FR2625793A1 - Thermal-insulation panel (block) - Google Patents
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Abstract
Description
BLOC D'ISOLATION THERMIQUE
La présente invention concerne un bloc d'isolation thermique, plus particulièrement un bloc d'isolation thermique destiné à être placé à l'extérieur du corps d'un mobile se déplaçant à très grande vitesse tel qu'un véhicule spatial pour le protéger de l'échauffement cinétique.THERMAL INSULATION BLOCK
The present invention relates to a thermal insulation block, more particularly a thermal insulation block intended to be placed outside the body of a mobile moving at a very high speed, such as a spacecraft to protect it from damage. kinetic heating.
En effet, dans le cas d'un véhicule spatial, en particulier dans le cas d'un appareil devant subir- plusieurs rentrées dans l'atmosphère terrestre, telle qu'une navette spatiale, il est absolument nécessaire d'isoler thermiquement la structure de l'appareil contre l'échauffement cinétique qui se produit lors du lancement et lors de la rentrée dans l'atmosphère mais aussi lors du vol orbital. Cette isolation thermique est réalisée à l'aide de blocs d'isolation thermique ou tuiles qui forment la structure externe de l'appareil. Ces blocs d'isolationthermique doivent répondre à un certain nombre de critères. Leur surface extérieure doit être étanche pour protéger ce véhicule contre la pollution par le "kérosène" et contre la pénétration d'humidité.De plus, ces blocs d'isolation thermique doivent pouvoir absorber les différences de pression existant entre l'environnement et la partie interne de la protection sans risque de rupture. Ils doivent être réalisés de manière à présenter le poids le plus faible possible associé avec la meilleure protection thermique. D'autre part, ils doivent présenter une certaine souplesse pour pouvoir s'adapter au profil extérieur à obtenir. Indeed, in the case of a space vehicle, particularly in the case of an aircraft having to undergo several re-entries into the Earth's atmosphere, such as a space shuttle, it is absolutely necessary to thermally isolate the structure of the vehicle. the device against the kinetic heating that occurs during launch and during re-entry into the atmosphere but also during orbital flight. This thermal insulation is achieved using thermal insulation blocks or tiles that form the external structure of the device. These thermal insulation blocks must meet a certain number of criteria. Their outer surface must be watertight to protect this vehicle against pollution by "kerosene" and against the penetration of moisture.Furthermore, these thermal insulation blocks must be able to absorb the pressure differences existing between the environment and the part. internal protection without risk of breakage. They must be made to have the lowest possible weight associated with the best thermal protection. On the other hand, they must have some flexibility to adapt to the external profile to obtain.
La présente invention a pour but de proposer un nouveau bloc d'isolation thermique répondant à l'ensemble des critères ci-dessus. The present invention aims to propose a new thermal insulation block meeting all the above criteria.
Ainsi, la présente invention a pour objet un bloc d'isolation thermique, caractérisé en ce qu'il est constitué par la superposition - d'une couche support permettant l'adaptation à la forme de la surface à isoler, - d'une structure semi-rigide liée à la couche support, cette structure semi-rigide étant formée d'un gaufrage réalisé à partir de fibres minérales ou organiques polymérisées, - d'une structure composite comportant au moins une couche de matériau Isolant et un écran réflecteur, la structure composite recouvrant la structure semi-rigide en délimitant des cavités remplies par une protection isolante, et - d'un tissu de surface étanche recouvrant la structure composite. Thus, the present invention relates to a thermal insulation block, characterized in that it consists of the superposition - of a support layer for adapting to the shape of the surface to be insulated, - a structure semi-rigid bonded to the support layer, this semi-rigid structure being formed of an embossing made from mineral or organic polymerized fibers, - a composite structure comprising at least one layer of insulating material and a reflective screen, the composite structure covering the semi-rigid structure delimiting cavities filled by an insulating protection, and - a sealed surface fabric covering the composite structure.
L'originalité de la présente invention réside principalement dans la structure semi-rigide qui permet au bloc d'isolation thermique de s'adapter facilement à la forme de la surface à isoler touts en donnant un bloc d'isolation thermique suffisamment rigide et cependant léger. The originality of the present invention resides mainly in the semi-rigid structure which allows the thermal insulation block to easily adapt to the shape of the surface to be insulated while giving a sufficiently rigid and yet lightweight thermal insulation block .
Selon un mode de réalisation préférentiel, la structure semi-rigide est constituée par un matériau composite embouti à base d'un tissu constitué de couches uni-directionnelles de fibres continues, superposées et non tissées et d'un liant. Les fibres continues sont, de préférence, choisies parmi les fibres de carbone, de silice, de verre, de carbure de silicium. According to a preferred embodiment, the semi-rigid structure is constituted by a composite material stamped based on a fabric consisting of uni-directional layers of continuous, superimposed and non-woven fibers and a binder. The continuous fibers are preferably chosen from carbon, silica, glass and silicon carbide fibers.
D'autre part, la structure composite isolante peut être réalisée de diverses manières. Elle peut être constituée par la superposition de feutres réalisés à base de fibres de carbone, de fibres phénoliques carbonisées, de fibres de poly-acrylo-nltrile, de fibres de zircone, de fibres de silice comprimées et d'écrans réflecteurs constitués soit par une feuille d'aluminium ou une feuille de graphite qui peut être recouverte d'une couche d'un matériau réfléchissant, tel que l'aluminium. L'ensemble peut être aiguilleté. D'autre part, la surface extérieure du feutre externe est, de préférence, recouverte d'une couche d'un matériau réfléchissant tel que l'aluminium déposé par dépôt sous vide.Le nombre de couches et/ou ltépaisseur des couches sera choisi pour que la température au niveau de la surface inférieure de la structure composite ne dépasse pas 3000 C. On the other hand, the insulating composite structure can be realized in various ways. It may consist of the superposition of felts made from carbon fibers, carbonized phenolic fibers, polyacrylonitrile fibers, zirconia fibers, compressed silica fibers and reflective screens constituted either by aluminum foil or a graphite sheet that can be covered with a layer of a reflective material, such as aluminum. The set can be needled. On the other hand, the outer surface of the outer felt is preferably covered with a layer of a reflective material such as vacuum-deposited aluminum. The number of layers and / or the thickness of the layers will be selected to that the temperature at the bottom surface of the composite structure does not exceed 3000 C.
Conformément à la présente invention, cette structure composite est recouverte d'un tissu de surface étanche réalisé, de préférence, en fibres de silice. Pour obtenir une meilleure protection contre les ruissellements, ce tissu est recouvert extérieurement par une couche de nitrure de titane obtenue par vaporisation sous vide. On réalise ainsi une céramisation de la surface externe du bloc d'isolation thermique. According to the present invention, this composite structure is covered with a waterproof surface fabric preferably made of silica fibers. To obtain better protection against runoff, this fabric is externally coated with a layer of titanium nitride obtained by vacuum vaporization. This is a ceramization of the outer surface of the thermal insulation block.
D'autre part, selon une autre caractéristique de la présente invention, le tissu et la structure composite sont fixés sur la structure rigide par piquage. De ce fait, la surface supérieure du gaufrage est pré-trouée et le piquage est réalisé avec une fibre de silice ou une fibre vendue sous la marque NEXTEL, ces fibres étant préparées pour résister aux températures d'utilisation. Ce piquage est réalisé de manière lâche pour que, lorsque le bloc d'isolation thermique est mis en forme, la surface extérieure du bloc d'isolation thermique soit bien tendue et ne présente aucun plissement. On the other hand, according to another characteristic of the present invention, the fabric and the composite structure are fixed to the rigid structure by stitching. As a result, the upper surface of the embossing is pre-holed and the stitching is made with a silica fiber or a fiber sold under the trademark NEXTEL, these fibers being prepared to withstand the temperatures of use. This stitching is performed loosely so that when the thermal insulation block is shaped, the outer surface of the thermal insulation block is well tensioned and shows no wrinkling.
D'autre part, pour permettre l'adaptation du bloc d'isolation thermique à la surface à recouvrir, la structure semi-rigide est liée à une couche support constituée par un matériau à forte capacité afin d'offrir une bonne inertie thermique. Cette couche support est constituée, par exemple, par une mousse alvéolaire telle qu'une mousse de polyimide. De préférence, la mousse polyimide est collée sur la structure support en utilisant un film adhésif tel que celui connu sous la marque "COTRONIX". On the other hand, to allow the adaptation of the thermal insulation block to the surface to be covered, the semi-rigid structure is bonded to a support layer consisting of a high capacity material to provide good thermal inertia. This support layer is constituted, for example, by a cellular foam such as a polyimide foam. Preferably, the polyimide foam is adhered to the support structure using an adhesive film such as that known under the trademark "COTRONIX".
Selon une autre caractéristique de la présente invention, la protection isolante remplissant les cavité réalisées par gaufrage est constituée par une superposition de n couches isolantes et de n-l écrans-réflecteur.Dans ce cas, les écrans réflecteurs sont des écrans en aluminium et les couches isolantes sont des feutres de silice pure, appelée aussi laine de quartz. Cette protection isolante présente l'avantage d'avoir une faible densité, de l'ordre de 17 Kg/m3, de bonnes caractéristiques mécaniques, hygrothermiques et thermiques, et une excellente tenue aux vibrations. According to another characteristic of the present invention, the insulating protection filling the cavities formed by embossing is constituted by a superposition of n insulating layers and nl screens-reflector.In this case, the reflective screens are aluminum screens and the insulating layers are pure silica felts, also called quartz wool. This insulating protection has the advantage of having a low density, of the order of 17 Kg / m3, good mechanical, hygrothermal and thermal characteristics, and excellent resistance to vibrations.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un bloc d'isolation thermique conforme à la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe par II/II de figure 1, et - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe agrandies de différents modes de réalisation de la structure composite utilisée dans le bloc d'isolation thermique conforme à la présente invention. Other features and advantages of the present invention will appear on reading the description given below with reference to the accompanying drawings, in which - Figure 1 is a perspective view of a thermal insulation block according to FIG. 2 is a sectional view through II / II of FIG. 1, and FIGS. 3 and 4 are enlarged sectional views of various embodiments of the composite structure used in the insulation block. thermal device according to the present invention.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, un bloc d'isolation thermique conforme à la présente invention est constitué essentiellement d'une couche support 1, d'une structure semi-rigide 2, d'une structure composite 3, et d'un tissu de surface 4 étanche recouvrant la structure composite. As shown in FIGS. 1 and 2, a thermal insulation block according to the present invention consists essentially of a support layer 1, a semi-rigid structure 2, a composite structure 3, and a waterproof surface fabric 4 covering the composite structure.
Un des éléments essentiels du bloc d'isolation thermique est constitué par la structure semi-rigide 2. Cette structure est obtenue en emboutissant un matériau composite à base d'un tissu constitué de couches unidirectionnelles de fibres continues superposées et non tissées et d'un liant. Ce matériau composite est embouti, de manière à former un gaufrage présentant des nervures 2' et délimitant des cavités 2" qui sont remplies par une protection isolante 5. La structure semi-rigide est réalisée, de préférence, en utilisant le procédé décrit dans les demandes de brevets français N086 13007 et N087 05107 déposées au nom de la Demanderesse. Dans ce cas, les fibres continues constituant le tissu sont choisies parmi les fibres de carbone, de silice, de verre, de carbure de silicium. Le liant est constitué, de préférence, par une résine de type phénolique. One of the essential elements of the thermal insulation block is formed by the semi-rigid structure 2. This structure is obtained by stamping a composite material based on a fabric consisting of unidirectional layers of continuous superposed and non-woven fibers and a binder. This composite material is embossed, so as to form an embossing having ribs 2 'and delimiting cavities 2 "which are filled by an insulating protection 5. The semi-rigid structure is preferably produced using the method described in FIGS. French patent applications N086 13007 and N087 05107 filed in the name of the Applicant In this case, the continuous fibers constituting the fabric are chosen from carbon, silica, glass and silicon carbide fibers. preferably by a phenolic type resin.
En utilisant le procédé décrit dans les demandes de brevets français N086 13007 et 87 05107, on peut réaliser un emboutissage profond et obtenir des pièces en matériau composite dont les fibres ne soient pas détériorées lors de leur réalisation. Ce matériau est suffisamment rigide mais peut s'adapter facilement à la forme de la surface à recouvrir du fait des nervures 2' lui donnant une certaine souplesse. Using the method described in French Patent Application Nos. 13007 and 87 05107, it is possible to carry out a deep drawing and to obtain composite material parts whose fibers are not deteriorated during their production. This material is sufficiently rigid but can easily adapt to the shape of the surface to be covered because of the ribs 2 'giving it a certain flexibility.
Les cavités réalisées par le gaufrage sont remplies par une protection isolante, plus particulièrement, par une protection du type de celle décrite dans le brevet français NO 1 124 717 au nom de la Demanderesse: Cette protection est constituée par une superposition de n couches isolantes réalisées, par exemple, en laine de quartz (silice pure) et de n - 1 écrans réflecteurs réalisés de préférence en aluminium. The cavities formed by the embossing are filled by an insulating protection, more particularly by a protection of the type described in French Patent No. 1,124,717 in the name of the Applicant: This protection consists of a superposition of n insulating layers made for example, quartz wool (pure silica) and n - 1 reflector screens preferably made of aluminum.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, on a représenté trois couches isolantes 50 en un matériau minéral tel que la laine de quartz, et deux écrans réflecteurs 51 en aluminium. Il est évident pour l'homme de l'art que, suivant la protection thermique souhaitée et l'épaisseur des nervures 2', un nombre différent de couches isolantes et d'écrans réflecteurs peut aussi être utilisé. L'un des avantages de la protection ci-dessus est sa faible densité, qui est de l'ordre de 17 Kg/m . Ceci permet d'obtenir un gain non négligeable sur le poids de l'ensemble sans compromettre les caractéristiques mécaniques, hygrothermiques et thermiques du bloc d'isolation thermique.In the embodiment shown in Figures 1 and 2, there are shown three insulating layers 50 of a mineral material such as quartz wool, and two aluminum reflector screens 51. It is obvious to those skilled in the art that, depending on the desired thermal protection and the thickness of the ribs 2 ', a different number of insulating layers and reflective screens may also be used. One of the advantages of the above protection is its low density, which is of the order of 17 Kg / m. This allows to obtain a significant gain on the weight of the assembly without compromising the mechanical, hygrothermal and thermal characteristics of the thermal insulation block.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, la structure semi-rigide est recouverte d'une structure composite 3. Cette structure composite peut être réalisée de différentes manières. As shown in FIGS. 1 and 2, the semi-rigid structure is covered with a composite structure 3. This composite structure can be made in different ways.
Toutefois, elle doit faire tomber la température au niveau de l'extrémité supérieure des nervures 2 à une valeur de l'ordre de 3000C en réduisant la transmission de chaleur par rayonnement et par convection.However, it must drop the temperature at the upper end of the ribs 2 to a value of the order of 3000C by reducing the heat transmission by radiation and convection.
Ainsi, comme représenté sur la figure 3, elle peut être constituée par la superposition d'un premier feutre 30 réalisé en fibres de carbone, d'un écran en graphite 32 et d'un deuxième feutre 31 en fibres de carbone, d'épaisseur inférieure ou égale à celle du premier feutre. Dans ce cas, pour obtenir une structure plus dense, l'ensemble est aiguilleté, comme représenté par la référence 35. De plus, pour améliorer les propriétés de réflection thermique, la surface extérieure du feutre 31 est recouverte d'une couche 34 d'un matériau réfléchissant tel que de l'aluminium déposé par dépôt sous vide. Thus, as shown in FIG. 3, it may be constituted by the superposition of a first felt 30 made of carbon fibers, a graphite screen 32 and a second felt 31 made of carbon fibers, of thickness less than or equal to that of the first felt. In this case, to obtain a denser structure, the assembly is needled, as represented by the reference 35. In addition, to improve the thermal reflection properties, the outer surface of the felt 31 is covered with a layer 34 of a reflective material such as aluminum deposited by vacuum deposition.
De préférence, l'écran en graphite est lui aussi recouvert d'une couche 33 d'un même matériau réfléchissant.Preferably, the graphite screen is also covered with a layer 33 of the same reflective material.
Selon un autre mode de réalisation représenté 8. la figure 4, la structure composite est constituée par la superposition de feutres denses 36 réalisés à base de fibres phénoliques carbonisées, de fibres poly-acrylo-nitriles, de fibres de zircone, de fibres de silice comprimées ou similaires. According to another embodiment shown in FIG. 4, the composite structure consists of the superposition of dense felts 36 made from carbonized phenolic fibers, polyacrylonitrile fibers, zirconia fibers and silica fibers. compressed or the like.
Entre ces différents feutres, sont intercalés des écrans réflecteurs 37 qui peuvent être réalisés à l'aide d'une feuille d'aluminium ou d'une feuille de graphite. La feuille de graphite est, de préférence, recouverte d'une couche d'un matériau réfléchissant tel que l'aluminium. Bien que ne présentant pas de bonnes caractéristiques' mécaniques, les fibres phénoliques carbonisées peuvent entre utilisées dans le cadre de la présente invention car elles présentent l'avantage d'avoir une section excessivement fine, à savoir une section d'environ 2 prn. D'autre part, l'épaisseur de la structure' composite sera choisie de telle sorte que la température au niveau des extrémités des nervures 2' ne dépasse pas 3000C. De plus, pour obtenir des structures plus denses, l'ensemble peut être aiguilleté.Between these different felts are interposed reflector screens 37 which can be made using an aluminum foil or a graphite sheet. The graphite sheet is preferably covered with a layer of a reflective material such as aluminum. Although not having good mechanical characteristics, the carbonized phenolic fibers can be used in the context of the present invention because they have the advantage of having an excessively fine section, namely a section of about 2 μm. On the other hand, the thickness of the composite structure will be chosen so that the temperature at the ends of the ribs 2 'does not exceed 3000C. In addition, to obtain denser structures, the assembly can be needled.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, la structure composite 3 est recouverte d'un tissu de surface 4. Ce tissu de surface doit être étanche au ruissellement et pouvoir rester tendu qu'elles que soient les déformations apportées au bloc d'isolation thermique lorsqutil est mis en position sur la surface à protéger. Ce tissu de surface est, de préférence, réalise en fibres de silice. Ces fibres de silice sont tissées de manière très serrée pour obtenir un tissu type satin. D'autre part, pour améliorer l'étanchéïté, le tissu est revêtu extérieurement par une couche de nitrure de titane obtenue par vaporisation sous vide. Eventuellement, on peut vaporiser sur le tissu un agent imperméabilisant agissant contre les agents de moisissure. As represented in FIGS. 1 and 2, the composite structure 3 is covered with a surface fabric 4. This surface fabric must be impervious to runoff and be able to remain stretched regardless of the deformations made to the thermal insulation block when placed in position on the surface to be protected. This surface fabric is preferably made of silica fibers. These silica fibers are woven very tightly to obtain a satin-like fabric. On the other hand, to improve the sealing, the fabric is externally coated with a layer of titanium nitride obtained by vacuum vaporization. Optionally, a waterproofing agent acting against the mold agents can be sprayed onto the fabric.
Conformément à la présente invention, le tissu 4 et la structure composite 3 sont fixés sur la structure rigide 2 par piquage 8. Pour faciliter ce piquage, la surface supérieure des nervures 2' est munie de place en place de trous 7. Pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques et hygrothermiques, le piquage est réalisé, de préférence, avec une fibre de silice ou avec une fibre vendue sous la marque
NEXTEL, préparée spécialement. D'autre part, pour que le bloc d'isolation thermique puisse s'adapter à la surface à protéger sans entraîner de déchirure du tissu ou de modifications très importantes dans l'épaisseur des couches supérieures, le piquage est réalisé de manière lâche.According to the present invention, the fabric 4 and the composite structure 3 are fixed on the rigid structure 2 by stitching 8. To facilitate this stitching, the upper surface of the ribs 2 'is provided with place in place of holes 7. To resist thermal, mechanical and hygrothermal stresses, the quilting is preferably performed with a silica fiber or with a fiber sold under the brand name
NEXTEL, specially prepared. On the other hand, so that the thermal insulation block can adapt to the surface to be protected without tearing the fabric or very significant changes in the thickness of the upper layers, the stitching is performed loosely.
Comme représenté sur les figures i et 2, la structurerigide 2 est fixée sur une couche support 1 dont le but essentiel est de permettre une adaptation à la forme de la surface à isoler. Cette couche support 1 est constituée, de préférence, par une mousse alvéolaire telle qu'une mousse de polyimide. Cette mousse polyimide est liée à la structure semi-rigide par collage, de préférence, en utilisant un film adhésif tel que le film vendu sous la marque "COTRONICS". As shown in Figures 1 and 2, the structuringigide 2 is fixed on a support layer 1 whose essential purpose is to allow adaptation to the shape of the surface to be isolated. This support layer 1 is preferably constituted by a cellular foam such as a polyimide foam. This polyimide foam is bonded to the semi-rigid structure by gluing, preferably using an adhesive film such as the film sold under the trademark "COTRONICS".
De plus, comme représenté sur la figure 2, l'interieur des nervures 2' est rempli de fibres telles que des fibres de laine de silice qui donnent une certaine rigidité aux nervures tout en permettant leur déformation. In addition, as shown in Figure 2, the interior of the ribs 2 'is filled with fibers such as silica wool fibers which give some rigidity to the ribs while allowing their deformation.
Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemple et qu'ils peuvent être modifiés, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir du cadre de la présente invention. It is obvious to those skilled in the art that the described embodiments have been given by way of example only and that they can be modified, in particular by substitution of technical equivalents, without departing from the scope of the present invention. the present invention.
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