FR2857357A1 - Procede et installation de destruction de moteurs a propergol solide - Google Patents
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Abstract
L'invention se situe dans le domaine de la destruction de moteurs à propergol solide réformés.Elle concerne un procédé et une installation de destruction de moteurs comprenant notamment les étapes et postes suivants : découpe (1) du moteur en tronçons ; refroidissement (2) des tronçons contenant du propergol par immersion dans un liquide cryogénique ; fragmentation (3) et extraction du propergol refroidi par déformation élastique de l'enveloppe du tronçon. Les fragments de propergol sont récupérés pour un traitement ultérieur et les enveloppes sont désactivées avant mise au rebut.Le problème qui est résolu est celui de la destruction de façon sûre d'un grand nombre de moteurs par un procédé et dans une installation adaptée à une très grande cadence de traitement.
Description
2857357 1
La présente invention se situe dans le domaine des moteurs à propergol solide. Elle concerne plus particulièrement la destruction de moteurs réformés notamment des moteurs ayant atteint la limite d'utilisation opérationnelle et qui sont retirés du service.
Un moteur à propergol solide comprend essentiellement une enveloppe cylindrique creuse à l'intérieur de laquelle est placé au moins un bloc de propergol solide, pour simplifier nous dirons par la suite un bloc de propergol. Une extrémité de l'enveloppe est fermée par un dôme et l'extrémité opposée par une tuyère; le dôme et la tuyère seront considérés comme faisant partie de l'enveloppe.
Les moteurs ici considérés sont des moteurs pour lesquels le bloc de propergol solide a été solidarisé avec l'enveloppe et ne peut être retiré simplement de l'enveloppe. Il s'agit essentiellement de moteur dit "moulécollé" pour lesquels le bloc de propergol est moulé et collé pendant la fabrication du moteur dans l'enveloppe convenablement préparée à cet effet. Nous assimilerons à ce type de moteur ceux pour lesquels le bloc de propergol, préparé par ailleurs, est introduit et calé de façon irréversible dans l'enveloppe, ce calage étant voulu ou accidentel. Nous conserverons l'expression moteur moulé collé pour désigner les moteurs traités dans cette invention.
La destruction d'un moteur consiste dans un premier temps à le mettre dans un état tel qu'il ne puisse assurer sa fonction de propulsion et ensuite dans un deuxième temps à séparer l'enveloppe et le propergol pour les traiter séparément, compte tenu que seul le propergol présente un risque pyrotechnique qui nécessite des précautions et des conditions particulières dans son traitement en vue d'une mise au rebut ou du recyclage de certains éléments.
2857357 2 Le problème de destruction plus particulièrement abordé ici est celui de la destruction d'un très grand nombre de moteurs, typiquement plusieurs milliers; il faut pouvoir traiter plusieurs dizaines de moteurs par jour.
Le procédé et l'installation de destruction doivent être aptes à un fonctionnement à très grande cadence: il est donc demandé un procédé avec des étapes simples et rapides et une installation rustique.
De plus le procédé et l'installation doivent être sûrs. Un incident sur un moteur ou une partie de moteur au cours d'une étape du procédé doit rester limité ou pouvoir être limité à cette partie de moteur et à l'endroit de l'installation où il a lieu. L'incident ne doit pas se propager à toute l'installation et devenir catastrophique compte tenu du grand nombre de moteurs forcément présents sur le site de destruction.
L'état de la technique décrit plusieurs procédés de destruction de moteur mais dans des conditions, nous le verrons au cours de l'analyse de ces procédés, qui ne correspondent pas au problème posé.
Le brevet US 5 220 107 décrit la fragmentation d'un bloc de propergol nu, c'est-à-dire non collé à l'intérieur de l'enveloppe d'un moteur, par refroidissement à très basse température du bloc de propergol et utilisation d'un broyeur ou d'une presse pour le fragmenter.
Le brevet US 5 025 632 décrit l'extraction du propergol d'un moteur moulécollé avec un canal central à l'aide d'au moins un jet de liquide cryogénique. Ce procédé de destruction dérivé du "couteau à eau", est très long et ne répond pas au besoin d'une grande cadence de travail. De plus, il est potentiellement dangereux car on travaille sur un moteur entier.
Le brevet US 5 552 093 décrit l'extraction du propergol d'un moteur moulécollé qui a été refroidi par immersion dans de l'azote liquide le bloc est fragmenté par des chocs appliqués notamment sur le bloc de propergol. L'application de chocs sur du propergol même refroidi reste potentiellement dangereuse et ce danger est accru par le fait qu'on opère, là encore, sur un moteur entier. De plus pour des moteurs relativement longs il n'est pas exclu que des fragments se coincent dans l'enveloppe et nécessitent des manipulations complémentaires pour les extraire de l'enveloppe.
La présente invention vise à résoudre les difficultés qui ne sont pas prises en compte par ces divers procédés lorsqu'on est amené à concevoir un procédé de destruction à très grande cadence et ceci sans multiplier de façon déraisonnable les installations fonctionnant en parallèle pour détruire un grand nombre de moteurs.
Le procédé de destruction de moteur à propergol 25 solide, selon l'invention, comporte les étapes suivantes: - le moteur est découpé en tronçons perpendiculairement à l'axe du moteur, - les tronçons ne contenant pas de propergol sont 30 retirés de la suite de la séquence, les tronçons contenant du propergol sont refroidis à une température très inférieure au domaine de température de transition vitreuse du liant du propergol, 2857357 4 - le propergol est séparé de l'enveloppe de chaque tronçon, le tronçon est ainsi vidé du propergol qu'il contenait, - les tronçons d'enveloppe vides sont récupérés pour une étape complémentaire de désactivation des éventuels résidus de propergol, - le propergol fragmenté est récupéré pour un traitement ultérieur.
Le présent procédé concerne donc des moteurs à propergol solide pour lesquels le bloc de propergol est solidaire de l'enveloppe; les moteurs qui entrent dans ce procédé ne comportent pas de dispositif d'allumage: il est démonté et retiré du moteur dans une opération préparatoire avant livraison des moteurs sur le site de destruction. L'enveloppe du moteur est soit entièrement métallique, soit en matériau composite. Le bloc de propergol comporte un canal central qui s'étend sur toute sa longueur ou sur une partie seulement: dans ce dernier cas la portion du côté opposé à la tuyère n'a pas de canal. Le bloc de propergol peut être éventuellement plein sur toute sa longueur, c'est-à-dire n'a pas de canal central.
Les tronçons découpés dans le moteur sont de deux 25 types: - des tronçons sans propergol: en général il y a un seul tronçon de ce type par moteur, ce tronçon porte tout ou partie de la tuyère, il ne contient pas de matériau pyrotechnique, ce type de tronçon est retiré de la présente séquence, - des tronçons avec du propergol: la portion découpée du bloc est restée collée à la portion découpée de l'enveloppe, ce type de tronçon va suivre les autres étapes du procédé. Au moins une des extrémités du tronçon est grande ouverte c'est-à-dire que le 2857357 5 diamètre de l'ouverture est sensiblement égal au calibre du moteur.
Avantageusement les tronçons contenant du propergol ont un rapport longueur "1" du tronçon sur diamètre extérieur "d" du tronçon inférieur ou égal à 2,5, (1/d <_ 2,5).
Toutes les méthodes connues pour découper des moteurs en tronçons sont utilisables. Toutefois, compte tenu du besoin d'une grande cadence et aussi des impératifs de sécurité on aura avantage à recourir à des méthodes utilisant au moins un jet de liquide à haute pression avec éventuellement ajout de produits abrasifs adaptés.
Préférentiellement pour augmenter le rendement de l'opération le procédé utilise plusieurs jets disposés en parallèle et prépositionnés par rapport au moteur pour découper les différents tronçons en une seule opération.
Préférentiellement encore, pour accroître la sécurité, pour être découpé le moteur est immergé dans le même liquide que celui utilisé pour les jets; le plus couramment le liquide utilisé est de l'eau.
Le liquide et les copeaux d'enveloppe et de propergol résultant des opérations de découpe sont régulièrement retirés en vue de traitements adaptés.
Les tronçons contenant du propergol sont, à l'aide de moyens de manipulations appropriés, transportés et immergés dans un bain d'un liquide cryogénique neutre vis-à-vis des composants de tronçon; généralement le liquide cryogénique utilisé est de l'azote liquide.
L'immersion des tronçons dure assez longtemps pour que le refroidissement de l'enveloppe et du propergol 2857357 6 soit assez important et que les contractions différentielles de l'enveloppe et du propergol créent des tensions fissurant et craquelant le propergol et aussi le décollant de l'enveloppe.
Typiquement la température finale visée pour le tronçon de moteur est inférieure d'au moins 20 C au domaine de température de transition vitreuse du liant du propergol. Avantageusement on vise une température comprise entre environ -100 C et environ -80 C pour le propergol et l'enveloppe.
Alors les tronçons suffisamment refroidis sont dirigés vers un poste pour extraire le propergol, fragilisé par le froid. Le propergol est extrait en imposant de légères déformations à l'enveloppe: ces déformations restent dans le domaine élastique de déformation de l'enveloppe à cette température. Le propergol se brise en fragments assez gros, typiquement de la taille d'un poing fermé.
Le tronçon a été disposé axe vertical et les fragments de propergol tombent par gravité et sont récupérés soit sur une bande de convoyeur soit dans un réceptacle contenant de l'eau pour rendre inerte les fragments de propergol. Le tronçon de moteur ayant une longueur relativement faible par rapport à son diamètre, 1/d <- 2,5, les fragments de propergol ne se coincent pas dans l'enveloppe.
Selon une première variante, le tronçon de moteur refroidi, axe vertical et ouverture de plus grand diamètre dirigée vers le bas, est disposé entre une butée et une tête de vérin. L'axe du vérin est horizontal et perpendiculaire à l'axe du tronçon de moteur. Le déplacement de la tête du vérin est calculé 2857357 7 de façon que la déformation de l'enveloppe reste dans le domaine de déformation élastique de l'enveloppe.
Selon une autre variante, le tronçon de moteur refroidi est entraîné entre deux rouleaux faisant laminoir, ces rouleaux sont convenablement espacés pour imposer, là encore, une déformation qui reste dans le domaine de déformation élastique de l'enveloppe. Les rouleaux entraînent et déforment légèrement le tronçon de moteur depuis le bas dudit tronçon jusqu'à sa partie haute ce qui facilite l'extraction des fragments de propergol par gravité.
Le tronçon d'enveloppe vide comporte éventuellement quelques traces résiduelles de faible épaisseur de propergol restées collées en certains points de l'intérieur de l'enveloppe. Le tronçon vide est récupéré pour une étape ultérieure de désactivation de tels résidus.
Avantageusement cette désactivation se fait dans une enceinte fermée qui comporte des brûleurs dont les flammes brûlent les traces de propergol. Les fumées sont rabattues et lavées à l'eau: donc aucun effluent gazeux n'est rejeté dans l'atmosphère. Les eaux de lavage sont recueillies pour être traitées et décontaminées selon des procédés connus.
Préférentiellement, lorsque la charge oxydante du propergol est soluble dans un liquide, la désactivation des éventuels résidus de propergol adhérant à l'intérieur de l'enveloppe se fait en trempant le tronçon d'enveloppe vide dans ledit liquide. Lorsque la charge oxydante est dissoute dans le liquide, il ne reste plus sur la paroi intérieure de l'enveloppe que des lambeaux de matrice constituée de liant et de charge combustible sans danger pyrotechnique. La cinétique de diffusion de la charge oxydante et de sa dissolution dans le liquide est avantageusement accélérée en 2857357 8 chauffant le liquide. Le liquide contenant la charge oxydante en solution est récupéré pour un traitement ultérieur par des procédés connus. Fréquemment la charge oxydante est du perchlorate d'ammonium et le liquide utilisé pour le dissoudre est de l'eau.
Ayant beaucoup de moteurs à détruire, il peut paraître paradoxal de multiplier les objets à traiter en découpant le moteur en tronçons.
D'un point de vue sécurité on retire de la séquence des opérations les tronçons sans propergol qui ne présentent pas de risque pyrotechnique. Un tronçon contenant du propergol est relativement court et ne sera pas propulsif en cas de prise en feu accidentelle: il n'aura pas de déplacements désordonnés et intempestifs pouvant propager l'incident à tout un poste. Toutefois il faut prendre des précautions vis-à-vis des effets thermiques.
D'un point de vue efficacité ce découpage en tronçons participe à celle des étapes suivantes du 20 procédé : - les tronçons sont refroidis plus rapidement qu'un moteur entier: masse plus faible, surface d'échange thermique avec le liquide cryogénique plus importante, - les tronçons étant court les fragments tombent par 25 gravité et ne présentent pas de risque de coincement existant sur un moteur complet, - la désactivation des résidus de propergol faite sur des tronçons d'enveloppe vides est plus facile que celle faite sur l'enveloppe complète d'un moteur et cela quel que soit le procédé adopté.
Les fragments de propergols obtenus après la déformation élastique de l'enveloppe sont en général assez gros: quelques centimètres, environ la taille d'un poing fermé. Pour passer à l'étape ultérieure du 2857357 9 traitement du propergol, il est nécessaire de procéder à un broyage plus fin desdits fragments de façon à obtenir des grains de propergol, grains dont les dimensions sont de l'ordre au plus du centimètre et préférentiellement de quelques millimètres.
Ce broyage peut se faire de différentes façons mais préférentiellement on utilise des broyeurs à couteaux et avantageusement le broyage se fait sous pulvérisation d'eau.
L'étape suivante de traitement du propergol, ainsi mis en grains, est la dissolution de la charge oxydante dans un liquide approprié, par exemple de l'eau lorsque la charge oxydante est du perchlorate.
Préférentiellement pour accélérer la cinétique de 15 dissolution elle se fait dans un réacteur parfaitement agité et thermorégulé.
Le liquide qui contient la charge oxydante en solution est séparé du résidu solide; ce dernier comporte le liant et l'éventuelle charge combustible, il ne présente pas de risque pyrotechnique. Le résidu solide est soit directement mis en décharge dans un centre d'enfouissement technique, soit revalorisé pour en extraire la charge combustible métallique après des traitements connus et classiques pour des déchets industriels.
Le liquide est soit traité par des procédés de biodégradation tels que celui décrit dans le brevet FR 2 788 055 ou de son correspondant US 6 328 891 pour dégrader la charge oxydante, soit traité pour revaloriser ladite charge oxydante et la recristalliser par des procédés connus.
Ci-dessous l'invention est exposée plus en détail à l'aide de figures représentant une installation pour 35 la réalisation du procédé.
2857357 10 La figure 1 représente de façon schématique une installation pour la mise en oeuvre du procédé.
La figure 2 est un plan de principe d'une installation de fragmentation du propergol après 5 refroidissement du tronçon.
La figure 1 représente schématiquement la succession des différents postes pour la mise en oeuvre du procédé. La figure la) en plan, la figure lb) de profil.
Les moteurs sont amenés à un atelier de stockage, identifiés pour la traçabilité de l'opération et sont placés un à un sur un convoyeur et sont introduits, un à un, par un premier sas dans l'installation.
Au poste de découpe 1 le moteur est immergé dans un bac contenant de l'eau et positionné sur un banc tournant par rapport à une rampe de plusieurs jets à haute pression convenablement disposée: le moteur est découpé en tronçons. Les rampes à haute pression sont réalisées avec du matériel standard par exemple DIGITAL CONTROL, alimentant des jets à haute pression, environ 300 Mpa à l'aide de deux pompes. En général, il y a un tronçon qui ne contient pas de propergol mais une grande partie de la tuyère, ce tronçon ne contenant pas de produit pyrotechnique est retiré de la séquence.
Les autres tronçons 10 du moteur sont accrochés à un autre convoyeur et transitent, par un sas, vers le poste de refroidissement 2 par immersion dans le liquide cryogénique: ce poste comprend essentiellement un bain de grande longueur dans lequel sont immergés plusieurs tronçons convenablement espacés; les tronçons se déplacent au fur et à mesure du déroulement du procédé et donc séjournent longuement dans le liquide ce qui favorise leur refroidissement jusqu'à des températures d'environ 100 C.
2857357 11 Par un autre sas les tronçons sont dirigés, un à un, vers le poste de fragmentation 3 du propergol collé dans le tronçon d'enveloppe. Un exemple d'installation est décrit plus en détail par la figure 2.
A ce poste le tronçon convenablement orienté est déformé par compression de l'enveloppe: le propergol, fragilisé, craquelé et fissuré par le refroidissement se fragmente. Les fragments sont récupérés pour un traitement ultérieur.
Les tronçons d'enveloppe vide de propergol sont dirigés vers un poste de désactivation 6 des résidus. La désactivation des tronçons est, dans cet exemple, faite par immersion desdits tronçons dans une cuve contenant de l'eau.
Les fragments de propergol sont dirigés vers un poste de broyage fin 4 utilisant des broyeurs à couteaux avec pulvérisation d'eau. Des appareils standard performant, avec quelques adaptations de sécurité, peuvent traiter jusqu'à 1000kg/heure de propergol.
Les grains obtenus après broyage fin sont introduit au poste de dissolution 5 dans un réacteur de grand volume, ledit réacteur est parfaitement agité et thermorégulé pour augmenter la cinétique de dissolution de la charge oxydante dans l'eau.
Sur ce schéma ne sont pas représentés en détail tous les différents moyens de manipulations, ni les dispositifs d'ouverture et de fermeture des sas de l'installation, ni les servitudes de chaque poste de travail.
La figure 2 représente schématiquement des vues a) de profil et b) en plan d'un appareil d'extraction 11 du propergol d'un tronçon 10 de moteur refroidi.
L'appareil comprend essentiellement un bâti rectangulaire 13, ancré sur quatre pieds avec une butée 14 sur un des côtés du bâti et un vérin hydropneumatique 2857357 12 fixé sur le côté opposé ; le vérin est disposé horizontalement.
Le tronçon de moteur 10 à traiter est accroché, axe vertical à un moyen de manutention schématisé par le repère 12. Ledit moyen de manutention amène le tronçon de moteur 10 entre la butée 14 et la tige de vérin 16.
La tige de vérin 16 est en appui sur l'enveloppe du tronçon de moteur à peu près à un tiers de sa hauteur depuis le bas du tronçon. Le déplacement de la tige de vérin 16 est déterminé pour imposer une déformation à l'enveloppe qui reste dans le domaine élastique des déformations de celle-ci et fragmenter le propergol froid et le séparer de l'enveloppe.
Un réceptacle 17, contenant de l'eau pour rendre inertes les fragments de propergol qui tombent par simple effet de la gravité est placé sous le tronçon de moteur; le dit réceptacle 17 est uniquement représenté sur la figure 2a).
Cet appareil est placé dans un local approprié 20 avec des sas d'entrée et de sorties et toutes les servitudes nécessaires à un fonctionnement télécommandé. 30
Claims (2)
1 Procédé de destruction de moteur à propergol solide, ledit moteur moulécollé étant essentiellement constitué par un bloc de propergol et une enveloppe, ledit procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - le moteur est découpé en tronçons perpendiculairement à l'axe du moteur, - les tronçons ne contenant pas de propergol sont retirés de la suite de la séquence, - les tronçons contenant du propergol sont refroidis à une température très inférieure au domaine de température de transition vitreuse du liant du propergol, - le propergol est fragmenté et séparé de l'enveloppe de chaque tronçon, le tronçon est ainsi vidé du propergol qu'il contenait, - les tronçons d'enveloppe vides sont récupérés pour une étape complémentaire de désactivation des résidus, - le propergol fragmenté est récupéré pour un traitement ultérieur.
2. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tronçons contenant du propergol ont un rapport longueur sur diamètre extérieur inférieur ou égal à 2,5.
3. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le découpage du moteur se fait par au moins un jet de liquide à haute pression.
2857357 14 4. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 3 caractérisé en ce que pour le découpage le moteur est immergé dans un bac contenant le même liquide que celui utilisé pour alimenter une rampe de plusieurs jets prépositionnés par rapport au moteur.
5. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les tronçons contenant du propergol sont refroidis par immersion dans un liquide cryogénique.
6. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 5 caractérisé en ce que le 15 liquide de cryogénique est de l'azote liquide.
7. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 5 caractérisé en ce que le tronçon est refroidi à une température comprise entre environ -100 C et environ -80 C.
8. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'enveloppe de chaque tronçon refroidi est soumise à des efforts de déformation élastique pour fragmenter le propergol dont les fragments sont recueillis dans un réceptacle.
9. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 5 caractérisé en ce que chaque tronçon vide est désactivé par brûlage des traces de résidus de propergol avec récupération et lavage des fumées.
10. Procédé de destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 5 caractérisé en ce que chaque tronçon vide est désactivé par trempage du tronçon dans un liquide dissolvant la charge oxydante.
11. Installation pour la destruction de moteur à propergol solide, ledit moteur étant essentiellement constitué par un bloc de propergol collé dans une enveloppe, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un poste de préparation des moteurs communiquant par un sas de découplage avec, - un poste de découpage (1) en tronçons dudit moteur, - un poste de refroidissement (2) des tronçons contenant du propergol, - au moins un poste de fragmentation (3) du propergol avec récupération des fragments de propergol et des tronçons d'enveloppe vides, - un poste (6) de désactivation des résidus de propergol des tronçons d'enveloppe vides.
12. Installation pour la destruction de moteur à propergol solide selon la revendication 11 caractérisée en ce qu'elle comprend: - un poste (4) de broyage fin des fragments de 25 propergol, - un poste (5) de dissolution de la charge oxydante du propergol broyé finement.
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