prévoit plusieurs saillies radiales disposées circonfé- rentiellement et ayant une longueur maintenant les éléments mis en pla- ce à une distance contrôlée sur toute leur longueur, Cet interstice est
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rempli d'un adhésif à durcissement thermique et la structure obtenue est alors chauffée davantage et mise sous pression,
afin de cuire l' adhésif et d'assurer une liaison rigide entre les deux éléments pou- vant maintenir les pièces dans une position relativement fixe au cours des conditions soutenues de température élevée que l'on rencontre pen- dant une rentrée dans l'atmosphère terrestre,
Un aspect plus complet et de nombreux avantages connexes de l'in- vention ressortiront plus aisément et seront mieux compris en se réfé- rant à la description détaillée ci-après, ainsi qu'aux dessins en an- nexe, dans lesquels : la fig. 1 est une vue, avec certainespièces en coupe, du cône de rentrée d'un véhicule spatial comportant une structure d'antenne métal- lique protégée réalisée conformément à la résente invention;
la fig. 2 est une vue, avec certaines pièces détachées, montrant l'organe fixe de liaison par transfert d'adhésif et le piège de trop- plein fixe à une structure d'antenne en alliage de magnésium et à un manchon en matière plastique au cours du procédé de liaison de la pré- sente invention; la fig. 3 est une coupe partielle agrandie d'une partie de l'orga- ne fixe de liaison employé pour centrer le manchon de polytétrafluoré- thyléne autour de la chemise métallique et pour transférer l'adhésif dans l'interstice compris entre ce manchon et cette chemise; la fig, 4 est une vue schématique de l'appareil employé en vue de lier, par adhésif et sous vide, le manchon de polytétrafluoréthylène à la chemise métallique conformément à la présente invention ; la fig. 5 est une vue agrandie prise sur les lignes 5-5 de la fig.
2 et la fig. 6 est une coupe agrandie d'un tronc de cône d'antenne mo- difié auquel est liée une couche de polytétrafluoréthylène conformément à la présente invention.
En se référant à présent aux dessins en annexe, dans lesquels les mêmes chiffres de référence désignent des pièces identiques ou corres- pondantes dans les différentes figures et en se référant plus particu- lièrement à la fig. 1, on représente un véhicule spatial 10 comportant
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en élément d'antenne de cône réalisé conformément à la présente inven- tion et désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 11.
Le cône 11 comprend un manchon 13 de polytétrafluoréthylène de protec- tion contre la chaleur fixe, par la couche d'adhésif 15, à une chemise tronconique 17 d'alliage de thorium-magnésium. Une pièce rapportée tu- bulaire 19 en acier inoxydable ou en une matière analogue est fixée à la surface intérieure de la chemise 17 par des rivets 20 ou d'autres moyens habituels, comme décrit ci-après d'une manière plus détaillée.
Au moyen de filets, la pièce rapportée 19 reçoit et fixe le blindage d'ablation en bout 21 au véhicule 10, ce blindage conférant la protec- tion thermique majeure requise pour le cône 11 au cours de sa rentrée dans l'atmosphère terrestre après une mission spatiale. La chemise d' alliage de magnésium 17, sous forme d'un tronc de cône creux ou d'un cône tronqué, sert d'antenne métallique pour renvoyer des signaux de télémesure à des postes récepteurs terrestres au cours du vol d'un véhi- cule spatial 10 et, pour cette raison, elle doit être protégée thermi- quement contre la chaleur très élevée rencontrée au cours de la phase de rentrée du programme de vol.
Les matières plastiques telles que le polytétrafluoréthylène ou "Teflon" se sont avérées'parfaitement appropriées pour assurer la protection thermique nécessaire pour les antennes de ce type, tout en permettant également la transmission des signaux de télé- mesure par ces antennes. Afin d'empêcher, sur le manchon protecteur, la formation de points chauds pouvant entraîner des brûlures et une dété- riotation ou une désintégration ultérieure de l'antenne de magnésium, il est essentiel que la liaison adhésive employée pour maintenir le manchon de protection thermique 13 en place sur la chemise 17 soit d'une épais- seur pratiquement uniforme et exempte de vides sur toute la longueur des deux éléments.
En se référant à présent plus particulièrement à la fig. 2, l'orga- ne fixe de liaison par transfert d'adhésif, employé pour centrer l'en- veloppe 17 dansle manchon 13 en vue de lier les deux éléments, est re- présenté et défini d'une manière générale par le chiffre de référence
25. Comme représenté dans cette figure, une conduite d'adhésif 29 arri- ve à l'organe fixe 25 et, près de ce dernier, elle est divisée en plu-
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sieurs canaux tubulaires 30. Les canaux tubulaires 30 servent à trans- férer l'adhésif dans l'interstice formé entre le manchon 13 et le re- vêtement 17, ainsi qu'on l'exposera ci-après d'une manière plus détail- lée.
Comme représenté dans cette figure, des rangées de petits rivets espacés 23 à tête ronde sont habituellement fixées autour de la surfa- ce extérieure de l'enveloppe 17; la fonction ,le rivets étant également décrite ci-après d'une manière plus détaillée. La fig. 5 illustre les détails structurels d'un simple rivet 23. Les rivets 23 peuvent être du type connu dans la technique sous le nom de "rivets borgnes" ou ana- logues. Un réservoir annulaire de trop-plein 33 (fig. 2) est placé, par friction, autour de la grande extrémité du manchon 13, de façon à former un réservoir concentrique recevant tout excès d'adhésif au cours du procédé de liaison.
En se référant à présent à la fig. 3, on comprendra plus aisément . les détails de l'organe fixe de liaison 25, ainsi que le procédé en vue d'introduire la couche d'adhésif 15 entre le manchon 13 et la che- mise 17. L'organe fixe de liaison 25 comprend un.taraud 35 fileté exté- rieurenient, alésé en son centre et venant s'engager par vissage dans la pièce rapportée 19 filetée intérieurement à l'intérieur de l'extrémi- té de la chemise 17.
Le taraud 35 est formé d'une matière'métallique durable, par exemple de l'acier inoxydable et il comporte un alésage central élargi 37, Une rangée de perforations taraudées et équidistan- tes, dont une est représentée à la fig. 3 et désignée par le chiffre de référence 39, est placée cirçonférentiellement près de l'alésage ' ,37 en vue de recevoir plusieurs boulons, dont un est représenté et dé- signé par le chiffre de référance 41. Les filets extérieurs 43 du ta-' raud 35 se terminent prés d'un.épaulement annulaire élargi 45. L'épau- lement 45 comporte, sur une de ses surfaces, une gorge circonférentiel- le 46 enfermant un joint torique 47 servant à étanchéifier l'épaulement
45 contre la pièce rapportée 19 lorsque le taraud fileté 35 est ainsi vissé.
Un groupe collecteur d'adhésif ou couvercle 50 forme l'autre partie de l'organe fixe 25 de liaison par transfert d'adhésif. Le cou- vercle 50 comporte un rebord 51 s'étendant circonférentie lement et venant se loger, par glissement, dans le taraud 35, de façon à appuyer
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contre la surface intérieure de l'épaulement annulaire 45.
Un joint to- rique approprié 53 est prévu dans une gorge circonférentielle 54 prati- quée dans l'éparlement 45, de façon à étanchéifier le rebord 51 contre ce dernier, Le @ouvercle 50 comporte également une ouverture interne 57 d'une dimension correspondant à celle de l'alésage central 37 au taraud 35, ainsi qu'ur: rangée d'ouvertures disposées circonférentiellement et dont une est représentée et désignée par le chiffre de référence 59. L' ouverture 59 est en alignement avec la perforation taraudée 39 du taraud 35, lorsque les, deux éléments sont disposés l'un prés de l'autre pour recevoir des boulons d'assemblage 41.
Un joint torique 63, placé dans une gorge annulaire 64, ferme hermétiquement le couvercle 50 contre le manchon 13 lorsque l'organe fixe de liaison 25 est placé en position active par rapport à ce manchon. Comme représenté à la fig. 3, un réser- voir circonférentiel 66 est formé entre le taraud 35 et le couvercle 50.
Le réservoir 66 sert à transférer uniformément, l'adhésif, amené dans l'organe fixe de liaison 25 par les canaux 30, sur l'interstice de li- gne de liaison maintenu entre le manchon 13 et la chemise 17. Comme re- présenté à la fig, 3, les canaux 30 sont maintenus en liaison avec l' organe fixe 25 par des raccords de conduite ordinaires 67.
A présent, la fig. 4 montre une représentation schématique de tout l'appareil employé pour appliquer la couche d'adhésif 15 entre le man- chon 13 et la chemise 17, cet appareil étant désigne d'une manière géné- rale par le chiffre de référence 75. L'appareil 75 comprend une chambre à vide chauffée 77, dans laquelle le manchon 13 et la chemise 17 vien- nent se placer en vue d'être liés ensemble. La conduite d'adhésif 29 passe par une ouverture appropriée pratiquée dans le récipient 77 et elle est reliée à l'organe fixe de liaison 25 comme décrit ci-dessus.
L'autre extrémité de la conduite 29 est reliée à l'organe à soupapes 79 contenant les soupapes 81 et 83. La soupape 81 sert à relier la conduite d'adhésif 29 à la conduite d'alimentation d'adhésif 85 allant à un réci- pient d'adhésif placé dans la chambre de mélange d'adhésif 87. Le réci- pient d'adhésif contenu dans la chambre de mélange 87 est en communica- tion hydraulique avec une pompe à vide 89 et une source de pression hy- draulique 91, tout en faisant partie d'un dispositif mélangeur ordinaire
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désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 92. Un me langeur de ce type, disponible dans le commerce, est le "Pyles SP-1@78" vendu par "Pyles Industries, Incorporated", Détroit, Michigan.
La soupape 83 sert à relier une source d'azote sous pression 93, au moyen des conduites 94 et 95, à l'intérieur du récipient à vide 77.
Deux lumières d'observation, dont une est désignée par le chiffre de référence 103, sont prévues dans le couvercle amovible 78 du récipient 77.
Au moyen d'une conduite 97 comportant une soupape 98 de mise en et hors circuit, le récipient 77 est également en communication hydrau- lique avec une pompe il vide ordinaire appropriée pouvant mettre le ré- cipient 77 sous un vide contrôlé d'environ 12S mm de mercure (non repré- senté). Un groupe ordinaire d'enregistrement et de contrôle 101 est raccordé électriquement avec le mécanisme approprié du récipient 77 et il sert à enregistrer et à régler, de la manière habituelle, les condi- tions internes de température maintenues dans le récipient 77 au cours d'une opération de liaison.
A présent, la fig. 6 représente plus particulièrement une coupe d' un tronc de cône 112 d'antenne dipôle comportant des enveloppes d'al- liage métallique 117 et 118, ainsi qu'un manchon protecteur 113. Les enveloppes 117 et 118 peuvent également avoir la forme d'un cône tron- qué et elles sont reliées par une bague diélectrique 125 placée à l'in- térieur et formée, par exemple, d'une couche de résine phénolique ren- forcée d'un tissu de fibres de verre. Deux rangées de rivets étroite- ment espacés servent à relier la-bague diélectrique 125 aux enveloppes .117 et 118, un rivet de chaque rangée étant représenté et désigné res- pectivement par les chiffres de référence 123 et 124.
Une pièce rappor- tée annulaire métallique en forme de coin 127 est maintenue entre l'en- veloppe 118 et la bague diélectrique 125 par la rangée de rivets 124 et elle forme un support structurel pour l'assemblage.
Dans cette forme de réalisation, tous les rivets 124 de la rangee sont affleurants à la surface métallique de l'enveloppe 118. La majeure partie des rivets de la rangée comportant les rivets 123 sont également analogues aux rivets 124 et ils sont également affleurants à la surface
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de l'enveloppe 117. Toutefois, afin de faciliter l'établissement d'un interstice contrôle de ligne de liaison, ainsi qu'on l'exposera ci- après d'une manière plus détaillée, certains rivets équidistants de cette rangée conservent des têtes rondes.
Détermination de l'interstice de ligne de liaison
En se référant à présent plus particulièrement aux fig. 1 à S, le manchon 13 est usiné à partir d'un bloc plein de "Teflon" à un dia- mètre intérieur ayant essentiellement les dimensions du diamètre exté- rieur de la chemise tronconique 17 d'alliage à 3% de thorium et à 97% de magnésium. L'épaisseur du manchon 13 variera pour différentes opéra- tions de protection thermique, mais l'épaisseur sur toute la longueur de chaque manchon inàividuel 13 est pratiquement uniforme, à l'excep- tion du rebord circonférentiel interne 14, comme représenté dans les fig. 1 et 3. Le rebord 14 est employé pour procurer des avantages méca- niques évidents au point de vue résistance et pour faciliter la forma- tion de l'interstice désir.: de ligne de liaison.
Par suite des coéffi- cients de dilatation différents du polytétrafluoréthylène et de l'al- liage de thorium-magnésium, le manchon 13 sa dilatera légèrement plus que la chemise d'alliage 17 lors du chauffage des deux éléments. Cette différence de dilatation sert à élargir suffisamment le diamètie inté- rieur du manchon usine 13 pour atteindre le diamètre nécessaiie afin d' établir l'interstice minimum de ligne de liaison entre les deux éléments et de les lier d'une manière permanente au moyen d'un adhésif. On a calculé que, pour obtenir une liaison adéquate, tout en maintenant la protection thermique nécessaire et tout en permettant la transmission optimum de télémesure par la chemise d'antenne 17, l'interstice minimum entre le manchon 13 et la chemise 17 devait être de 0,355 mm.
Suivant les tolérances structurelles et opératoires du revêtement d'alliage de magnésium et du manchon de polytétrafluoréthylène, l'interstice maximum de liaison permis est d'envrion 1,905 mm. Puisque le polytétrfluoré- thylène ne peut être moulé ou coulé exactement aux tolérances précises, le manchon 13 doit être usiné à partir d'un bloc plein de "Teflon". Le diamètre intérieur du manchon 13 est déterminé en tenant compte du coefficient de dilatation du polytétrafluoréthylène de façon que, lors-
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que le manchon 13 et l'enveloppe structurelle de thorium-magnésium 17 sont portés à 93 C, il y ait, entre les deux éléments accouplés, un interstice d'un rayon noyen de 0,635 mm.
Afin de contrôler la précision de 'interstice entre le blindage d'ablation en "Teflon" 13 et l'anten- ne d'enveloppe structurelle 17, il est nécessaire de mesurer, à titre de contrôle, l'interstice de ligne de liaison avant de procéder à la liaison finale des deux éléments. Cet interstice de ligne de liaison permet de déterminer l'interstice moyen et des corrections peuvent être apportées pour que l'interstice minimum ne soit pas inférieur à la. tolérance de 0,355mm.
Afin d'établir ce contrôle d'interstice de liaison, on fixe habi- tuellement sur la circonférence de l'enveloppe 17, un certain nombre de rangées de rivets 23 à tête ronde équidistants de 3,175 mm. La hau- teur moyenne des rivets 23 employés, après leur mise en place, est de 1,905 mm. L'enveloppe 17 étant ajustée correctement et concentriquement dans un tour, les extrémités de toutes les têtes de rivets 23 sont en- suite usinées au cône correct, parallèlement à la surface extérieure de l'enveloppe 17, pour former une ligne droite, les têtes de rivets ayant une hauteur maximum supérieure de 1,772 mm au point le plus bas indiqué sur l'enveloppe 17. Après usinage, la tête de rivet restante conserve pratiquement la forme courbe.
L'extérieur de l'enveloppe 17 est ensuite nettoyé avec un solvant de méthyl-éthyl-1,2-cétone (MEC) et on l'enduit d'une couche appropriée de caoutchouc silicone, comme par exemple le "silicone primer SS4004" de "General Electric" à environ vingt points choisis. Les zones enduites sont, par exemple, de petits points écartés de 90 le long de quatre lignes s'étendant essentielle- .ment parallèlement à la ligne centrale longitudinale de l'enveloppe 17, chaque ligne comportant cinq points d'enduit.
Après l'enduction, on lais* se sécher l'enveloppe 17 à l'air et à la température ambiante pendant au moins une heure et, à ce moment, le taraud 35 de l'organe fixe de liaison 25 est vissé Gans la pièce rapportée et filetée intérieurement 19 à la petite extrémité de l'enveloppe 17 en alliage de thorium- magnésium.
Après avoir été usiné a dimension, par exemple, à partir d'un bloc
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plein ou d'une section tubulaire épaisse de "Teflon" fritté, la surface intérieure du manchon 13 est attaquée avec une solution appropriée de sodium, comme par exemple le "Tetra-Etch" (Produit de la W.L. Gore and Associates, Inc."). Ce procédé d'attaque à l'acide est un procédé ha- bituellement employé pour modifier chimiquement la surface des matières plastiques en exposant les liaisons de carbone et en formant ainsi une surface pouvant être collée.
Après attaque à l'acide et séchage, le man- chon 13 est nettoyé avec un solvant de méthyl-éthyl-ceton (MEC) et sur la surface intérieure du manchon 13, on place, à 90 l'une de l'au- tre et parallèlement à la ligne centrale longitudinale de ce manchon, quatre bandes d'un ruban de "Teflon" sensible à la pression de 0,076 mm d'épaisseur et au moins aussi larges que les points enduits sur l'enve- loppe 17. Ensuite, on chauffe le manchon 13 à 93 C dans un four à cir- 'culation d'air (non représenté) avec la grande extrémité tournée vers le haut, le couvercle 50 du réservoir d'adhésif étant centré et mis à nouveau en dessous de la petite extrémité du manchon, à l'intérieur du four.
On mélange ensuite convenablement un caoutchouc silicone vulcani- sable à la température ambiante, comme par exemple le caoutchouc "RTV-90" de la "General Electric", ayant une viscosité d'environ 12.000 poises, avec 0,5% en poids d'un catalyseur approprié, comme par exemple le "Thermolite-12", qui est un catalyseur de savon métallique et l'on applique de petites quantités du caoutchouc catalysé aux zones enduites de la chemise 17.
Le manchon de polytétrafluoréthylène 13 est maintenu à 93 C puis la chemise d'alliage 17, comportant certaines zones enduites de caout- chouc silicone comme décrit ci-dessus, est ensuite abaissée dans le man- chon 13, tout en maintenant les deux éléments concentriques l'un par rapport à l'autre, afin d'aligner les rubans sensibles à la pression avec les rangées de caoutchouc catalysé sur la chemise 17. Ensuite, on introduit une rangée concentrique de boulons d'assemblage 41 (fig. 3) à travers les ouvertures 59 du couvercle 50 et on les visse dans les per- forations taraudées 39 du taraud 35. Grâce au serrage des boulons 41, le taraud 35 et le couvercle 50 sont fixés d'une manière étanche l'un
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par rapport à l'autre grâce aux joints toriques 47, 53 et 64, comme décrit ci-dessus.
Le manchon 13 et la chemise 17 ainsi assemblés sont maintenus dans le four à 93 C jusqu'à ce que le caoutchouc silicone soit vulcanisé, ce qui nécessite environ 2 heures. Tandis que tout l'assemblage est maintenu à 93 C, on retire les boulons 41 et l'on ex- trait, du manchon 13, la chemise 17 d'alliage de thorium-magnésium.
Ensuite, on laisse refroidir toute la structure à la température am- biante, on mesure mécaniquement l'épaisseur des pastilles de caoutchouc silicone en ajoutant 0,076 mm pour l'épaisseur du ruban sensible à la pression et l'on note l'épaisseur et l'endroit de chaque pastille de caoutchouc silicone. En comparant l'épaisseur et l'endroit des diffé- rentes pastilles de caoutchouc silicone, on peut alors déterminer la précision et/ou l'imprécision de l'@ntersice de ligne de liaison entre le manchon 13 et la chemise 17 à une température de 93 C, Par suite des tolérances permises lors de l'usinage initial du manchon de poly- tétrafluoréthylène 13 et de la chemise d'alliage 17, ce contrôle de l' interstice de ligne de liaison peut indiquer que des parties de cet interstice sont en dessous du minimum admis de 0,355 mm.
Lorsqu'on dé- cèle ce défaut, il est nécessaire d'usiner davantage des zones choisies du manchon intérieur 13, afin d'augmenter la surface de la ligne de liaison aux points où cet interstice minimum n'existe pas. Après usina- ga, ces zones choisies du manchon 13 sont alors à nouveau attaquées par une solution de sodium, comme décrit ci-dessus, afin de rétablir une surface interne collable pour le manchon, puis on effectue un deuxième contrôle d'interstice de ligne de liaison en suivant le même procédé que celui décrit ci-dessus. On répète ce procédé jusque ce que l'in- terstice de ligne de liaison sur toute la surface des deux éléments à lier soit dans la limite minimum admise de 0,355 mm.
La détermination d'un interstice de ligne de liaison pour une chemise segmentée, comme représenté . la fig. 6, est essentiellement identique . celle décrite pour les fig. 1 et 5, les rivets 123 étant usinés pour déterminer l' interstice de liaison.
Procédé deliaison
Pour le procédé de liaison décrit ci-dessus, on peut employer n'
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importe quel adhésif thermodurcissable pouvant maintenir une liaison permanente entre une matière plastique et une surface métallique dans des conditions soutenues de température élevée. Un exemple d'adhésif répondant à ces conditions est l'adhésif époxy pour températures éle- vées "Epoxylite 813-9", vendu par l'"Epoxylite Corporation of El Monte" Californie.
L'"Epoxylite 813-9" est une résine d'enrobage pour températures très élevées, vendue par le fabricant sous forme d'une résine liquide avec un agent catalytique en poudre finement divisée. Lorsqu'elle est prête à l'emploi, la résine liquide est chauffée à 80 C et l'on mélange rapidement 39 parties en poids du catalyseur avec 100 parties en poids de la résine au moyen d'une agitation Mécanique très vigoureuse, pendant au moins 10 minutes, afin d'assurer l'homogénéité. Après l'opération de mélange, on évacue l'air de l'adhésif de la manière habituelle avant de l'employer comme agent de liaison conformément à la présente inven- tion.
Puisqu'aussi bien les adhésifs de ce type ont une viscosité rela- tivement basse et qu'ils adhèrent pratiquement à n'importe quelle sur- face de contact, il est nécessaire d'étanchèifier toutes les surfaces pouvant créer des fuites, afin d'empêcher l'adhésif de passer à l'in- térieur de l'enveloppe au cours de l'opération réelle de liaison. Ces zones comprennent celles entourant les rivets exposés 23 de la fig. 2, les têtes de rivets 123 et 124 de la fig. 6 et les joints formés entre la bague diélectrique 125 et les enveloppes 117 et 118, comme représen- té dans la forme de réalisation de la fig. 6.
Dans chaque forme de réalisation, ces zones sont légèrement sablées avec un abrasif d'oxyde d'aluminium N 100, toutes les autres zones des enveloppes respectives étant masquées par un ruban, de la manière habituelle, au cours de ce procédé de sablage.
En se référant à présent plus particulièrement aux fige 1 - 5, après le sablage, or. place la chemise 17 dans un four à circulation d'air et on la chauffe à 121 C afin de conditionner les zones sablées.
Ensuite, de la manière habituelle et confcrmément aux recommandations particulières des fabricants, on nélange les composants de l'adhésif
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époxy employé pour des températures particulièrement élevées, c'est-à- dire la résine et son catalyseur ou son durcisseur puis, sur toutes les surfaces extérieures de l'enveloppe 17 susceptibles de créer des fuites, on applique un mince revêtement de l'adhésif mixte, par exemple en utilisant une petite brosse soies raides. Ensuite on maintient la chemise 17 à 121 C pendant 5 heures, afin de durcir l'adhésif en un état nen collant, puis on le-refroidit à la température ambiante.
En- suite, afin d'éliminer l'adhésif à présent non collant, on soumet toute la surface extérieure de l'enveloppe 17 à un sablage avec un abrasif d'oxyde d'aluminium N 100. Grâce à ce procédé, toutes les zones de fuite possibles sont remplies de l'adhésif et elles sont liées de façon à empêcher toute fuite possible au cours de l'opération finale de liai- son.
Ensuite, on visse le taraud fileté extérieurement 35 de l'organe fixe de liaison 25 dans la pièce rapportée filetée intérieurement 19 de la chemise 17 et l'on fixe, à l'écart l'un de l'autre, deux disques supports annulaires à l'intérieur de la chemise 17 en face des deux premières rangées de rivets. On place également une bague de magnésium à l'intérieur de la chemise 17 près de la troisième rangée de rivets ou de la rangée proche de la grande extrémité de la chemise. Ces disques et cet organe annulaire servent à renforcer la chemise au cours de l' opération de liaison, tout en l'empêchant également de fléchir ou de s'affaisser éventuellement.
Le ruban sensible à la pression utilisé au cours du contrôle de l'interstice de ligne de liaison est ensuite enlevé du manchon 13 et l'intérieur de ce dernier est à nouveau nettoyé avec un solvant de méthyl-éthyl-cétone (bIEC). Le manchon 13 est ensuite placé dans un four à circulation d'air, avec sa grande extrémité tournée Vers le haut et le réservoir d'adhésif ou couvercle 50 de l'organe fixe de liaison 25 est centre .en dessous de la petite extrémité du cône, puis cet assem- blage est chauffé et maintenu à 93 C.
On place ensuite la chemise 17 d'alliage de thorium-magnésium dans le manchon en "Teflon" 13 en maintenant les deux éléments dans le même alignement que celui utilisé dans le dernier contrôle d'interstice de li-
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gne de liaison, le manchon 13 restant dans le four chauffé, Les boulons 41 fixant le couvercle 50 sur le taraud 35 de l'organe de liaison sont ensuite serres, afin de fixer rigidement le manchon 13 circonférentiel- lement à proximité de la chemise 17, tout en maintenant, entre eux, l' interstice précis et prédéterminé de ligne de liaison, L'assemblage ainsi formé est maintenu à 93 C dans le four pendant 2 heures avant d'être transfère dans le récipient à vide 77 préchauffé à 93 C (fig, 4), La conduite d'adhésif 29,
passant par la paroi latérale du récipient, est ensuite fixée aux canaux 30 allant à l'organe de liaison 25 et le réservoir 33 s'adaptant par friction est mis en place autour du manchon 13, comme représenté à la fig. 2, le couvercle 78 étant ensuite fixé.
La conduite d'alimentation d'adhésif 85, partant du récipient de la chambre de mélange 87, est alors reliée à la conduite d'adhésif 29 par l'assemblage de soupapes 79. La conduit d'alimentation 85, la con- duite d'adhésif 29 et les canaux 30 sont réalises au moyen de tubes or- dinaires en cuivre ou analogues.
Ensuite, en se conformant aux recommandations des fabricants, on mélange l'adhésif époxy pour températures élevées en un volume égal à celui de la conduite d'alimentation 85, de la conduite d'adhésif 29, des canaux 30, du réservoir 66, de l'interstice de ligne de liaison en- tre le manchon 13 et la chemise 17, du piège d'adhésif 33 à la grande extrémité de l'assemblage et d'un excès d'environ 10%; au cours du mé- lange, la température de préchauffage est maintenue à environ 80 C. Le groupe sous vide 89, relié au récipient d'adhésif de la chambre de mé- lange 87, sert à éliminer l'air des composants adhésifs lorsque l'adhé- sif mixte est transféré dans la chambre 87 de la manière habituelle.
L'adhésif mixte est retenu dans un récipient à bain d'eau à l'intérieur de la chambre 87, à une température de 80 à 93 C. Après avoir éliminé l'air de l'adhésif mixte, on déconnecte le groupe à vide 89 par des moyens appropriés (non représentés) et l'on place une source de pres- sion hydraulique 91 en communication hydraulique avec le récipient d' adhésif. On obtient une pression d'environ 2 kg/cm2 et l'on maintient cette pression sur l'adhésif mixte pendant une période d'environ 3 mi- nutes.
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On fait ensuite tourner la soupape, 81 de la conduite d'alimenta- tion d'adhésif, de façon que l'adhésif mixte puisse être force dans l'organe de liaison 25 sous l'influence de cette pression de 2 kg/cm2, En même temps, on règle un vide appliqué par la conduite 97, afin de maintenir le récipient 77 dans des conditions de vide d'une pression d'environ 125 mm de mercure, facilitant ainsi l'écoulement lent de l' adhésif du groupe de mélange 87 à travers l'organe fixe de liaison 25 et dans l'interstice de ligne de liaison établi entre le manchon 13 et sa chemise 17,
Cet écoulement d'adhésif s'effectue lentement et uniformément au- tour de l'interstice de ligne de liaison vers le piège 33 par suite de la pression et du vide contrôlés agissant sur cet écoulement.
Lorsque le piège 33 est pratiquement rempli, ains qu'on le constate en obser- vant par les lumières 103 du couvercle 78 du récipient à vide 77, on ferme la soupape 98 de la conduite de vide et la soupape 81 de la con- duite d'alimentation d'adhésif. La soupape 83 de la conduite d'azote est ensuite ouverte pour soumettre l'intérieur du récipient 77 à une pression d'azote gazeux venant d'une source d'azote sous pression, met- tant ainsi le récipient 77 et les alentours du manchon 13 et de la chemise 17 sous une pression de 6,3 kg/cm . Le récipient 77 est alors maintenu à 930C et sous une pression d'azote de 6,3 kg/cm2pendant 16 heures,
cette durée étant nécessaire pour durcir la liaison 15 d'adhé- sif époxy pour température élevée et ainsi lier d'une manière permanen- te le manchon 13 in situ avec la chemise 17.
Après le cycle de cuisson de 16 heures, on laisse refroidir le récipient 77 à la température ambiante tout en le maintenant sous une pression de 6,3 kg/cm2. Ensuite, on retire l'assemblage refroidi et lié du récipient 77 et l'on en détache, par dévissage, l'organe fixe de liaison 25 après l'avoir déconnecté de la conduite d'adhésif 29 au moyen des raccords 67. Le disque de magnésium et les bagues supports (non représentés) sont ensuite retirés de l'intérieur de la chemise 17 après avoir joué leur rôle de supports et l'assemblage lié est sou- mis à un contrôle radiographique de qualité.
On effectue ce contrôle radiographique en introduisant un film radiographique, maintenu dans
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des supports courbes, le long de l'intérieur de la chemise 17 et en ex- posant le film de la manière habituelle par une source de radiations pla- cée à l'extérieur du manchon 13, Lorsque l'étude radiographique révèle la ligne sans vide 15, prévue et requise uniformément sur toute sa zone liée, l'assemblage peut être alors monté dans un tour approprie et être usiné, lorsque cela est nécessaire, en vue d'assurer une efficaci- té aérodynamique avant d'y ajouter le chapeau fileté d'ablation 21 (fig.
1) et avant l'assemblage,ultérieur du cône complet du véhicule spatial 10.
Lorsqu'il s'agit de lier le manchon 113 à des enveloppes segmen- tées 117 et 118 (fig. 6), on suit essentiellement le même procédé que celui décrit pour la forme de réalisation des fig. 1 à 5. Bien que l'on n'ait représenté que deux segments à la fig. 6, il est évident que dans le cadre de la présente invention, des sections multiples du tronc de cône d'antenne peuvent être protégées thermiquement par le manchon unitaire en polytétrafluoréthylène 113. Par suite de la présence de bagues permanentes de renforcement 125 dans cette forme de réalisation, les bagues de renforcement décrites ci-dessus pour empêcher l'affaisse- ment de l'enveloppe 17 au cours de la liaison peuvent être omises ou si on les utilise, elles peuvent être fixées directement aux baguas 125.
Outre le fait qu'elles assurent une séparation diélectrique entre les segments d'enveloppe 117 et 118, les bagues 125 servent également à y fixer, de la manière habituelle, les éléments des circuits de téléme- sure dans l'assemblage final du cône.
Ainsi qu'on le constate d'après les fig. 5 et 6, une surface mini- mum des rivets 23 et 123 entre en contact avec la surface des manchons de polytétrafluoréthylène 13 et 113 respectivement par suite de la construction des rivets à tête ronde. Par exemple, lorsque les rivets
23 et 1,23 sont usinés pour établir l'interstice contrôlé de ligne de liaisor, une partie seulement de chaque tête de rivet est enlevée, de façon à laisser une surface profilée courbe pour les autres parties des têtes @e rivets individuelles 23 et 123. Cette construction des têtes de rivets facilite l'écoulement de 1 t adhésif autour des rivets pendant le procédé de liaison grâce à la résistance évidemment réduite présen-
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tée par les surfaces courbes.
Grâce à cette configuration courbe modi- fiée, la surface relative des rivets entrant en contact avec la surfa- ce du manchon de polytétrafluoréthjylène est également réduite au mini- mum. Tout en étant associé à l'emploi d'un alliage d'aluminium ou d'une matière analogue à conductivité thermique relativement élevée pour la fabrication des rivets d'écartement 23 et 123, cette plus faible sur- face de contact réduit toute tendance à la formation de points chauds aux points de contact des rivets.
Bien que le procédé de liaison spécifique décrit ci-dessus soit limité à la liaison d'un manchon tronconique autour d'un revêtement creux en tronc de cône, l'homme de métier comprendra que ce procédé peut être employé pour lier n'importe quelle couche appropriée en matière plasti- que sur n'importe quel substrat particulier métallique ou non métalli- que, comme par exemple une enveloppe ou un revêtement, là où les tolé- rances de l'interstice de ligne de liaison sont critiques. De même.
Lien que la matière plastique employée dans la présente spécification soit le polytétrafluoréthylène ou "Teflon" et que la chemise soit constituée d'un alliage de thorium-magnésium, il est évident que la présente inven- tion pourrait également être appliquée à d'autres matières plastiques et d'autres métaux. Il est donc entendu que là où l'on mentionne des matières spécifiques dans le procédé décrit ci-dessus, ces matières sont simplement données à titre d'exemples illustratifs et que des ma- tières équivalentes peuvent être employées dans le procédé, tout en rentrant dans le cadre de la présente invention.
Il est également évident que l'emplacement spécifique et le nombre de rivets employés pour la détermination de l'interstice de ligne de liaison comme décrit ci- dessus sont donnés uniquement à titre d'illustration et, sauf mention spécifique dans les revendications, les éléments spécifiques d'écarte- ment décrits ne limitent nullement la présente invention.
Evidemment, à la lumière de la description ci-dessus, l'homme de métier reconnaîtra aisément de nombreuses autres modifications et Va* riations de la présente inventior.. C'est pourquoi, il est étendu que, sauf indication spécifique contraire, la présente inventio' peut être mise en oeuvre dans le cadre des revendications ci-âpres.
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EMI1.1
"Method of Binding Polyt6trafluorethyHne to a Metal Surface"
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The present invention relates generally to a bonding method for attaching polytetrafluoroethylene to a metal surface and in particular relates to bonding a heat shielding polytetrafluoroethylene sleeve to a casing. tapered structural magnesium alloy.
The metal telemetry antennas of some high speed reentry vehicles in the atmosphere cannot function properly unless they are adequately protected against the severe heating conditions encountered during returns? in the earth's atmosphere after space flight.
In order to allow the telemetry of information to earth stations during re-entry and when the severe heating caused by re-entry conditions has ceased, the material used on the telemetry antennas in order to give them a heat protection must not undergo carbonization or thermal degradation which seriously attenuates radio transmission. Polytetrafluoroethylene, commercially available as "Teflon" (a product of the "DuPont Company") has been found to be one of the materials presently known for heat protection, which material can protect against heat. metallic telemetry antennas for re-entry vehicles, while also resisting thermal degradation.
A prior art process for bonding "Teflon" to prepared surfaces is described in U.S. Patent No. 2,984,599 to George D. Edwards et al. As a result of the different thermal expansion coefficients for "Teflon" and metal components of telemetry antennas, em-. bends for the various re-entry vehicles into the atmosphere, serious difficulties have been encountered in adequately fixing the protective plastic materials in sufficient thickness on the antennas, so as to protect the elements of the latter during re-entry into the atmosphere, while also allowing the transmission of telemetry.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a new method for fixing, on a metal surface, a ma-
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plastic tiara for heat protection.
Another object of the present invention is to provide a new process for bonding polytetrafluoroethylene to a magnesium alloy having a different coefficient of thermal expansion.
Another object of the present invention is to provide a novel method for obtaining a uniform bond line gap between an envelope plastic material and a substrate of a different material.
Another object of the present invention is to provide a new and improved method of bonding a protective layer of polytetrafluoroethylene to another surface.
Yet another object of the present invention is to provide a novel method for obtaining a void-free bond between a plastic layer and a metallic surface.
Yet another object of the present invention is to provide a new connecting device with a view to fixing, on an antenna element of a reentry vehicle, in the atmosphere, a profiled sleeve of protective plastic material. against heat.
According to the present invention, the above objects, as well as others, are achieved by providing a frustoconical sleeve made of a metal alloy consisting of approximately 3% thorium and 97% magnesium, this sleeve being machined to dimensions. desired. This metal alloy sleeve serves as a metallic antenna structure for a re-entry vehicle and has a bonded protective sleeve. heat, consisting of machined polytetrafluoroethylene. During its initial machining, this plastic sleeve has practically the same internal diameter as that of the metal antenna.
When the two elements are subjected to a temperature of about 93 C, the plastic sleeve undergoes a greater thermal expansion than that of the metal antenna, so that the two elements can come into place. On the outer surface of the metal surface, there are provided several radial protrusions disposed circumferentially and having a length maintaining the elements placed at a controlled distance over their entire length.
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filled with a thermal curing adhesive and the resulting structure is then further heated and pressurized,
in order to cure the adhesive and to provide a rigid bond between the two elements which can maintain the parts in a relatively fixed position during the sustained conditions of high temperature which one meets during re-entry into the atmosphere earthly,
A more complete aspect and many related advantages of the invention will become more readily apparent and be better understood by reference to the following detailed description, as well as to the accompanying drawings, in which: FIG. . 1 is a view, with certain parts in section, of the reentry cone of a spacecraft comprising a protected metal antenna structure produced in accordance with the present invention;
fig. 2 is a view, with some spare parts, showing the fixed adhesive transfer link member and the overflow trap fixed to a magnesium alloy antenna structure and a plastic sleeve during the process. binding method of the present invention; fig. 3 is an enlarged partial section of a part of the fixed connecting member used to center the polytetrafluoroethylene sleeve around the metal liner and to transfer the adhesive into the gap between this sleeve and this liner ; Fig, 4 is a schematic view of the apparatus employed for bonding, by adhesive and under vacuum, the polytetrafluoroethylene sleeve to the metal jacket in accordance with the present invention; fig. 5 is an enlarged view taken on lines 5-5 of FIG.
2 and fig. 6 is an enlarged sectional view of a modified antenna cone to which is bonded a layer of polytetrafluoroethylene in accordance with the present invention.
Referring now to the accompanying drawings, in which the same reference numerals denote identical or corresponding parts in the different figures and with particular reference to FIG. 1, a space vehicle 10 is shown comprising
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as a cone antenna element produced in accordance with the present invention and generally designated by the reference numeral 11.
The cone 11 comprises a sleeve 13 of polytetrafluoroethylene for heat protection fixed, by the adhesive layer 15, to a frustoconical liner 17 of thorium-magnesium alloy. A tubular insert 19 of stainless steel or the like is secured to the inner surface of the liner 17 by rivets 20 or other customary means, as hereinafter described in more detail.
By means of threads, the insert 19 receives and secures the end ablation shield 21 to the vehicle 10, this shielding providing the major thermal protection required for the cone 11 during its re-entry into the Earth's atmosphere after a space mission. The magnesium alloy jacket 17, in the form of a hollow truncated cone or a truncated cone, serves as a metallic antenna to send back telemetry signals to terrestrial receiving stations during the flight of a vehicle. space cule 10 and, for this reason, it must be thermally protected against the very high heat encountered during the reentry phase of the flight program.
Plastics such as polytetrafluoroethylene or "Teflon" have been found to be ideally suited to provide the thermal protection necessary for antennas of this type, while also allowing the transmission of telemetry signals by such antennas. In order to prevent the formation of hot spots on the protective sleeve which could lead to burns and subsequent deteriotation or disintegration of the magnesium antenna, it is essential that the adhesive bond employed to hold the thermal protective sleeve 13 in place on the liner 17 is of a practically uniform thickness and free of voids over the entire length of the two elements.
Referring now more particularly to FIG. 2, the fixed adhesive transfer bonding member employed to center the envelope 17 in the sleeve 13 for bonding the two elements is shown and generally defined by the numeral reference
25. As shown in this figure, an adhesive duct 29 arrives at the fixed member 25 and, near the latter, it is divided into several.
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Its tubular channels 30. The tubular channels 30 serve to transfer the adhesive into the gap formed between the sleeve 13 and the liner 17, as will be discussed in more detail below. lée.
As shown in this figure, rows of small, spaced round head rivets 23 are usually attached around the outer surface of the casing 17; the function, the rivets being also described below in more detail. Fig. 5 illustrates the structural details of a single rivet 23. Rivets 23 may be of the type known in the art as "blind rivets" or the like. An annular overflow reservoir 33 (Fig. 2) is placed, by friction, around the large end of the sleeve 13, so as to form a concentric reservoir receiving any excess adhesive during the bonding process.
Referring now to fig. 3, it will be understood more easily. details of the fixed link 25, as well as the method of introducing the adhesive layer 15 between the sleeve 13 and the liner 17. The fixed link 25 comprises a thread 35. outside, bored in its center and coming into engagement by screwing in the insert 19 threaded internally inside the end of the sleeve 17.
The tap 35 is formed of a durable metallic material, for example stainless steel, and has an enlarged central bore 37, a row of threaded and equidistant perforations, one of which is shown in FIG. 3 and designated by the reference numeral 39, is placed circonferentially near the bore ', 37 in order to receive several bolts, one of which is represented and designated by the reference numeral 41. The external threads 43 of the ta- 'raud 35 terminate near an enlarged annular shoulder 45. Shoulder 45 has, on one surface thereof, a circumferential groove 46 enclosing an O-ring 47 serving to seal the shoulder.
45 against the insert 19 when the threaded tap 35 is thus screwed.
An adhesive collecting group or cover 50 forms the other part of the fixed adhesive transfer bonding member 25. The cover 50 comprises a rim 51 extending circumferentially and coming to be received, by sliding, in the tap 35, so as to press.
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against the inner surface of the annular shoulder 45.
A suitable O-ring 53 is provided in a circumferential groove 54 made in the part 45, so as to seal the rim 51 against the latter. The cover 50 also has an internal opening 57 of a dimension corresponding to that of the central bore 37 to the tap 35, as well as a row of openings arranged circumferentially and one of which is represented and designated by the reference numeral 59. The opening 59 is in alignment with the threaded perforation 39 of the tap 35, when the two elements are arranged one near the other to receive assembly bolts 41.
An O-ring 63, placed in an annular groove 64, hermetically closes the cover 50 against the sleeve 13 when the fixed connecting member 25 is placed in the active position with respect to this sleeve. As shown in fig. 3, a circumferential reservoir 66 is formed between the tap 35 and the cover 50.
The reservoir 66 serves to uniformly transfer the adhesive, supplied into the fixed connecting member 25 through the channels 30, over the gap in the connecting line maintained between the sleeve 13 and the liner 17. As shown. in fig, 3, the channels 30 are maintained in connection with the fixed member 25 by ordinary pipe fittings 67.
Now, fig. 4 shows a schematic representation of the entire apparatus employed to apply the adhesive layer 15 between the sleeve 13 and the liner 17, such apparatus being generally designated by the numeral 75. L ' Apparatus 75 comprises a heated vacuum chamber 77, in which sleeve 13 and liner 17 come to be placed for bonding together. The adhesive line 29 passes through a suitable opening made in the container 77 and is connected to the fixed connecting member 25 as described above.
The other end of line 29 is connected to valve member 79 containing valves 81 and 83. Valve 81 serves to connect adhesive line 29 to adhesive supply line 85 going to a container. - adhesive pient placed in the adhesive mixing chamber 87. The adhesive container contained in the mixing chamber 87 is in hydraulic communication with a vacuum pump 89 and a hydraulic pressure source 91, while being part of an ordinary mixing device
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generally referred to as 92. One such commercially available product is "Pyles SP-1® 78" sold by "Pyles Industries, Incorporated", Detroit, Michigan.
Valve 83 serves to connect a source of pressurized nitrogen 93, through lines 94 and 95, within vacuum vessel 77.
Two viewing lights, one of which is designated by the reference numeral 103, are provided in the removable cover 78 of the container 77.
By means of a line 97 having an on and off valve 98, the container 77 is also in hydraulic communication with a suitable ordinary vacuum pump capable of putting the container 77 under a controlled vacuum of about 12%. mm of mercury (not shown). An ordinary recording and monitoring unit 101 is electrically connected with the appropriate mechanism of vessel 77 and serves to record and control, in the usual manner, the internal temperature conditions maintained in vessel 77 during operation. a binding operation.
Now, fig. 6 more particularly shows a section through a truncated cone 112 of a dipole antenna comprising metal alloy envelopes 117 and 118, as well as a protective sleeve 113. The envelopes 117 and 118 may also have the shape of a. a truncated cone and they are connected by a dielectric ring 125 placed inside and formed, for example, of a layer of phenolic resin reinforced with a fabric of glass fibers. Two rows of closely spaced rivets serve to connect dielectric ring 125 to shells 117 and 118, one rivet in each row being shown and designated by numeral 123 and 124, respectively.
A wedge-shaped annular metal insert 127 is held between the casing 118 and the dielectric ring 125 by the row of rivets 124 and forms a structural support for the assembly.
In this embodiment, all of the rivets 124 in the row are flush with the metal surface of the casing 118. Most of the rivets in the row with the rivets 123 are also similar to the rivets 124 and they are also flush with the bottom. area
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of the casing 117. However, in order to facilitate the establishment of a bond line control gap, as will be explained in more detail below, certain rivets equidistant from this row retain heads round.
Determination of the connecting line gap
Referring now more particularly to FIGS. 1 to S, the sleeve 13 is machined from a solid block of "Teflon" to an inside diameter having essentially the dimensions of the outside diameter of the frustoconical liner 17 of 3% thorium alloy. 97% magnesium. The thickness of the sleeve 13 will vary for different heat shielding operations, but the thickness along the entire length of each individual sleeve 13 is substantially uniform, with the exception of the inner circumferential rim 14, as shown in Figs. . 1 and 3. The flange 14 is employed to provide obvious mechanical advantages in terms of strength and to facilitate the formation of the desired bond line gap.
As a result of the different expansion coefficients of the polytetrafluoroethylene and the thorium-magnesium alloy, the sleeve 13 s will expand slightly more than the alloy jacket 17 when heating the two elements. This difference in expansion serves to sufficiently widen the internal diameter of the factory sleeve 13 to reach the diameter required in order to establish the minimum gap in the line of connection between the two elements and to bond them permanently by means of 'an adhesive. It has been calculated that, in order to obtain an adequate connection, while maintaining the necessary thermal protection and while allowing the optimum transmission of telemetry through the antenna jacket 17, the minimum gap between the sleeve 13 and the sleeve 17 should be 0.355 mm.
Depending on the structural and operational tolerances of the magnesium alloy coating and the polytetrafluoroethylene sleeve, the maximum bond gap allowed is approximately 1.905 mm. Since polytetrfluoroethylene cannot be molded or cast exactly to precise tolerances, sleeve 13 must be machined from a solid block of "Teflon". The internal diameter of the sleeve 13 is determined taking into account the coefficient of expansion of the polytetrafluoroethylene so that, when
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that the sleeve 13 and the structural thorium-magnesium envelope 17 are brought to 93 C, there is, between the two coupled elements, a gap with a core radius of 0.635 mm.
In order to check the accuracy of the gap between the "Teflon" ablation shield 13 and the structural envelope antenna 17, it is necessary to measure, as a control, the front link line gap. to proceed with the final binding of the two elements. This connection line gap makes it possible to determine the mean gap and corrections can be made so that the minimum gap is not less than 1a. tolerance of 0.355mm.
In order to establish this bond gap control, a number of rows of round head rivets 23 equidistant by 3.175 mm are usually fixed around the circumference of the casing 17. The average height of the rivets 23 used, after their installation, is 1.905 mm. With casing 17 fitted correctly and concentrically in one turn, the ends of all rivet heads 23 are then machined to the correct taper, parallel to the outer surface of casing 17, to form a straight line, the heads rivets having a maximum height of 1.772 mm greater than the lowest point indicated on the casing 17. After machining, the remaining rivet head practically retains the curved shape.
The exterior of the casing 17 is then cleaned with a methyl-ethyl-1,2-ketone (MEK) solvent and coated with a suitable layer of silicone rubber, such as for example "silicone primer SS4004". of "General Electric" at about twenty selected points. The coated areas are, for example, small dots 90 degrees apart along four lines extending essentially parallel to the longitudinal center line of the casing 17, each line having five coating dots.
After coating, the casing 17 is allowed to dry in air and at room temperature for at least one hour and, at this time, the tap 35 of the fixed connecting member 25 is screwed into the part. attached and internally threaded 19 at the small end of the casing 17 made of thorium-magnesium alloy.
After having been machined to dimension, for example, from a block
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solid or a thick tubular section of sintered "Teflon", the inner surface of sleeve 13 is etched with a suitable sodium solution, such as for example "Tetra-Etch" (Product of WL Gore and Associates, Inc. " This acid etching process is a process usually employed to chemically modify the surface of plastics by exposing the carbon bonds and thereby forming a bondable surface.
After acid etching and drying, the sleeve 13 is cleaned with a methyl-ethyl-keton (MEK) solvent and on the inner surface of the sleeve 13, one of the au- be and parallel to the longitudinal center line of this sleeve, four bands of a pressure sensitive tape of "Teflon" 0.076 mm thick and at least as wide as the points coated on the envelope 17. Then , the sleeve 13 is heated at 93 ° C. in a circulating air oven (not shown) with the large end facing upwards, the cover 50 of the adhesive reservoir being centered and placed again below. the small end of the sleeve, inside the oven.
A silicone rubber vulcanizable at room temperature, such as for example "RTV-90" rubber from "General Electric", having a viscosity of about 12,000 poise, is then suitably mixed with 0.5% by weight of. a suitable catalyst, for example "Thermolite-12", which is a metallic soap catalyst and small amounts of the catalyzed rubber are applied to the coated areas of the jacket 17.
The polytetrafluoroethylene sleeve 13 is maintained at 93 ° C. then the alloy sleeve 17, comprising certain areas coated with silicone rubber as described above, is then lowered into the sleeve 13, while maintaining the two elements concentric. relative to each other, in order to align the pressure sensitive tapes with the rows of catalyzed rubber on the liner 17. Next, a concentric row of connecting bolts 41 (fig. 3) is introduced through through the openings 59 of the cover 50 and screw them into the threaded holes 39 of the tap 35. By tightening the bolts 41, the tap 35 and the cover 50 are tightly secured together.
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relative to each other through the O-rings 47, 53 and 64, as described above.
The sleeve 13 and the liner 17 thus assembled are kept in the oven at 93 C until the silicone rubber is vulcanized, which takes about 2 hours. While the whole assembly is held at 93 ° C, the bolts 41 are removed and the sleeve 13 of the thorium-magnesium alloy liner 17 is removed.
Then, the whole structure is allowed to cool to room temperature, the thickness of the silicone rubber pellets is mechanically measured by adding 0.076 mm for the thickness of the pressure sensitive tape, and the thickness and the thickness are noted. place of each silicone rubber pellet. By comparing the thickness and location of the different silicone rubber pellets, it is then possible to determine the precision and / or imprecision of the bond line ntersice between the sleeve 13 and the liner 17 at a temperature. of 93 C, Due to the tolerances allowed during the initial machining of the polytetrafluoroethylene sleeve 13 and the alloy liner 17, this check of the bond line gap may indicate that parts of this gap are below the minimum allowed of 0.355 mm.
When this defect is detected, it is necessary to machine further selected areas of the inner sleeve 13, in order to increase the area of the connection line at the points where this minimum gap does not exist. After machining, these chosen areas of the sleeve 13 are then again attacked with a sodium solution, as described above, in order to re-establish a bondable internal surface for the sleeve, then a second line gap check is carried out. binding by following the same process as that described above. This process is repeated until the gap in the bond line over the entire surface of the two elements to be bonded is within the minimum allowable limit of 0.355 mm.
Determining a tie line gap for a segmented liner, as shown. fig. 6, is essentially the same. that described for fig. 1 and 5, rivets 123 being machined to determine the bond gap.
Binding process
For the bonding process described above, n '
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any thermosetting adhesive capable of maintaining a permanent bond between a plastic material and a metal surface under sustained high temperature conditions. An example of an adhesive meeting these requirements is "Epoxylite 813-9" high temperature epoxy adhesive, sold by the "Epoxylite Corporation of El Monte" California.
"Epoxylite 813-9" is a very high temperature potting resin sold by the manufacturer as a liquid resin with a finely divided powdered catalytic agent. When ready for use, the liquid resin is heated to 80 ° C. and 39 parts by weight of the catalyst are rapidly mixed with 100 parts by weight of the resin by means of very vigorous mechanical stirring, for at least at least 10 minutes, to ensure homogeneity. After the mixing operation, air is vented from the adhesive in the usual manner before it is employed as a bonding agent according to the present invention.
Since both adhesives of this type have a relatively low viscosity and adhere to practically any contact surface, it is necessary to seal all surfaces which may create leaks, in order to prevent the adhesive from passing inside the envelope during the actual bonding operation. These areas include those surrounding the exposed rivets 23 of FIG. 2, the rivet heads 123 and 124 of FIG. 6 and the seals formed between the dielectric ring 125 and the shells 117 and 118, as shown in the embodiment of FIG. 6.
In each embodiment, these areas are lightly sandblasted with an N 100 aluminum oxide abrasive, all other areas of the respective casings being masked with tape, in the usual manner, during this sanding process.
Referring now more particularly to figs 1 - 5, after sandblasting, gold. the jacket 17 is placed in a circulating air oven and it is heated to 121 ° C. in order to condition the sanded areas.
Then, in the usual way and in accordance with the specific recommendations of the manufacturers, the components of the adhesive are mixed.
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epoxy used for particularly high temperatures, that is to say the resin and its catalyst or its hardener then, on all the exterior surfaces of the casing 17 liable to create leaks, a thin coating of the adhesive is applied mixed, for example using a small stiff bristle brush. Then the jacket 17 was held at 121 ° C. for 5 hours, in order to cure the adhesive in a non-tacky state, then it was cooled to room temperature.
Next, in order to remove the now non-tacky adhesive, the entire outer surface of the casing 17 is subjected to sandblasting with an N 100 aluminum oxide abrasive. Thanks to this process, all areas possible leaks are filled with the adhesive and they are bonded so as to prevent any possible leakage during the final bonding operation.
Then, the externally threaded tap 35 of the fixed connecting member 25 is screwed into the internally threaded insert 19 of the sleeve 17 and two annular support discs are fixed away from each other. inside the liner 17 opposite the first two rows of rivets. A magnesium ring is also placed inside the liner 17 near the third row of rivets or the row near the large end of the liner. These discs and this annular member serve to strengthen the liner during the binding operation, while also preventing it from bending or possibly sagging.
The pressure sensitive tape used during the tie line gap inspection is then removed from sleeve 13 and the interior of sleeve 13 again cleaned with methyl ethyl ketone (bIEC) solvent. The sleeve 13 is then placed in a circulating air oven, with its large end facing upwards and the adhesive reservoir or cover 50 of the fixed link member 25 is centered below the small end of the sleeve. cone, then this assembly is heated and maintained at 93 C.
The thorium-magnesium alloy jacket 17 is then placed in the "Teflon" sleeve 13, keeping the two elements in the same alignment as that used in the last li- gap check.
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connecting rod, the sleeve 13 remaining in the heated oven, The bolts 41 fixing the cover 50 on the tap 35 of the connecting member are then tightened, in order to rigidly fix the sleeve 13 circumferentially close to the sleeve 17 , while maintaining, between them, the precise and predetermined gap of bond line, The assembly thus formed is maintained at 93 C in the oven for 2 hours before being transferred to the vacuum vessel 77 preheated to 93 C (fig, 4), The adhesive pipe 29,
passing through the side wall of the container, is then fixed to the channels 30 going to the connecting member 25 and the friction-fitting reservoir 33 is placed around the sleeve 13, as shown in FIG. 2, the cover 78 then being fixed.
The adhesive supply line 85, from the mixing chamber container 87, is then connected to the adhesive line 29 by the valve assembly 79. The supply line 85, the line d. The adhesive 29 and the channels 30 are made by means of ordinary copper tubes or the like.
Then, following the manufacturers recommendations, the high temperature epoxy adhesive is mixed in a volume equal to that of the supply line 85, the adhesive line 29, the channels 30, the reservoir 66, the the bond line gap between sleeve 13 and liner 17, adhesive trap 33 at the large end of the assembly and about 10% excess; during mixing, the preheating temperature is maintained at about 80 C. The vacuum group 89, connected to the adhesive container of the mixing chamber 87, serves to remove air from the adhesive components when the The mixed adhesive is transferred to chamber 87 in the usual manner.
The mixed adhesive is retained in a water bath container inside the chamber 87, at a temperature of 80 to 93 C. After having eliminated the air from the mixed adhesive, the vacuum unit is disconnected. 89 by suitable means (not shown) and a source of hydraulic pressure 91 is placed in hydraulic communication with the container of adhesive. A pressure of about 2 kg / cm 2 is obtained and this pressure is maintained on the mixed adhesive for a period of about 3 minutes.
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The valve, 81 of the adhesive supply line is then rotated so that the mixed adhesive can be forced into the connecting member 25 under the influence of this pressure of 2 kg / cm 2. At the same time, a vacuum applied through line 97 is adjusted, in order to maintain the container 77 under vacuum conditions of a pressure of about 125 mm Hg, thus facilitating the slow flow of the adhesive from the group of. mixture 87 through the fixed connecting member 25 and in the connecting line gap established between the sleeve 13 and its liner 17,
This flow of adhesive takes place slowly and uniformly around the bond line gap to trap 33 as a result of the controlled pressure and vacuum acting on this flow.
When the trap 33 is practically full, as can be seen by observing the apertures 103 of the cover 78 of the vacuum vessel 77, the valve 98 of the vacuum line and the valve 81 of the line are closed. adhesive feed. The nitrogen line valve 83 is then opened to subject the interior of vessel 77 to nitrogen gas pressure from a pressurized nitrogen source, thereby placing vessel 77 and the surrounding area of the sleeve. 13 and the jacket 17 under a pressure of 6.3 kg / cm. The container 77 is then maintained at 930C and under a nitrogen pressure of 6.3 kg / cm2 for 16 hours,
this time being necessary to cure the high temperature epoxy adhesive bond 15 and thereby permanently bond the sleeve 13 in situ with the liner 17.
After the 16 hour cooking cycle, the vessel 77 is allowed to cool to room temperature while maintaining it under a pressure of 6.3 kg / cm 2. Then, the cooled and bonded assembly is removed from the container 77 and the fixed connecting member 25 is unscrewed therefrom after having disconnected it from the adhesive line 29 by means of the connectors 67. The disc of magnesium and the support rings (not shown) are then removed from the interior of the liner 17 after performing their support role and the bonded assembly is subjected to quality radiographic control.
This radiographic control is carried out by inserting a radiographic film, held in
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curved supports, along the inside of the liner 17 and by exposing the film in the usual way by a source of radiation placed on the outside of the sleeve 13, When the radiographic study reveals the line without vacuum 15, provided and required uniformly over its entire bonded area, the assembly can then be mounted in a suitable lathe and be machined, when necessary, to ensure aerodynamic efficiency before adding the cap. ablation thread 21 (fig.
1) and before the subsequent assembly of the complete cone of the spacecraft 10.
When it comes to bonding the sleeve 113 to segmented envelopes 117 and 118 (Fig. 6), essentially the same process is followed as that described for the embodiment of Figs. 1 to 5. Although only two segments have been shown in FIG. 6, it is evident that within the scope of the present invention, multiple sections of the antenna truncated cone can be thermally protected by the unitary polytetrafluoroethylene sleeve 113. As a result of the presence of permanent reinforcing rings 125 in this form As an embodiment, the reinforcing rings described above to prevent collapse of the shell 17 during bonding can be omitted or if used, they can be attached directly to the rings 125.
In addition to providing dielectric separation between the casing segments 117 and 118, the rings 125 also serve to secure therein, in the usual manner, the elements of the telemetry circuits in the final cone assembly.
As can be seen from FIGS. 5 and 6, a minimum surface of the rivets 23 and 123 contacts the surface of the polytetrafluoroethylene sleeves 13 and 113 respectively as a result of the construction of the round head rivets. For example, when rivets
23 and 1.23 are machined to establish the controlled link line gap, only part of each rivet head is removed, so as to leave a curved contoured surface for the other parts of the individual rivet heads 23 and 123 This construction of the rivet heads facilitates the flow of 1 t of adhesive around the rivets during the bonding process due to the obviously reduced strength present.
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ted by curved surfaces.
By virtue of this modified curved configuration, the relative area of the rivets contacting the surface of the polytetrafluoroethylene sleeve is also reduced to a minimum. While being associated with the use of an aluminum alloy or similar material of relatively high thermal conductivity for the manufacture of the spacer rivets 23 and 123, this smaller contact area reduces any tendency to sag. the formation of hot spots at the contact points of the rivets.
Although the specific binding method described above is limited to binding a frustoconical sleeve around a hollow frustoconical liner, one skilled in the art will understand that this method can be employed to bind any. a suitable plastic layer on any particular metallic or non-metallic substrate, such as for example a casing or coating, where bond line gap tolerances are critical. The same.
As the plastic material employed in this specification is polytetrafluoroethylene or "Teflon" and the liner is made of a thorium-magnesium alloy, it is obvious that the present invention could also be applied to other materials. plastics and other metals. It is therefore understood that where specific materials are mentioned in the process described above, these materials are given merely by way of illustrative examples and that equivalent materials may be employed in the process, while falling within in the context of the present invention.
It is also evident that the specific location and number of rivets employed for the determination of the bond line gap as described above are given by way of illustration only and, unless specifically mentioned in the claims, the elements. The specific spacers described in no way limit the present invention.
Obviously, in light of the above description, one skilled in the art will readily recognize many other modifications and variations of the present invention. Therefore, it is understood that, unless specifically stated otherwise, the present invention. inventio 'can be implemented within the scope of the above claims.