EP2153052A2 - Propulseur a performance amelioree - Google Patents

Propulseur a performance amelioree

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EP2153052A2
EP2153052A2 EP08760479A EP08760479A EP2153052A2 EP 2153052 A2 EP2153052 A2 EP 2153052A2 EP 08760479 A EP08760479 A EP 08760479A EP 08760479 A EP08760479 A EP 08760479A EP 2153052 A2 EP2153052 A2 EP 2153052A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bread
energy
combustion
primary
propellant
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08760479A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Denis Salignon
Claude Perthuis
Thierry Bouet
Christophe Riviere
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/08Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants
    • F02K9/10Shape or structure of solid propellant charges
    • F02K9/12Shape or structure of solid propellant charges made of two or more portions burning at different rates or having different characteristics

Definitions

  • the present invention relates to the field of thrusters, and more particularly thrusters used in weapon systems and ammunition.
  • This mass flow D m is directly proportional to the force generating the displacement of the vector. The impulse is then the integral of this force over the duration during which it is exercised.
  • a central canai is generally arranged in the heart of the energy bread of the propellant; this central channel makes it possible to substantially increase the burning surface of the energy bread.
  • the second major drawback related to the current technique lies in the weakening of the specific energy yield per unit volume. Indeed, obviously, the development of a central channel in a thruster, if it makes it possible to increase the impulse, also increases the volume by increasing the height for a given mass of propellant.
  • An object of the invention is in particular to overcome the aforementioned major drawbacks.
  • the invention therefore makes it possible to increase, at constant volume, the impulse of a thruster while reducing the risk of violent reaction to an external accidental attack by eliminating the channel effect of the current thrusters.
  • the subject of the invention is a propellant comprising an energy cylinder consisting of a central channel and a peripheral secondary energetic bread having a secondary combustion rate, characterized in that said central channel is filled with a bread primary energy, consisting of materials comprising nano-structures based on Fe 2 O 3, doped with Aluminum and / or hexogen for example, and having a primary combustion rate of 10 to 100 larger than the secondary combustion rate, said thruster therefore not being exposed to the risk of "channel effect”.
  • the secondary energy bread is covered with an inhibitor eroding completely during the combustion of primary energy bread, in a time close to and less than or equal to the burning time of said primary energy bread.
  • the secondary energy bread consists of propellant.
  • the method for initiating a propellant according to the invention comprises the following steps: • ignition initiation "cigarette" of the primary energy bread at the primary combustion rate,
  • the combustion of primary energy bread at the primary combustion rate and the combustion of energy bread secondary to the secondary combustion rate have the same mass flow rate of burnt energy material.
  • the initiation of the primary energy bread is carried out by means of hot threads.
  • the initiation of the primary energy bread is performed by means of a laser flash.
  • the initiation of the secondary energy bread is carried out by burning the primary energy bread.
  • FIG. 4 the illustration of the burning of energy bread of a primary propellant according to the invention
  • Figure 5 the illustration of burning energy secondary bread of a propellant according to the invention.
  • Figure 1 schematically shows the principle of maximizing the burning surface of an energy bread and implementation of a constancy of this surface.
  • the maximum pulse that one seeks to produce is directly proportional to the mass flow rate of burnt energetic material and therefore to the burning surface of said energetic material.
  • the mass flow rate of burned energy material must be constant, which implies that the burning surface must be constant.
  • FIG. 1 it can be seen that for this purpose, in the known art, energy bars having a central channel in an extruded "star" shape are conceived.
  • the burning surface S1 becomes the burning area S2 of equal area.
  • the burn surface becomes Sn, always of the same area as S1 and S2, and so on.
  • FIG. 2 very schematically illustrates a thruster of the known art.
  • the latter of cylindrical shape, comprises a peripheral energy bread 1 at the heart of which is arranged a central channel 3.
  • the energy bread 1 burns on a constant surface, according to the principle described in Figure 1.
  • the mass flow escaping from the energy cylinder via the neck 5 is therefore constant.
  • the generated pulse is high because of the importance of the burning surface, and stable because of its constancy.
  • the void of the central channel 3 arranged in the center of the energy bread 1 induces an increased fragility of the energy cylinder of the propeller especially vis-à-vis light-heavy splinters.
  • the shock wave generated tends to propagate on both sides of the impact on the circumference of the energy cylinder because it can not be absorbed in the axis the impact due to the vacuum of the central channel 3. This phenomenon causes a fragility of the shell of the energy cylinder facilitating its tearing.
  • FIG. 3 shows a first schematic illustration of the principle of the invention. This is made possible by the appearance of energetic materials with burning rates of three to seven meters per second, that is to say 10 to 100 times greater than those of current energetic materials. These materials consist of nano-structures based on Fe 2 O 3 , doped with aluminum or hexogen, for example. This type of materials, called nano-energetic materials, are obtained following nano-structured chemical reactions. These nano-energetic materials have density ranges ranging from 0.5 to 10 times that of standard energetic materials and combustion rates ranging from 0.1 centimeter to 7 meters per second. In the invention, these energy materials are used at a very high rate of combustion to fill the central channel 3 with a primary energy bread 1. This insertion of a primary energy bread 1 into the central channel 3 of the secondary energy bread 2 eliminates de facto the channel effect previously described and thus reduces the effects of aggression of the type "heavy-light splinters".
  • FIG. 4 represents the first phase of operation of the thruster according to the invention.
  • the secondary energy bread 2, located at the periphery of the energy cylinder is here covered with an inhibitor 4.
  • This inhibitor may, however, be optional because of the ratio between the burning rates of the primary and secondary 2 energy bars. given the very high rate of combustion of the primary energy bread 1, it can burn completely before the combustion of the secondary energy bread 2 is engaged, even in the absence of a specific inhibitor. However, in most cases, will still opt for a configuration in which the inhibitor 4 is present.
  • This energy bread 2 may typically consist of double-base propellant SD 1136, marketed for example by SME Propulsion. By means of hot wires or a laser flash for example, the primary energy bread 1 is initiated.
  • Its combustion cigarette is at a speed of the order of a few meters per second.
  • the inhibitor 4 erodes, allowing the energy bun 2 to be initiated, for example at the end of the combustion of the energy bun 1.
  • Burning B1 energy bread 1 generates a mass flow D m at the neck 5.
  • FIG. 5 represents the second phase of operation of the thruster according to the invention.
  • the rapid combustion of the energy bread 1 ending, the combustion of energy bread 2 is initiated.
  • the burning speed of this secondary energy bread is of the order of a few millimeters to a few tens of millimeters per second.
  • burning B2 energy bread 2 generates the same mass flow rate D m of burnt material and propelled through the neck 5 of the result of extensive burning surface.
  • Maintaining the mass flow rate D m at the neck 5 makes it possible to obtain a constant impulse for the propellant, whether during the combustion phase of the primary energy bread 1 or during that of the secondary energy bread 2.
  • the invention has the major double advantage of minimizing the risk associated with the accidental attacks to which thrusters can be subjected by filling the central channel commonly arranged in the heart of the energy cylinder, and greatly increasing the efficiency of these thrusters. by the use of energy materials with a very high rate of combustion.
  • the theoretical impulse gain that is to say the increase of the pulse of a propellant modified according to the invention with respect to the impulse of a thruster according to the state of the art, calculated on the Based on a current thruster GSD4-G1 from TDA Armements SAS (Thomson Dasa Armement, a Thales Group company), it is about 40%.

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Abstract

La présente invention concerne le domaine des propulseurs, et plus particulièrement les propulseurs utilisés dans des systèmes d'armes et munitions, comportant un cylindre énergétique constitué d'un canal central (3) et d'un pain énergétique secondaire (2) périphérique présentant une vitesse de combustion secondaire, ledit canal central (3) étant rempli d'un pain énergétique primaire (1) constitué de matériaux comportant des nano-structures à base de Fe2O3 présentant une vitesse de combustion primaire de 10 à 100 fois plus grande que la vitesse de combustion secondaire. L'utilisation de tels matériaux permet d'augmenter fortement l'efficacité de ces propulseurs.

Description

Propulseur à performance améliorée.
La présente invention concerne le domaine des propulseurs, et plus particulièrement les propulseurs utilisés dans des systèmes d'armes et munitions.
Actuellement, dans le cadre de Ia réalisation de propulseurs, notamment pour des munitions, on dispose de matériaux énergétiques présentant des vitesses de combustion allant de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres par seconde. Etant donné que l'objectif d'un propulseur est de fournir une impulsion maximale dans un calibre donné, on va classiquement chercher à augmenter la surface de brûlage du pain énergétique du propulseur. En conséquence, le débit massique de matériau énergétique brûlé, qui correspond directement à l'impulsion créée par le propulseur, se trouve proportionnellement augmenté. En effet, le débit massique Dm d'un matériau présentant une vitesse de combustion Vc, une masse volumique p et une surface de brûlage S, vérifie la relation suivante : D π, = K χPχ S • Ce débit massique Dm est directement proportionnel à la force engendrant le déplacement du vecteur. L'impulsion est alors l'intégrale de cette force sur la durée pendant laquelle elle s'exerce.
Pour augmenter la surface de brûiage du pain énergétique du propulseur, on aménage généralement un canai central au cœur du pain énergétique du propulseur ; ce canal central permet d'augmenter de façon substantielle la surface de brûlage du pain énergétique.
Cependant, cette technique courante présente deux inconvénients majeurs. Tout d'abord, le canal central aménagé au cœur du pain énergétique du propulseur rend ce dernier fragile devant des agressions extérieures accidentelles. Cette sensibilité des propulseurs, et donc potentiellement des munitions dont ils font partie, est bien connue, particulièrement vis-à-vis d'agressions telles que des « éclats lourds- légers ». Ces agressions et les réactions associées sont modélisées et regroupées sous l'appellation « d'effet canal ». De manière globale, pour ce qui concerne les munitions, de nombreux pays évaluent et classifient leurs réactions vis-à-vis d'agressions standards et mettent en place des normes dans le but de ne posséder que des munitions à risque atténué. Un des objectifs importants lors de la mise au point de nouvelles munitions est donc notamment de minimiser le risque d'une réaction violente de ces munitions à une agression extérieure accidentelle. L'effet canal a tendance à augmenter la violence des réactions des munitions vis-à-vis de ces agressions, ce qui constitue un problème important.
Le deuxième inconvénient majeur lié à la technique actuelle réside dans l'affaiblissement du rendement énergétique massique par unité de volume. En effet, de toute évidence, l'aménagement d'un canal central dans un propulseur, s'il permet bien d'en augmenter l'impulsion, en augmente aussi le volume par accroissement de la hauteur pour une masse de propergol donnée.
Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients majeurs précités. L'invention permet donc d'augmenter, à volume constant, l'impulsion d'un propulseur tout en diminuant le risque de réaction violente à une agression accidentelle extérieure en éliminant l'effet canal des propulseurs actuels.
A cet effet, l'invention a pour objet un propulseur comportant un cylindre énergétique constitué d'un canal central et d'un pain énergétique secondaire périphérique présentant une vitesse de combustion secondaire, caractérisé en ce que ledit canal central est rempli d'un pain énergétique primaire, constitué de matériaux comportant des nano-structures à base de Fe2O3, dopé par de l'Aluminium et/ou de l'Hexogène par exemple, et présentant une vitesse de combustion primaire de 10 à 100 plus grande que la vitesse de combustion secondaire, ledit propulseur n'étant par conséquent pas exposé au risque « d'effet canal ». Avantageusement, le pain énergétique secondaire est recouvert d'un inhibiteur s'érodant en totalité pendant la combustion du pain énergétique primaire, en une durée proche et inférieure ou égale à la durée de combustion dudit pain énergétique primaire. Avantageusement, le pain énergétique secondaire est constitué de propergol.
Avantageusement, le procédé d'initiation d'un propulseur selon l'invention comporte les étapes suivantes : • initiation en combustion « cigarette » du pain énergétique primaire à la vitesse de combustion primaire,
• après combustion de la quasi-totalité du pain énergétique primaire, mise en combustion du pain énergétique secondaire à la vitesse de combustion secondaire sur toutes ses surfaces rendues libres par la combustion du pain énergétique primaire.
Avantageusement, la combustion du pain énergétique primaire à la vitesse de combustion primaire et la combustion du pain énergétique secondaire à la vitesse de combustion secondaire présentent un même débit massique de matériau énergétique brûlé.
Avantageusement, l'initiation du pain énergétique primaire est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds.
Avantageusement, l'initiation du pain énergétique primaire est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser. Avantageusement, l'initiation du pain énergétique secondaire est effectuée par l'intermédiaire du brûlage du pain énergétique primaire.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent :
• la figure 1 : Je schéma d'une section d'un pain énergétique dans un propulseur de l'art connu ;
• la figure 2 : le schéma simplifié d'un propulseur selon l'art connu ; • la figure 3 : le schéma simplifié d'un propuîseur selon l'invention ;
» la figure 4 : l'illustration du brûlage du pain énergétique d'un propulseur primaire selon l'invention ;
• Ia figure 5 : l'illustration du brûlage du pain énergétique secondaire d'un propulseur selon l'invention.
La figure 1 présente schématiquement le principe de maximisation de la surface de brûlage d'un pain énergétique et de mise en œuvre d'une constance de cette surface. En effet, comme cela a été expliqué précédemment, l'impulsion maximale que l'on cherche à produire, est directement proportionnelle au débit massique de matériau énergétique brûlé et donc à la surface de brûlage dudit matériau énergétique. D'autre part, pendant le temps de l'impulsion, celle-ci doit être stable. Le débit massique de matériau énergétique brûlé doit être constant, ce qui implique que la surface de brûlage doit être constante. Sur la figure 1 , on constate qu'à cet effet, dans l'art connu, on conçoit des pains énergétiques présentant un canal central sous une forme de type « étoile » extrudόe. Ainsi, la surface de brûlage S1 , devient la surface de brûlage S2 d'aire égale. De même, au fur et à mesure du brûlage du matériau énergétique, la surface de brûlage devient Sn, toujours de même aire que S1 et S2 et ainsi de suite.
C'est de cette façon qu'on assure généralement, dans l'état de l'art, l'impulsion maximale et le débit massique de matériau énergétique brûlé constant dans les propulseurs actuels.
La figure 2 illustre de façon très schématique, un propulseur de l'art connu. Ce dernier, de forme cylindrique, comprend un pain énergétique 1 périphérique au cœur duquel est aménagé un canal central 3. Le pain énergétique 1 brûle selon une surface constante, selon le principe décrit en figure 1. Le débit massique s'échappant du cylindre énergétique via le col 5 est donc constant. Ainsi, l'impulsion générée est élevée du fait de l'importance de la surface de brûlage, et stable du fait de sa constance.
Cependant, le vide du canal central 3 aménagé au centre du pain énergétique 1 induit une fragilité accrue du cylindre énergétique du propulseur notamment vis-à-vis d'éclats lourds-légers. En effet, suite à un impact d'un tel éclat, l'onde de choc générée a tendance à se propager de part et d'autre de l'impact sur la circonférence du cylindre énergétique car elle ne peut être absorbée dans l'axe de l'impact du fait du vide du canal central 3. Ce phénomène entraîne une fragilité de la coque du cylindre énergétique facilitant son déchirement.
Ce type de réaction fait partie de ce que l'on appelle l'effet canal, déjà mentionné précédemment.
La figure 3 représente une première illustration schématique du principe de l'invention. Celle-ci est rendu possible par l'apparition de matériaux énergétiques présentant des vitesses de combustion de trois à sept mètres par seconde, c'est-à-dire de 10 à 100 fois plus grandes que celles des matériaux énergétiques actuels. Ces matériaux sont constitués de nano-structures à base de Fe2O3, dopé par de l'Aluminium ou de l'Hexogène par exemple. Ce type de matériaux, dits nano-énergétiques, sont obtenus suite à des réactions chimiques dites nano-structurées. Ces matériaux nano- énergétiques présentent des gammes de densité allant de 0.5 à 10 fois celle des matériaux énergétiques standards et des vitesses de combustion allant de 0.1 centimètre à 7 mètres par seconde. Dans l'invention, on utilise ces matériaux énergétiques à très haute vitesse de combustion pour remplir Ie canal central 3 d'un pain énergétique primaire 1. Cette insertion d'un pain énergétique primaire 1 dans le canal central 3 du pain énergétique secondaire 2 élimine de facto l'effet canal précédemment décrit et réduit donc les effets d'une agression du type « éclats lourds-légers ».
La figure 4 représente la première phase de fonctionnement du propulseur selon l'invention. Le pain énergétique secondaire 2, situé en périphérie du cylindre énergétique est ici recouvert d'un inhibiteur 4. La présence de cet inhibiteur peut cependant être facultative du fait du rapport entre les vitesses de combustion des pains énergétiques primaire 1 et secondaire 2. En effet, vue la très haute vitesse de combustion du pain énergétique primaire 1 , celui-ci peut brûler complètement avant que la combustion du pain énergétique secondaire 2 ne soit engagée, même en l'absence d'un inhibiteur spécifique. Cependant, dans la plupart des cas, on optera tout de même pour une configuration dans laquelle l'inhibiteur 4 est présent. Ce pain énergétique 2 peut typiquement être constitué de propergol double-base SD 1136, commercialisé par exemple par la société SME- Propulsion. Par l'intermédiaire de fils chauds ou d'un flash laser par exemple, le pain énergétique primaire 1 est initié. Sa combustion cigarette se fait à une vitesse de l'ordre de quelques mètres par seconde. Pendant une durée proche mais inférieure ou égale à la durée de combustion du pain énergétique 1 , l'inhibiteur 4 s'érode, permettant au pain énergétique 2 d'être initié, par exemple lors de la fin de la combustion du pain énergétique 1. Le brûlage B1 du pain énergétique 1 génère un débit massique Dm au niveau du col 5.
La figure 5 représente la deuxième phase de fonctionnement du propulseur selon l'invention. La combustion rapide du pain énergétique 1 s'achevant, la combustion du pain énergétique 2 est initiée. La vitesse de brûlage de ce pain énergétique secondaire est de l'ordre de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres par seconde. Cependant, le brûlage B2 du pain énergétique 2 génère le même débit massique Dm de matériau brûlé et propulsé via le col 5 du fait de l'importante surface de brûlage.
Le maintien du débit massique Dm au niveau du col 5 permet d'obtenir une impulsion constante pour le propulseur, que ce soit durant la phase de combustion du pain énergétique primaire 1 ou pendant celle du pain énergétique secondaire 2.
En résumé, l'invention présente le double avantage majeur de minimiser le risque lié aux agressions accidentelles auxquelles peuvent êtres soumis des propulseurs grâce au remplissage du canal central couramment aménagé au cœur du cylindre énergétique, et d'augmenter fortement l'efficacité de ces propulseurs par l'utilisation de matériaux énergétiques à très haute vitesse de combustion.
En effet, grâce au différentiel de vitesse de combustion entre le pain énergétique primaire et le pain énergétique secondaire, on peut créer en « dynamique » le futur canal central du pain secondaire tout en bénéficiant de l'impulsion créée par la combustion du pain primaire. Une telle architecture permet une augmentation importante de l'énergie embarquée par unité de volume.
Le gain impulsionnel théorique, c'est-à-dire l'augmentation de l'impulsion d'un propulseur modifié selon l'invention par rapport à l'impulsion d'un propulseur selon l'état de l'art, calculé sur la base d'un propulseur actuel GSD4-G1 de la société TDA Armements SAS (Thomson Dasa Armement, société du groupe Thaïes), est de l'ordre de 40%.

Claims

REVENDICATIONS
1. Propulseur comportant un cylindre énergétique constitué d'un canal central (3) et d'un pain énergétique secondaire (2) périphérique présentant une vitesse de combustion secondaire (V2), caractérisé en ce que ledit canal central (3) est rempli d'un pain énergétique primaire (1), constitué de matériaux comportant des nano-structures à base de Fe≥Oa, dopé par de l'Aluminium et/ou de i'Hexogène par exemple, et présentant une vitesse de combustion primaire (Vl) de 10 à 100 fois plus grande que la vitesse de combustion secondaire (V2), ledit propulseur n'étant par conséquent pas exposé au risque
« d'effet canal ».
2. Propulseur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le pain énergétique secondaire (2) est recouvert d'un inhibiteur (4) s'érodant en totalité pendant la combustion du pain énergétique primaire {1 ), en une durée proche et inférieure ou égale à la durée de combustion dudit pain énergétique primaire (1).
3. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que te pain énergétique secondaire (2) est constitué de propergol.
4. Procédé d'initiation d'un propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
• initiation en combustion « cigarette » du pain énergétique primaire (1) à la vitesse de combustion primaire (V1),
• après combustion de la quasi-totalité du pain énergétique primaire (1), mise en combustion du pain énergétique secondaire (2) à la vitesse de combustion secondaire (V2) sur toutes ses surfaces rendues libres par la combustion du pain énergétique primaire (1).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la combustion du pain énergétique primaire (1) à la vitesse de combustion primaire (V1) et la combustion du pain énergétique secondaire (2) à la vitesse de combustion secondaire (V2) présentent un même débit massique de matériau énergétique brûlé.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique primaire (1) est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds.
7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique primaire (1) est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique secondaire (2) est effectuée par l'intermédiaire du brûlage du pain énergétique primaire {1 ).
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