FR2629079A1 - Procede de production d'un propergol en bloc et produit obtenu - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de production de blocs de propergols solides. Des particules d'un élastomère thermoplastique, des particules d'un comburant, des particules d'un combustible, des plastifiants et d'autres ingrédients de formulation d'un propergol sont mélangés afin de produire un mélange sec 13. Le mélange sec 13 est tassé dans une enveloppe de propulseur de fusées ou moule 10. Le mélange sec 13 est ensuite chauffé en place, en partant de la base et en poursuivant vers le haut, pour faire fondre l'élastomère thermoplastique. Pendant la fusion, un vide et une pression mécanique de compactage sont utilisés pour éliminer les interstices. Un bloc de propergol solide est obtenu par refroidissement. Application : blocs de propergols solides pour fusées.

Description

La présente invention concerne un propergol solide en bloc ou sous des

formes similaires, et elle a plus particulièrement trait à un procédé de production de blocs de propergol comprenant des liants thermoplastiques et des particules solides en suspension. Les propergols composites solides classiques comprennent des liants à base d'élastomères réticulés, dans lesquels des prépolymères sont réticulés par des agents vulcanisants chimiques. Comme le montre -en détail le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 361 526, de

graves inconvénients sont liés à l'utilisation d'élas-

tomères réticulés. Ces derniers doivent être coulés en une courte période après l'addition de l'agent vulcanisant, cette période étant connue sous la dénomination de "vie en pot". La destruction d'une composition coulée de propergol réticulé est difficile, sauf par combustion, ce qui pose

des problèmes concernant l'environnement.

A propos de liants élastomériques réticulés, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 361 526 propose en

variante l'utilisation d'un liant élastomérique thermoplas-

tique qui est un copolymère séquencé d'un diène et de styrène, les séquences de styrène offrant une structure cristalline fusible et les séquences de diène conférant au copolymère les propriétés d'un caoutchouc ou des propriétés élastomériques. Pour préparer une composition de propergol en utilisant le copolymère, on dissout ce dernier dans un solvant organique tel que le toluene et on ajoute les matières solides et les autres composants de formulations de propergol. Le solvant est ensuite évaporé en laissant une matière solide caoutchouteuse qui peut être divisée en granules aptes a la mise en oeuvre par coulée ou à un autre traitement. Un inconvénient de la formulation d'un propergol à l'aide d'un liant élastomérique thermoplastique qui doit être dissous dans un solvant réside dans le fait que le bloc de propergol ne peut pas être coulé d'une manière classique, par exemple dans l'enveloppe du propulseur d'une fusée. En outre, un traitement à base de

solvants pose des problèmes en ce qui concerne l'élimina-

tion des solvants et leur récupération. Des solvants organiques tels que le toluène présentent certains dangers tant aux abords immédiats du chantier que vis-à-vis d'un environnement plus grand, ce qui nécessite de prendre diverses précautions dans des opérations mettant en oeuvre

des formulations de propergols.

Il a aussi été proposé de produire des propergols élastomériques thermoplastiques dans lesquels les particules solides et l'élastomère thermoplastique sont fondus dans un mélangeur à fort cisaillement ou extrudés, et le mélange fondu est versé ou extrudé dans une enveloppe ou un moule. Ces techniques présentent des inconvénients importants. En raison de la forte charge en matières solides des formulations de propergols, les viscosités tendent à être très hautes, ce qui rend l'opération de mélange difficile et, dans de nombreux cas, impossible sur une grande échelle. Une surchauffe locale dans un appareil à fort cisaillement peut créer une instabilité dans une formulation de haute énergie. Comme décrit avec de plus amples détails ci-après, les techniques de coulée qui sont basées sur un écoulement, par exemple coulée ou extrusion, ont généralement pour résultat une orientation anisotrope

indésirable de particules.

Il est nécessaire de trouver des procédés perfectionnés pour la production de blocs de propergols avec des liants élastomériques thermoplastiques, et en particulier des procédés qui puissent être conçus pour réaliser des propulseurs de fusées même à l'échelle des

plus grands.

Conformément à la présente invention, des blocs de propergol solide pour fusées ou pour un usage similaire sont préparés & partir d'un mélange à sec de particules

d'élastomère thermoplastique et de particules énergétiques.

Le mélange à sec est fondu en place dans l'enveloppe ou moule du propulseur de fusée. Des particules d'élastomère thermoplastique sont préparées, par exemple, par fragmenta- tion cryogénique et mélangées de façon homogène avec des particules énergétiques, comprenant des particules de combustible solide et/ou des particules de comburant solide. On choisit les particules de manière que la distribution de leurs diamètres satisfasse aux conditions

de formulation et permette un tassement serré des par-

ticules. On charge dans le moule ou enveloppe le mélange sec de particules, et on utilise des moyens mécaniques, par exemple des vibrations, un bourrage, etc., pour assurer le tassement serré des particules solides. Ensuite, le mélange tassé est chauffé à la température de fusion de la matière thermoplastique d'une manière qui permet de faire fondre un élastomère thermoplastique de la base au sommet de la matière tassée. Pendant la fusion, le mélange est maintenu sous vide pour chasser l'air des interstices, cependant qu'il est soumis à une pression mécanique par le haut pour comprimer les particules et l'élastomère thermoplastique fondu et pour en chassant l'air. Ensuite, on laisse refroidir le mélange fondu et se solidifier en un bloc de propergol. Le bloc de propergol fondu est usiné le cas échéant. Sur les dessins annexés:

- la figure 1 est une représentation schémati-

que illustrant la fusion d'un bloc de propergol de 12,7 cm de diamètre, perforé au centre, conformément au procédé de la présente invention; - les figures 2A et 2B sont des représentations photographiques permettant de comparer l'orientation des matières solides dans un bloc de formulation inerte de propergol réalisé par extrusion (2A) et des blocs de la même formulation inerte de propergol réalisés par le

procédé de la présente invention (2B).

La présente invention a trait a un procédé pratique pour la réalisation d'un bloc de propergol coulé dans lequel un élastomère thermoplastique constitue la base du système liant qui porte des particules solides en

dispersion. Bien qu'il soit admis que des liants élas-

tomériques thermoplastiques possèdent en eux-mêmes de

nombreux avantages comparativement & des liants polyméri-

ques réticulés, diverses contraintes relatives aux élastomères thermoplastiques et aux systèmes de propergols ont en général empêché l'existence d'un procédé pratique de

coulée de blocs de propergols comprenant un liant élas-

tomérique thermoplastique. Des contraintes importantes sont en relation avec la plage de températures dans laquelle des élastomères thermoplastiques doivent être mis en oeuvre en vue de leur utilisation dans un 'propergol, et les hautes viscosités des élastomères thermoplastiques dans la plage des températures de mise en oeuvre. D'autres contraintes sont en rapport avec la forte charge de matières solides que nécessite une formulation de propergol, par exemple 75% et plus, et avec l'instabilité des particules solides énergétiques. Des élastomères thermoplastiques utiles comme

liants de propergols doivent en général avoir des tempéra-

tures de fusion au-dessus d'environ 65-71'C de manière que le bloc de propergol ne fonde pas aux températures ambiantes maximales auxquelles il pourrait être exposé (y compris des températures légèrement plus hautes que la température de l'air, résultant de l'absorption d'énergie solaire). La mise en oeuvre d'une formulation de propergol

doit en général être effectuée au-dessous d'environ 149-

177*C afin que les matières énergétiques telles que les particules de carburant, les particules de comburant et les plastifiants ne se déstabilisent pas en risquant de donner

des résultats catastrophiques.

Dans la plage de températures de travail la

quasi-totalité des élastomères thermoplastiques sus-

ceptibles d'être utilisés sont trop visqueux pour s'écouler simplement dans les interstices entre particules tassées, à la manière de l'écoulement de la nitroglycérine dans les

interstices de granules de nitrocellulose dans la prépara-

tion de propergols à double base. La forte charge en matières solides de formulations de propergols et les hautes viscosités d'élastomères thermoplastiques fondus donnent des formulations de propergol fondues de haute viscosité, qui posent des problèmes en rapport avec un traitement sous fort cisaillement, par exemple un mélange par lots sous fort cisaillement, notamment en ce qui concerne des lots importants ou des procédés continus. Le traitement sous fort cisaillement de formulations très visqueuses risque d'avoir pour conséquence des températures localisées au-dessus des points de stabilité des divers

composants d'une formulation de propergol et est en.

général considéré comme trop dangereux.

Dans un procédé de production d'un bloc coulé de propergol, on doit en outre prendre en considération l'uniformité du bloc de propergol, tant en matière de densité que de charge solide, de manière à permettre une

combustion régulière prévisible. Il est en outre souhaita-

ble que les particules solides d'un bloc de propergol aient une orientation aussi isotrope que possible- de manière à garantir des caractéristiques prévisibles de combustion de ce bloc. La quasi-totalité des procédés qui sont fondés sur l'écoulement d'une composition formée d'un

liant et d'une matière solide tend à orienter les par-

ticules, et généralement, tout propergol coulé, par exemple verticalement dans un moule ou une enveloppe cylindrique, présente une orientation des particules, ce qui crée une vitesse différentielle de combustion qui est plus grande dans la direction parallèle à la direction d'écoulement que

dans la direction perpendiculaire à la direction d'écoule-

ment. L'expérience prouve que la vitesse de combustion dans une direction parallèle à l'écoulement excède en général d'environ 1 à 12% la vitesse de combustion dans la direction perpendiculaire à l'écoulement. En vue de minimiser les effets de l'orientation anisotrope des particules, des formulations de propergols sont normalement coulées dans les enveloppes de propulseurs de fusées par l'intermédiaire de cônes de dispersion; toutefois, des anomalies peuvent encore apparaître localement, et il en

résulte des caractéristiques imprévisibles de combustion.

La présente invention a trait à un procédé de

production d'un propergol comprenant un liant thermoplasti-

que et des particules énergétiques de manière à assurer l'obtention d'un bloc de perpergol de haute densité avec des particules énergétiques a distribution uniforme et orientation isotrope. Le propergol est fondu à une température au-dessus du point de fusion de l'élastomère thermoplastique et au-dessous de températures auxquelles une déstabilisation pourrait avoir lieu, et en s'assurant

qu'aucune surchauffe locale puisse se produire.

D'une manière générale, conformément à l'invention, on prépare un mélange sec de particules d'élastomère thermoplastique et de particules énergétiques et on garnit de ce mélange sec une enveloppe de propulseur de fusées ou un moule de manière à assurer une haute densité de tassement du mélange. Ensuite, on chauffe le mélange dans l'enveloppe ou le moule au-dessus de la température de fusion de la matière thermoplastique, la fusion du mélange progressant du bas vers le haut. Tandis que le mélange est chauffé, il est en même temps exposé à un vide et à une pression mécanique de compactage pour en chasser l'air au fur et à mesure qu'il fond tout en le comprimant pour assurer l'obtention d'un bloc de propergol fondu de haute densité. Lorsque le mélange a entièrement fondu, on le laisse refroidir à la température ambiante puis se solidifier en un bloc de propergol. Généralement, un certain usinage du bloc fondu est nécessaire; par exemple, cela est dû au fait que le procédé de mélange à sec et de fusion nécessite un remplissage excessif du moule

ou de l'enveloppe.

La fusion, s'effectuant a partir de la base du mélange tassé cependant que l'air est chassé et que le mélange est comprimé mécaniquement, aide à assurer l'élimination quasi totale de l'air, en donnant ainsi un bloc de propergol fondu de haute densité. Du fait que le mélange dont la matière est distribuée de façon homogène est fondu en place, le bloc de propergol solide résultant a une densité uniforme et une charge uniforme de matières solides. Attendu que le procédé évite toute coulée ou toute extrusion de mélange fondu ou liquéfié, l'orientation des particules est à peu près entièrement isotrope. En conséquence, on s'attend à ce que des propergols qui sont produits conformément à l'invention aient des vitesses de combustion pratiquement égales dans les deux directions perpendiculaire et parallèle, par exemple avec une différence de moins d'environ 0,5%. Etant donné que la différence directionnelle de vitesse de combustion est supprimée, la stabilité de vitesse de combustion d'un bloc de propergol à un autre est réalisée, en contraste avec des procédés de coulée dans lesquels des conditions différentes d'écoulement affectent différemment la

performance de chaque bloc particulier de propergol.

Une grande variété d'élastomères thermoplasti-

ques pourrait être utilisée comme liants pour propergols, du moment que ces élastomères ont des points de fusion convenables, par exemple compris entre environ 65 et environ 177'C. Des élastomères thermoplastiques ayant des points de fusion des deux côtés de cette plage pourraient recevoir une application dans des cas particuliers. Par exemple, si l'on sait que le propergol ne sera pas exposé à de hautes températures ambiantes, on peut utiliser un élastomère thermoplastique ayant un point de fusion plus bas; si les particules énergétiques utilisées dans une formule particulière sont stables aux températures supérieures à la normale, un élastomère thermoplastique ayant une plus haute température de fusion peut être mis en oeuvre conformément à l'invention. Des élastomères thermoplastiques pour liants sont également choisis conformément aux propriétés mecaniques, aux énergies intrinsèques, aux coûts, etc. Des matières thermoplastiques pouvant être utilisées comme liants comprennent, à titre

non limitatif, des polyamides, un polyester, le butadiène-

1,2 syndiotactique, un polymère styrène-diène triséquencé, un polyuréthanne multiséquencé, et leurs mélanges. Un avantage important de la présente invention est que, du fait que les exigences de traitement pour des élastomères thermoplastiques ne sont pas particulièrement critiques, divers goudrons peu coûteux peuvent servir de liants pour propergols. Des goudrons peu coûteux ont souvent des énergies inhérentes comparables à celles de liants

réticulés de prix élevé, que l'on utilise couramment.

La présence de particules de l'élastomère thermoplastique est une nécessité absolue dans le procédé de l'invention. Des particules peuvent être obtenues par

fragmentation de morceaux plus grands de résine d'élas-

tomère thermoplastique. On peut effectuer la fragmentation en brisant un élastomère thermoplastique au-dessous de sa température de transition vitreuse (Tg), par exemple dans un broyeur cryogénique. Les fragments peuvent être triés conformément à leur diamètre, par exemple avec des tamis de diverses ouvertures de mailles, et ils peuvent être incorporés dans le mélange conformément à un diamètre ou une distribution de diamètres, ce qui facilite l'obtention d'un tassement serré d'un mélange sec. Des particules d'élastomères thermoplastiques d'une large plage de diamètres peuvent être utilisés, allant de particules ayant des diamètres pondérés moyens inférieurs & 1 micromètre à des particules ayant des diamètres pondérés moyens allant jusqu'à plusieurs centimètres ou plus. Toutefois, de préférence, les particules d'élastomère thermoplastique ont des diamètres pondérés moyens qui vont d'une valeur d'environ 10 micromètres à une valeur d'environ 1 mm, et de préférence, les particules ont des diamètres moyens pondérés inférieurs -à environ 1/10 mm pour faciliter

l'obtention d'une distribution uniforme des particules.

La distribution des diamètres des particules d'élastomère thermoplastique est choisie conformément à la distribution des diamètres des particules énergétiques, comprenant les particules de combustible et/ou les particules de comburant, pour favoriser un tassement serré du mélange sec. On cherche généralement à obtenir un tassement du mélange sec de 90%, de préférence de 95% et notamment de 98% de la densité théorique. La distribution de diamètres des particules énergétiques, comprenant à la fois les comburants et le combustible, est choisie en vue

d'atteindre une vitesse de combustion particulière.

D'autres procédés d'obtention de particules de résine thermoplastique sont également envisagés par la

présente invention, par exemple le séchage par pulvérisa-

tion ou l'atomisation de particules. Le choix du procédé de

production des particules dépend de la nature de l'élas-

tomère thermoplastique et du diamètre désiré des par-

ticules. Dans quelques cas, des particules d'élastomère thermoplastique de diamètre approprié peuvent être obtenues

directement sur le marché.

Des particules énergétiques sont choisies parmi les matières énergétiques qui sont communément utilisées dans des formulations de propergols. L'aluminium en particules constitue un combustible courant. Des comburants usuels comprennent le perchlorate d'ammonium (AP), la

cyclotriméthylène trinitramine (RDX) et le cyclotétra-

méthylène tétranitramine (HMX). Une forte charge de matières solides énergétiques constitue un attribut souvent recherché de formulations de propergols, des formulations de propergols ayant une teneur en matières solides d'au moins environ 75% en poids étant en général utilisées, et

une proportion en poids d'environ 92% étant même atteinte.

Le reste du bloc de propergol est essentiellement constitué

du liant.

Le liant comprend l'élastomère thermoplastique, et, à titre facultatif, un ou plusieurs plastifiants appropriés à l'élastomère thermoplastique, pour lui conférer élasticité et flexibilité. Le plastifiant peut

constituer jusqu'à environ 70% en poids du liant (élas-

tomère thermoplastique plus plastifiant) et jusqu'à environ

18% en poids de la charge de propergol.

La charge de propergol renferme facultativement des quantités secondaires de composants additionnels tels que des adjuvants de traitement, des modificateurs de vitesse de combustion, etc., qui sont connus dans la pratique. Les particules, comprenant les particules d'élastomère thermoplastique, les particules énergétiques et les plastifiants (qui sont normalement sous la forme

liquide mais qui sont utilisés à un pourcentage relative-

ment faible de la formulation totale) sont chargées dans le mélangeur à sec et sont mélangées en vue d'obtenir une dissolution homogène des composants. Des mélangeurs convenables pour la préparation de mélanges secs sont d'un prix notablement plus bas que des mélangeurs à fort cisaillement, ce qui représente une réduction du coût d'investissement qui peut être réalisée par la production

de blocs de propergols conformément au procédé de l'inven-

tion. Les mélangeurs à faible cisaillement n'engendrent pas de chaleur en quantité notable dans la formulation pendant

l'opération de mélange et ne font donc pas fondre l'élas-

tomère thermoplastique, mais donnent au contraire un mélange homogène de particules. Des exemples de mélangeurs convenables comprennent des mélangeurs à bandes spirales, des mélangeurs à tonneau (en V), des mélangeurs continus et des mélangeurs de matières solides avec préchauffage. Le mélange sec peut être utilisé immédiatement pour garnir un moule ou une enveloppe à propergols et il peut être conservé et/ou transporté sans modification notable de son homogénéité. Le mélange sec est chargé dans un moule ou une enveloppe aux températures ambiantes. Pour assurer l'obtention d'un bloc dense de propergols, le mélange sec

est de préférence compacté au fur et à mesure du garnis-

sage. Divers moyens mécaniques tels qu'un bourrage ou des vibrations pneumatiques peuvent être utilisés pour compacter le mélange dans le moule ou 'l'enveloppe. Le mélange sec est chargé jusqu'au niveau désiré du bloc de

propergols dans le moule ou dans l'enveloppe et un peu au-

dessus afin de compenser le retrait qui a lieu au fur et à mesure que de l'air est évacué des interstices pendant le processus de fusion. Lorsqu'on procède au garnissage avec un mélange sec au lieu de verser ou d'extruder une formulation liquéfiée de propergols thermoplastique ou non vulcanisée, il n'apparait pratiquement aucune orientation

préférentielle des particules.

Afin d'assurer que la distribution homogène de l'élastomère thermoplastique, des particules énergétiques et d'autres ingrédients, qui est réalisée dans le processus de mélange à sec, se répercute sur le bloc fondu de propergol, la fusion débute à la base de la garniture de mélange sec et progresse en s'en écartant vers le haut. Si la fusion débutait à la partie supérieure des particules non fondues, un peu d'élastomère thermoplastique fondu aurait tendance a s'écouler dans les interstices des particules non fondues se trouvant en dessous et il en

résulterait un manque d'homogénéité du bloc fondu.

Du fait que la fusion est amorcée à la base et que les vides remplis d'air sont éliminés en continu à mesure que la fusion progresse en montant, il n'existe pas d'interstices dans lesquels de l'élastomère thermoplastique nouvellement fondu puisse s'écouler, et l'élastomère thermoplastique nouvellement fondu reste plutôt avec les

particules énergétiques auxquelles les particules d'élas-

tomère thermoplastique sont étroitement adjacentes dans le mélange sec. Il y a lieu de remarquer que dans quelques cas, par exemple dans la production de blocs très petits, la fusion peut être effectuée dans tout le mélange à la

fois.

Bien qu'on obtienne un mélange sec dense, des mélanges secs présentent par nature des interstices. Ces interstices sont avantageusement éliminés par l'action conjointe de l'exposition du mélange sec à un vide pendant le processus de fusion et de l'application d'une pression

mécanique sur le mélange, par exemple à la partie supé-

rieure, pendant la fusion. Pour chasser l'air du mélange sec, le vide est de préférence maintenu à une pression absolue de moins d'environ 33,9 kPa et notamment de moins d'environ 6,8 kPa. En général, le vide est maintenu à une pression absolue d'environ 1,7 à environ 6,8 kPa, bien que

cette valeur puisse varier considérablement selon l'élas-

tomère thermoplastique utilisé, la distribution des diamètres de particules et la densité exigée du bloc de propergol fondu. Le vide seul est souvent considéré comme étant insuffisant pour atteindre la densité désirée du bloc fondu de propergol et, en conséquence, la pression mécanique est utilisée pour compacter le mélange pendant la fusion. La pression mécanique joue le double rôle de chasser l'air des interstices et de comprimer la matière pour éliminer les interstices à mesure que l'air est évacué. La pression mécanique peut être exercée par exemple

par l'addition de poids ou à l'aide d'un piston pneumati-

que. On utilise en général une pression mécanique de compactage d'au moins environ 35 kPa et de préférence une

pression mécanique d'au moins environ 105 kPa.

Il y a lieu de remarquer que dans quelques cas, un vide poussé seul ou une pression mécanique seule est suffisant pour minimiser les interstices. Dans quelques cas, notamment lorsque la densité du bloc n'est pas considérée comme étant particulièrement importante, un bloc de propergol pourrait être produit sans recourir à un

compactage pendant la fusion.

La chaleur nécessaire pour faire fondre de bas en haut le mélange sec peut être fournie par divers moyens, tels qu'une source de chaleur directe, comme un appareil de chauffage électrique ou un bain d'huile chauffé; un appareil de chauffage à micro-ondes; un appareil de chauffage à ultrasons; un échangeur de chaleur à vapeur; un appareil de chauffage par induction; etc. Pour faire fondre un petit bloc de propergol, on peut placer une source de chaleur à la base de la garniture de mélange sec, après quoi la fusion a lieu à la base du mélange et progresse vers le haut par suite du transfert de chaleur par conduction. Le fait de se baser sur une source de chaleur à la base pour faire fondre des blocs plus grands de propergols peut ne pas être pratique du double point de vue du rendement en fonction du temps et du rendement d'utilisation de l'énergie; on peut alors utiliser une source de chaleur, par exemple une source mobile de chaleur, pour faire fondre la garniture de mélange sec à des niveaux de plus en plus hauts. Si la dimension verticale du bloc en formation est suffisamment grande, on peut admettre que des niveaux inférieurs du mélange fondu refroidissent et se solidifient alors même que des niveaux supérieurs sont en cours de fusion, du moment qu'il n'en

résulte pas d'interface ni de discontinuité de la fusion.

Lorsque la fusion est terminée, on laisse le mélange fondu refroidir et se solidifier. Généralement, aucun appareil spécial de refroidissement n'est néces-

saire; le propergol fondu est plutôt exposé aux tempéra-

tures ambiantes pour permettre une solidification relative-

ment graduelle. Si l'élastomère thermoplastique se dilate ou se contracte à un degré d'une importance quelconque pendant la solidification, des mesures spéciales peuvent être prises pour assurer que le refroidissement soit

uniforme et uniformise ainsi la dilatation ou la contrac-

tion. En général, un certain usinage du bloc coulé de propergol s'impose après la solidification. Il en est ainsi notamment de l'extrémité supérieure du propergol coulé, parce que l'enveloppe ou le moule doit être surchargé afin de permettre le retrait. Il est donc concevable qu'un dosage précis du mélange sec puisse éviter tout excès de matière, mais la prévision d'un léger excès de mélange sec, puis l'usinage du bloc coulé, sont généralement préférés. Un usinage additionnel du bloc coulé de propergol peut être utilisé pour parfaire le façonnage de ce dernier, par exemple pour lui donner une configuration qui est difficile à obtenir par simple coulée ou pour réaliser un moyen de fixation du bloc de propergol

& d'autres parties mécaniques du propulseur de fusée.

Un avantage important du procédé de la présente invention est que le procédé de mélange à sec et de fusion

nécessite moins d'énergie qu'un mélange avec fort cisaille-

ment, et l'énergie requise pour faire fondre un élastomère thermoplastique est inférieure à celle qui est requise pour

vulcaniser ou réticuler un propergol thermodurci chimique-

ment actif. Bien que la température de fusion de la formulation de propergol et d'élastomère thermoplastique puisse être supérieure aux températures classiques de vulcanisation d'élastomères réticulés, le temps que nécessite la fusion est notablement inférieur à celui qui est engénéral exigé pour la vulcanisation; ainsi, la quantité totale d'énergie calorifique utilisée pour former le bloc de propergol et d'élastomère thermoplastique est notablement réduite par rapport à la quantité utilisée pour

couler le bloc de propergol réticulé.

Divers aspects de l'invention sont décrits avec

de plus amples détails au moyen d'exemples particuliers.

ExemDle 1 Le procédé de mélange à sec et de fusion conforme à l'invention est illustré par la figure 1 qui représente un appareil par lequel un bloc de propergol inerte de 12,7 cm de diamètre a été produit. La matière solide utilisée consiste en KCl en particules, pour la sécurité de l'expérience; toutefois, on considère que cette matière inerte présente une excellente analogie avec la coulée utilisant des particules énergétiques, et un essai initial impliquant des matières inertes constitue un procédé admis dans la pratique. La matière thermoplastique utilisée est une matière thermoplastique & base de polybutadiène vendue sous la désignation commerciale RB-820 par la Japanese Synthetic Rubber Company. Le point de fusion de cette matière est d'environ 82'C. Le polymère a été soumis à un broyage cryogénique de manière à atteindre un diamètre pondéré moyen des particules d'environ 131 micromètres. Les particules thermoplastiques plus le plastifiant (POA) et le KC1 ont été mélangés jusqu'à consistance homogène à un rapport en poids de 25:75 dans un mélangeur à enveloppe en V. Le moule 10 comprenait une paroi latérale ll cylindrique de 12,7 cm de diamètre intérieur avec une protubérance cylindrique 12 de 7,62 cm de diamètre destiné à former une perforation centrale s'étendant sur une hauteur de 30,48 cm depuis la base 20. Le mélange sec 13 a été chargé dans le moule 10 et bourré pendant la charge pour former une colonne verticale de mélange sec de 38,1 cm. Le moule 10 chargé de mélange a été placé sur une plaque chauffante 14 dans une chambre 15 communiquant avec un conduit à vide 23. Pour comprimer le mélange 13, un cylindre creux 16 ayant un diamètre extérieur de 12,7 cm a été disposé sur le mélange à la partie supérieure du moule et une masse 17 de 90,7 kg a été placée sur le cylindre creux 16. Des sondes à thermocouples 19 ont été installées en divers points, comprenant la plaque chauffante 14, la base 20 du moule 10 et l'intérieur du cylindre creux 16, et elles ont été reliées à un récepteur 25 de données numériques. Le mélange 13 a été placé sous un vide correspondant à une pression absolue de 11,7 kPa et il a été chauffé pendant une période de 5 heures au cours de laquelle la base 20 du moule a été chauffée jusqu'à une température finale d'environ 177'C et la température dans le cylindre creux 16 s'est élevée à environ 99C. Ensuite, le chauffage a été arrêté et la température de la base 20 et du cylindre 16 a été équilibrée à 43C, ce qui a donné

un bloc de propergol coulé solide.

Des méthodes classiques ont été utilisées pour démouler le propergol coulé après l'accomplissement du

cycle. La durée totale du cycle de 8 heures pour la.

liquéfaction et la solidification du mélange est à comparer avec les durées classiques de solidification des propergols

de 5 à 15 jours.

Exemple 2

Un mélange identique à celui qui a été utilisé pour préparer le bloc inerte de propergol de la figure 1 a été extrudé verticalement en fils. On a pratiqué des prélèvements sur le propergol produit par mélange à sec/fusion et sur le produit extrudé. La figure 2A est une représentation d'après photographie, à un grossissement de X, du bloc de propergol extrudé et la figure 2B est une représentation d'après photographie, à un grossissement de X, du bloc de propergols obtenu par mélange à sec et fusion. Tandis qu'on observe distinctement une orientation de la matière solide (KCl) dans l'échantillon extrudé, l'échantillon obtenu par mélange à sec et fusion est

essentiellement isotrope.

Exemnle 3 On a prélevé des échantillons des parties supérieure, médiane et inférieure du bloc de propergol produit par le procédé de mélange à sec/fusion de l'exemple 1. On a mesuré le pourcentage total de matières solides et la masse volumique en grammes par centimètre

cube. Les résultats sont donnés dans le tableau 1 ci-

dessous.

TABLEAU 1

Matières solides totales (%)

Partie supé- Partie Partie infé-

rieure médiane rieure

74,435 74,628 75,207

74,867 74,016 75,037

74.387 74,789 75,161

Moyenne 74,563 74,481 75,135 Ecart type 0,264 0,411 0,088 Limite de con0,656 1,021 0,219 fiance à 95% Masse volumiaue (a/cm3)*

Partie supé- Partie Partie infé-

rieure médiane rieure

1,513 1,512 1,526

1,514 1,511 1,518

1.516 1.510 1.526

Moyenne 1,514 1,511 1,523 Ecart type 0,0015 0,001 0,005

Limite de con-

fiance à 95% 0,004 0,002 0,012 *Masse volumique théorique = 1,644 g/cm3 On peut voir que les masses volumiques et les pourcentages en matières solides à la partie supérieure, à la partie médiane et à la partie inférieure se sont tous situés dans des limites de 1% de la valeur moyenne, ce qui indique qu'aucune redistribution significative de matière

ne s'est produite dans le cycle de fusion.

Exemple 4 On a étudié les propriétés mécaniques du bloc inerte de propergol produit dans l'exemple 1 et on les a comparées avec celles de formulations similaires préparées par le procédé A et le procédé B de mélange avec fort

cisaillement. Les résultats donnés dans le tableau 2 ci-

dessous sont des résultats préliminaires et les formula-

tions ne se prêtent pas nécessairement à une comparaison directe. Néanmoins, ces résultats montrent que des blocs de propergols préparés par le procédé de mélange à sec/fusion en place ont des propriétés mécaniques qui se situent dans les limites de celles de blocs de propergols produits par mélange avec fort cisaillement. Il y a lieu de remarquer que les blocs de propergols sont inertes; par conséquent, un chauffage localisé dans le cas de l'utilisation du mélange avec fort cisaillement n'a pas représenté le risque qu'il présenterait dans le cas de blocs de propergols actifs. Il y a lieu de remarquer également que des tentatives d'augmentation de la production, par le procédé A ou le procédé B, à des charges de l'ordre de 4,5 litres ont échoué pour des raisons d'ordre rhéostatique. Dans le cas du procédé de mélange & sec/fusion (procédé C) conforme & la présente invention, le volume des charges ne pose pas

de problèmes insurmontables.

Type de Type de plas- Rapport Agent Teneur en matières E cm em er Procédé polymère fiant Pl/po_ liant solides (%) (kPa) (kPa) (%) (%) Procédé A RB810 DOA 2 Néant 75 266 63 77 85 Mélangeur de RB810 DOA 2 " 80 497 63 55 50

0,568 1

RB310 DOA 2 KR* 85 63 28 29

RB820 DOA 2 KR* 85 1162.105 16 25

RB820 DOA 1 T/B** 85. 19,6 301 3 94

RB820 DOA 1 Néant 85 -- 308 4 50 Procédé B RB810 DOA 1 Néant 85 19,96 371 93 96 Mélangeur de RB820 DOA 1 Néant 85 21,01 252 13 29

0,142 1

Plage (Procédés A et B) 266 à 63 à 3 à 25

21007 371 77 85 O

Procédé C RB820. DOA 1 Néant 75 5880 224 66 70 *RR P380 Kenrich **AX878/880 ou Tepanol/BHEGA Pl/Po - rapport du plastifiant au polymère E module a = effort maximal m' cm= déformation maximale r déformation à la rupture o No

Exemple 5

Le procédé de mélange à sec/fusion en place a été illustré en utilisant des matières sensibles. Trois lots de formulation numéro DL/H395 ont été mélangés dans un mélangeur & enveloppe en V. Le premier lot avait un poids net de 4,54 kg; les deux lots suivants pesaient chacun 3,63 kg. La matière sensible mélangée à sec a été utilisée dans les systèmes d'essais suivants: 9 charges perforées au centre à échelle réduite (environ 200 grammes) 3 charges à sensibilité de détonation de 5,08 cm et

3 charges à sensibilité de déflagration à détona-

tion de 7,62 cm.

Les charges perforées au centre sont conçues par la firme Morton Thiokol, Inc. en tant que propulseurs TU-172. Elles ont les dimensions suivantes: Diamètre extérieur de l'enveloppe 50,673 mm+/- 0,127 mm Diamètre intérieur de l'enveloppe 47,676 mm+/- 0,127 mm Longueur du bloc 85,852 mm +/- 0,508 mm Diamètre intérieur de la partie 22,225 mm+/- 0,025 mm centrale Excédent de coulée 50,8 mm +/- 12,7 mm

Poids de propergol 178 +/- 2 grammes.

La formulation de DL-H395 est la suivante: RB820 Polymère élastomérique thermoplastique DOA Plastifiant (adipate de dioctyle) Aluminium Combustible (diamètre moyen des particules sphériques 30 micromètres) AP (200 micromètres) Comburant (perchlorate d'ammonium) AP (20 micromètres) Comburant (perchlorate d'ammonium) L'appareil utilisé pour la fusion des blocs correspondait pratiquement à celui qui est représenté sur la figure 1; toutefois, une couverture isolante avait été placée autour du moule, réduisant de moitié environ le temps de fusion. Un vide correspondant à une pression absolue de 666,6 à 1333,2 Pa avait été utilisé pendant la fusion, accompagné d'une force de compactage de 16,58 kg, équivalant à 118,16 kN/m2 de surface de propergol. On a utilisé la chaleur fournie par de la vapeur. De la vapeur sous pression de 567 kPa a donné une température de la base du propulseur de 148,9'C +/- 2,7'C. Une durée de traitement de 3 heures a donné une température finale de la surface du propergol de 64,4'C. La phase en fusion n'a pas progressé à travers toute la couverture; toutefois, la portion propulseur de la coulée a totalement fondu dans les conditions ci-dessus. La force de compactage a été maintenue jusqu'à ce que le propulseur ait refroidi à la

température ambiante.

Les neuf charges perforées au centre on été soumises à un tir d'essai; les résultats obtenus pour deux d'entre elles sont indiqués ci-dessous:

Diamètre de la tuyère, Temps de combus- Pression moyen-

en mm tion (si ne (kPa)

0,188 3,260 566

0,180 3,800 540

Vitesse de combustion (mm/sI *Kn

0,153 509

0,131 555

*Kn - Rapport de la surface initiale à l'aire d'étranglement, c'est-àdire la superficie initiale de combustion du propergol divisée par

l'aire initiale d'étranglement de la tuyère.

Les sept autres propulseurs ont donné des

résultats hétérogènes.

Toutes les charges à susceptibilité de détonation ont détoné, indiquant que l'on pouvait faire détoner le mélange sec meuble. Deux des trois charges passant de la déflagration à la détonation ont pu détoner, ce qui indique que le propergol meuble peut évoluer d'une

déflagration à une détonation.

Plusieurs avantages du procédé de la présente invention relativement à d'autres procédés de production de blocs de propergol peuvent à présent être totalement

appréciés. Comme indiqué ci-dessus, l'utilisation d'élas-

tomères thermoplastiques de préférence à des élastomères réticulés supprime les problèmes liés & la durée limite d'utilisation et au temps de vulcanisation. Non seulement des blocs de propergols thermoplastiques peuvent être

recyclés par opposition à des blocs de propergols réticu-

lés, mais des défauts de blocs de propergols thermoplasti-

ques peuvent être corrigés par la fusion de portions localisées du bloc. Dans la coulée sous vide de grands propulseurs solides réticulés pour fusées, une grande vitesse de montée du niveau de propergols est exigée de manière que les bulles entraînées disparaissent sous l'effet de la pression hydrostatique croissante avant que l'élastomère réticulé n'ait atteint le staae de gel; dans le procédé de la présente invention, la vitesse de montée n'est pas à considérer. La coulée d'un bloc de propergol réticulé ne peut pas être interrompue pendant de longues périodes, ou bien des interfaces discontinues se forment dans le bloc de propergol. Avec des formulations de propergols contenant des élastomères thermoplastiques, le procédé peut être interrompu à n'importe quel stade; même des interfaces qui sont produites par l'interruption de la fusion peuvent être corrigées par une nouvelle fusion du

bloc au niveau de cette interface quelle qu'elle soit.

Le procédé de mélange à sec et de fusion en place peut être utilisé pour former des propulseurs de fusée qui sont trop grands pour être coulés par des techniques classiques. Les études ont montré que des relais pour véhicules lourds à sustentation sont trop gros pour être coulés par des procédés classiques. De nombreux problèmes logistiques sont résolus par le procédé de mélange à sec et de fusion en place qui permet de préparer le mélange sec à distance et de le transporter a l'état de mélange sec sur le site de fabrication du propulseur de

grandes dimensions.

Le procédé de la présente invention est avantageux relativement à d'autres procédés de production de blocs de propergols thermoplastiques. La nécessité de mélangeurs à fort cisaillement ou d'extrudeuses est éliminée, ce qui rend le procédé plus sûr par nature et minimise les capitaux investis. En outre, on estime que les frais de main-d'oeuvre sont égaux à la moitié environ de

ceux de procédés qui utilisent un appareil à fort cisaille-

ment, du fait que les temps de préparation et de nettoyage sont réduits. Du fait qu'il n'y a pas de direction

d'écoulement, l'orientation des particules est isotrope.

Bien que l'invention ait été décrite en rapport avec certaines formes de réalisation préférées, des modifications évidentes pour l'homme de l'art peuvent être apportées sans s'écarter du cadre de l'invention. Par exemple, il peut être avantageux, dans certains cas, de produire des blocs de propergols et de réaliser un propulseur de fusées en réunissant des blocs coulés dans un moule ou dans une enveloppe puis en procédant à une nouvelle fusion en place de la structure formée de blocs coulés. Cette technique peut être préférée dans les cas o la matière doit être transportée sur de grandes distances, parce que des blocs coulés dont les surfaces spécifiques sont relativement faibles sont moins susceptibles de

détonation que ne le sont des mélanges secs de particules.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de production d'un bloc de proper-

gol, caractérisé en ce qu'il consiste & prendre des particules énergétiques, des particules d'un élastomère thermoplastique et des composants additionnels d'une formulation pour bloc de propergol, & mélanger lesdites particules et lesdits composants additionnels audessous de la température de fusion de ladite résine thermoplastique pour former un mélange sec dans lequel lesdits composants sont distribués de façon homogène, à tasser ledit mélange sec dans une enveloppe ou un moule, à faire fondre ledit mélange sec en place dans l'enveloppe ou le moule par chauffage de ce mélange au-dessus de la température de

fusion de l'élastomère thermoplastique mais à une tempéra-

ture suffisamment basse pour garantir la stabilité de composants énergétiques dudit mélange, et à refroidir le

mélange fondu de manière qu'il se solidifie.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange sec est tassé par

compactage mécanique.

3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites particules hautement énergétiques et les particules d'élastomère thermoplastique sont choisies conjointement avec une distribution de diamètres permettant d'atteindre un tassement du mélange

sec d'au moins environ 90% de la densité théorique.

4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange sec tassé est chauffé de bas en haut afin de le faire fondre en s'élevant depuis la base, afin de maintenir la distribution homogène pendant

toute la durée de la fusion et de la solidification.

5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange tassé est exposé au vide pendant la fusion pour chasser les gaz des interstices

dudit mélange.

6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le vide est à une pression absolue

égale ou inférieure & environ 33,86 kPa.

7. Procédé suivant l'une des revendications 1

et 5, caractérisé en ce que la force mécanique de compac-

tage est appliquée au mélange chargé pendant la fusion.

8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la force de'compactage est d'au moins

environ 35 kPa.

9. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'il consiste à usiner ledit bloc de propergol solidifié pour éliminer la matière

fondue en excès.

10. Produit obtenu par le procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les particules

solides ont une distribution isotrope.