FR2876746A1 - Propulseur a fusee a propergol solide et procede de realisation de ce propulseur - Google Patents

Abstract

Un propulseur (1) à fusée à propergol solide présente une enveloppe (3) munie de deux calottes (10, 11) d'extrémité, auxquelles font face des parois mobiles respectives (14, 15) mises en contact avec le propergol ; les calottes (10, 11) et les parois mobiles (14, 15) définissent entre elles des espaces vides respectifs (16, 17) à volume variable abritant une barrière d'amortissement (23) qui limite les oscillations de pression dans les espaces vides (16, 17) pour amortir les vibrations consécutives à l'allumage du propergol.

Description

La présente invention concerne un propulseur à fusée à propergol solide

muni d'une barrière d'amortissement.

Comme on le sait, les propulseurs à fusée comprennent une enveloppe de forme sensiblement cylindrique remplie de propergol solide, un dispositif d'allumage du propergol, et une tuyère terminale, à travers laquelle le propergol, en brûlant, génère une poussée propulsive. L'enveloppe est réalisée en acier ou bien en matériau composite et est revêtue intérieurement d'une couche de matériau ablatif, lequel est défini essentiellement par un caoutchouc avec des additifs et protège thermiquement l'enveloppe pendant la combustion du propergol.

Dans le cas d'espèce, l'enveloppe comprend un tronçon intermédiaire cylindrique et deux calottes d'extrémité, à l'une desquelles est reliée la tuyère, tandis que le dispositif d'allumage est relié à l'autre. Le propergol est inséré dans l'enveloppe à l'état fluide et acquiert une consistance solide uniquement après un processus de cuisson, pendant lequel il tend à se rétrécir. Pour éviter un détachement du propergol de l'enveloppe pendant la cuisson, chaque calotte porte une paroi interne façonnée flottante, communément dénommée floater en langue anglaise, en mesure de suivre le rétrécissement du propulseur en s'éloignant de la calotte et en délimitant par conséquent, avec la calotte correspondante, un espace vide à volume variable, dans lequel les gaz produits par la combustion du propergol sont libres ensuite de passer.

Dans les phases transitoires de fonctionnement du propulseur, ou bien avant d'atteindre une condition de régime dans laquelle le propergol brûle de façon uniforme en générant la poussée souhaitée à travers la tuyère, la pression des gaz produits par la combustion augmente progressivement avec de fortes oscillations, tant dans l'enveloppe que dans l'espace entre le floater et la calotte. Dans cet espace vide, la pression agit axialement sur des zones relativement étendues, c'est pourquoi ses oscillations provoquent des vibrations à un niveau élevé, souvent en mesure de compromettre l'intégrité du propulseur et des différents composants, dont les composants électroniques, situés à bord du lanceur poussé par ledit propulseur.

L'objectif de la présente invention consiste à réaliser un propulseur à fusée à propergol solide, permettant de résoudre de manière simple et économique les problèmes exposés ci-dessus.

Selon la présente invention, on réalise un propulseur à fusée à propergol solide; le propulseur comprenant: une enveloppe comprenant une calotte d'extrémité une paroi mobile ayant une face solidairement reliée audit propergol solide et une face orientée vers ladite calotte et un espace vide à volume variable délimité par ladite calotte et par ladite paroi mobile; et étant caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, des dispositifs d'amortissement placés dans ledit espace afin d'amortir les vibrations consécutives à l'allumage dudit propergol solide.

De préférence, lesdits dispositifs d'amortissement sont formés de façon à amortir les oscillations de pression des gaz contenus dans ledit espace, et comprennent au moins une cloison en matériau poreux.

La présente invention concerne en outre un procédé pour réaliser un propulseur à fusée à propergol solide.

Selon la présente invention, un procédé est fourni pour réaliser un propulseur à fusée à propergol solide, du type précédent; le procédé comprenant les phases consistant à : - former une enveloppe comprenant une calotte d'extrémité ; disposer une paroi mobile en position face à ladite calotte; introduire un propergol dans ladite enveloppe au contact de ladite paroi mobile; et durcir ledit propergol, en formant un espace vide à volume variable entre ladite paroi mobile et ladite calotte; et étant caractérisé par le fait qu'il comprend la phase ultérieure consistant à intercaler des dispositifs d'amortissement entre ladite calotte et ladite paroi mobile, afin d'amortir les vibrations consécutives à l'allumage dudit propergol solide.

De préférence, la phase consistant à intercaler lesdits dispositifs d'amortissement est effectuée avant l'introduction dudit propergol, en reliant solidairement un élément d'amortissement à ladite calotte et à ladite paroi mobile, et le procédé comprend la phase consistant à intercaler une première couche de matériau détachant entre ledit élément d'amortissement et ladite calotte, et une seconde couche de matériau détachant entre ledit élément d'amortissement et ladite paroi mobile, en ménageant à travers lesdites première et seconde couches des ouvertures passantes respectives de liaison dudit élément d'amortissement.

L'invention sera maintenant décrite en se référant aux dessins joints, qui en illustrent un exemple de mise en oeuvre non limitatif, dans lesquels: la figure 1 illustre, en coupe radiale et avec des parties enlevées pour plus de clarté, une forme préférée de mise en oeuvre d'un propulseur à fusée à propergol solide selon la présente invention; - la figure 2 illustre, sur une échelle agrandie, une extrémité du propulseur de la figure 1; - la figure 3 est une figure en perspective qui montre un détail de l'extrémité de la figure 1; - la figure 4 est analogue à la figure 2 et montre la même extrémité du propulseur avec des parties enlevées pour plus de clarté, avant une phase d'introduction du propergol; et - la figure 5 est analogue à la figure 4 et montre l'extrémité opposée de l'enveloppe avant une phase d'introduction du propergol.

Dans les figures jointes, on indique par 1, dans son ensemble, un propulseur à fusée s'étendant le long d'un axe 2 et comprenant une enveloppe 3 de forme sensiblement cylindrique.

Le propulseur 1 est illustré uniquement à moitié dans la mesure où il est sensiblement symétrique par rapport à l'axe 2. En outre, pour plus de clarté de visualisation, en particulier sur la figure 2, les dimensions représentées ne sont pas rigoureusement à l'échelle, par rapport aux dimensions réelles.

En se référant à la figure 1, l'enveloppe 3 abrite un bloc de poudre 4 à l'état solide délimitant une cavité 5 axiale, elle est définie par une coque revêtue intérieurement d'une couche 6 de matériau ablatif, à savoir de protection thermique (figure 2) et comprend un tronçon 7 intermédiaire cylindrique et deux extrémités 8, 9 opposées, comprenant, à leur tour, des calottes respectives 10, 11.

Les calottes 10,11 sont accouplées à un dispositif d'allumage du propergol (non illustré) et, respectivement, à une tuyère terminale (non illustrée), à travers laquelle les gaz générés par la combustion du bloc de poudre 4 génèrent une poussée propulsive, et comprennent des portions respectives externes 10a, 11 b, lesquelles sont réalisées à base de caoutchouc et sont portées par des corps respectifs 12, 13 métalliques axialement creux, appelés communément polarboss .

En se référant aux figures 2, 3 et 5, les extrémités 8, 9 comprennent, ensuite, des parois respectives 14, 15, flottantes ou mobiles, lesquelles sont appelées communément floater en langue anglaise, elles présentent également une forme courbe en calotte, et ont une face concave solidairement reliée au bloc de poudre 4, au moyen de la couche 6, et une face convexe orientée vers la calotte 10 et, respectivement, 11.

Les bords circonférentiels externes des parois 14, 15 sont accouplés aux calottes 10, 11 dans des positions fixes au moyen d'anneaux respectifs ou 0-ring 21, 22 autour desquels les parois 14, 15 sont libres de se déformer, et, donc de se déplacer pour suivre le rétrécissement du propergol et s'écarter des calottes 10, 11, pendant un processus de cuisson auquel est soumis le propergol pour être durci après avoir été coulé à l'état fluide dans l'enveloppe 3.

Les parois 14, 15 et les calottes 10, 11 définissent entre elles des espaces vides respectifs 16, 17 à volume variable, lesquels communiquent avec la cavité 5 à travers des entrées respectives 19, 20 circonférentielles internes. Les espaces vides 16, 17 abritent une barrière 23 d'amortissement en mesure de limiter l'ampleur des vibrations consécutives à l'allumage du bloc de poudre, à savoir avant d'atteindre une condition de régime dans laquelle le propergol brûle de façon uniforme en générant la poussée souhaitée à travers la tuyère: la description qui suit fait référence à l'extrémité 8 illustrée sur la figure 2, mais les mêmes considérations sont également valables pour l'extrémité 9.

La barrière 23 comprend un élément 24 d'amortissement, lequel présente une forme en soufflet et est constitué de feutres ou tissus en mesure de résister aux températures présentes pendant la phase transitoire d'allumage du propergol, et avec une épaisseur sensiblement constante inférieure à l'espace prévu entre la calotte 10 et la paroi 14 à la fin de la cuisson dudit propergol. De préférence, l'élément 24 est réalisé en matériaux à base de fibre de carbone ou de graphite.

L'élément 24 comprend une pluralité de premières portions 25 annulaires, chacune étant collée avec continuité à une zone correspondante 25a circonférentielle de la calotte 10, et une pluralité de secondes portions 26 annulaires, chacune étant collée avec continuité à une zone correspondante 26a circonférentielle de la paroi 14.

Les portions 25 et 26 sont alternées entre elles, tandis que les zones 25a et 26a sont éloignées entre elles sur la paroi 14 et, respectivement, sur la calotte 10 par rapport à l'axe 2.

Une première et une seconde couches 27, 28 de matériau détachant, de type connu et non décrit en détail, sont intercalées entre l'élément 24 et la calotte 10, et, respectivement, entre l'élément 24 et la paroi 14. Les couches 27, 28 présentent des ouvertures respectives 29, lesquelles sont montrées sur la figure 3 uniquement pour la couche 28, elles sont continues dans le sens circonférentiel et sont passantes pour permettre de relier les portions 25 et 26 aux zones 25a et, respectivement, 26a.

La barrière 23 comprend, en outre, un élément 30 à anneau, lequel est élastiquement déformable et a, à l'état non déformé, une épaisseur qui approche par excès l'espace disponible entre la paroi 14 et la calotte 10 à la fin de la cuisson du propergol, de façon à pouvoir être forcé dans l'entrée 19.

L'élément 30 est défini par une corde de fibres tressées, réalisée en un matériau qui se dissout ou fond à une température comprise entre celle présente dans l'enveloppe 3 pendant la phase transitoire d'allumage du propergol (environ 2000 K) et celle présente dans des conditions de régime de combustion (environ 3000-3500 K). En particulier, si l'élément 30 ne se dissout pas, il risque d'être entraîné à travers la cavité 5 vers la tuyère du propulseur 1 dans des conditions de régime, à cause de la dilatation de l'espace vide 16, due à la pressurisation des gaz et/ou à cause de l'érosion de la paroi 14.

De préférence, l'élément 30 est réalisé en matériaux à base de fibre de verre ou de nylon.

Pendant la réalisation du propulseur 1, on forme l'enveloppe 3 en fabriquant le tronçon 7 de façon conventionnelle non décrite en détails, tandis que l'extrémité 8 est fabriquée séparément du tronçon 7 et ensuite accouplée à ce dernier. Tout d'abord, on dépose sur le corps 12 la portion 10b, sous forme de matériau à base de caoutchouc à réticuler, et on réalise un élément 24 d'amortissement, ayant des dimensions et une forme sensiblement similaires à celles de la surface concave interne de la calotte 10.

Ensuite, on applique les couches 27, 28 de matériau détachant sur les faces opposées de l'élément 24, ou bien sur la face concave de la calotte 10 et sur la face convexe de la paroi 14, en laissant découvertes les zones 25a, 26a, à travers les ouvertures respectives 29. Ensuite, on superpose, la calotte 10, l'élément 24 et la paroi 14, de sorte que l'élément 24 reste intercalé entre la calotte 10 et la paroi 14 et reste solidairement relié aux zones 25a, 26a, suite à une précédente application de matériau collant, en obtenant ainsi un ensemble qui est soumis à un processus de réticulation pour consolider le caoutchouc de la portion 10b.

Après avoir accouplé les extrémités 8, 9 au tronçon 7 (figures 4 et 5), et après avoir appliqué la couche 6 de matériau ablatif, on introduit le propergol à l'état fluide dans l'enveloppe 3 et on soumet ledit propergol à une cuisson pour en obtenir le durcissement; comme exposé ci-dessus, les parois 14, 15 restent adhérentes au propergol pendant la cuisson et se déforment de façon à suivre le rétrécissement dudit propergol, en dilatant les espaces vides 16, 17, dans lesquels l'élément 24, étant fixé aux zones 25a, 26a, prend la forme en soufflet décrite ci-dessus.

A ce moment, l'élément 30 est forcé, par exemple manuellement par un opérateur, entre la paroi 14 et la calotte 10 dans l'entrée 19, où il reste encastré en position fixe, grâce à sa déformabilité élastique sans qu'il soit nécessaire d'ajouter un matériau collant.

Enfin, le dispositif d'allumage et la tuyère sont accouplés aux extrémités 8, 9 pour compléter le propulseur 1.

En cours d'utilisation, les tronçons d'élément 24 qui sont inclus entre les portions 25, 26 définissent des parois respectives 31, lesquelles, avec l'élément 30, divisent l'espace vide 16 en une pluralité de chambres 32.

Les éléments 24 et 30 ont une porosité suffisante pour permettre la pressurisation des chambres 32 de l'espace vide 16, mais tellement basse qu'elle amortit les oscillations de pression qui sont provoquées par les gaz produits par la combustion du propergol, pendant la phase transitoire d'allumage et qui tendent à se propager par la cavité 5 dans l'espace vide 16 à travers l'entrée 19 et d'une chambre 32 à la suivante.

De préférence, la porosité des éléments 24, 30 est comprise entre 0,45 et 0,95, la valeur 1,0 se référant à un matériau totalement ouvert, équivalent donc à l'absence dudit matériau.

Donc, en amortissant les oscillations de pression vers l'extrémité radiale externe de l'espace vide 16, on limite les oscillations de force agissant axialement sur la calotte 10 et, donc, l'ampleur des vibrations consécutives à l'allumage.

Simultanément, les éléments 24 et 30 possèdent une élasticité telle qu'ils se déforment en suivant l'augmentation de dimensions de l'espace vide 16 due à la pressurisation (de l'ordre de quelques millimètres), et en mesure éventuellement d'atténuer l'état vibratoire des différentes parties impliquées.

D'après ce qui vient d'être décrit, il apparaît évident que la barrière 23 permet de limiter l'ampleur des vibrations consécutives à l'allumage du bloc de poudre 4, en amortissant les oscillations de pression dans l'espace vide 16, de façon relativement simple et efficace et avec des encombrements contenus.

L'utilisation combinée des éléments 24 et 30 confère une redondance qui assure une meilleure fiabilité et efficacité de la barrière 23 (par rapport à l'éventuelle utilisation d'un seul composant) même après la phase transitoire d'allumage.

En outre, le fait que les portions 25, 26 de liaison soient alternées entre elles et le fait que les zones 25a, 26a, soient éloignées entre elles d'une distance supérieure à la distance finale entre la calotte 10 et la paroi 14, contribuent à assurer l'intégrité de l'élément 24 et à éviter son détachement des zones 25a, 26a, tant pendant la réalisation du propulseur 1 que pendant l'allumage du propergol.

D'après ce qui précède, il apparaît enfin évident que l'on peut apporter des modifications et variantes à l'enveloppe 3 décrite, qui ne sortent pas du cadre de protection de la présente invention.

En particulier, on pourrait prévoir des éléments d'amortissement de formes diverses et/ou de matériaux divers et/ou liés de façons diverses aux parois 14, 15 et/ou aux calottes 10, 11 mais toujours en mesure de résister aux températures relativement élevées présentes dans les espaces vides 16, 17 et d'amortir les vibrations transmises par les gaz consécutifs à l'allumage du bloc de poudre 4.

Les parois 31 pourraient présenter une porosité différente de celle indiquée à titre d'exemple et/ou on pourrait prévoir une pluralité d'éléments d'amortissement distincts, analogues à l'élément 24 et disposés dans des positions adjacentes et/ou concentriques entre elles, le long de la paroi 14, par exemple un premier élément faisant face à la portion 10b et un second élément faisant face à la portion 10a.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Propulseur (1) à fusée à propergol solide; le propulseur comprenant: une enveloppe (3) comprenant une calotte d'extrémité (10), une paroi mobile (14) ayant une face solidairement reliée audit propergol solide (4) et une face orientée vers ladite calotte; et un espace vide (16) à volume variable délimité par ladite calotte (10) et par ladite paroi mobile (14) ; et étant caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, des dispositifs d'amortissement (23) disposés dans ledit espace vide (16) pour amortir les vibrations consécutives à l'allumage dudit propergol solide (4).

2. Propulseur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement (23) sont façonnés de façon à amortir les oscillations de pression des gaz contenus dans ledit espace vide (16).

3. Propulseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement (23) comprennent au moins une paroi de matériau poreux (31, 30).

4. Propulseur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement (23) comprennent une pluralité de parois (31, 30) en matériau 20 poreux disposées en succession entre elles dans le sens radial.

5. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement (23) comprennent au moins un élément amortisseur à soufflet (24).

6. Propulseur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit élément amortisseur à soufflet (24) comprend une pluralité de premières portions (25) solidairement reliées à ladite calotte (10) et une pluralité de secondes portions (26) solidairement reliées à ladite paroi mobile (14).

7. Propulseur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdites premières (25) et secondes (26) portions s'étendent le long de parcours annulaires respectifs.

8. Propulseur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdites premières (25) et secondes (26) portions sont solidairement reliées à ladite calotte (10) et, respectivement, à ladite paroi mobile (14) avec continuité le long desdits parcours annulaires respectifs.

9. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend une première couche de matériau détachant (27) intercalé entre ledit élément amortisseur à soufflet (24) et ladite calotte (10) et une seconde couche de matériau amortisseur (28) intercalée entre ledit élément amortisseur à soufflet (24) et ladite paroi mobile (14) ; lesdites première (27) et seconde (28) couches présentant des ouvertures passantes respectives (29) de liaison desdites premières (25) et, respectivement, secondes (26) portions.

10. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement (30) sont élastiquement déformables et sont forcés entre ladite calotte (10) et ladite paroi mobile (14).

11. Propulseur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement comprennent un élément à anneau (30).

12. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 25 par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement (30) sont disposés à l'entrée (19) dudit espace vide (16).

13. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs d'amortissement (30) présentent une température de décomposition inférieure à la température présente dans ladite enveloppe (3) pendant un état de régime de combustion dudit propergol solide (4).

14. Procédé permettant de réaliser un propulseur (1) à fusée à propergol solide selon l'une quelconque des revendications précédentes; le procédé comprenant les phases consistant à - former une enveloppe (3) comprenant une calotte (10) d'extrémité ; - disposer une paroi mobile (14) en position face à ladite calotte (10) ; - introduire un propergol dans ladite enveloppe (3) au contact de ladite paroi mobile (14) ; et - durcir ledit propergol, en formant un espace vide (16) à volume variable entre ladite paroi mobile (14) et ladite calotte (10) ; étant caractérisé par le fait qu'il comprend la phase ultérieure consistant à intercaler des dispositifs d'amortissement (23) entre ladite calotte (10) et ladite paroi mobile (14) afin d'amortir les vibrations consécutives à l'allumage dudit propergol solide (4).

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la phase consistant à intercaler lesdits dispositifs d'amortissement (23) est effectuée avant l'introduction dudit propergol.

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé par le fait que la phase consistant à intercaler lesdits dispositifs d'amortissement (23) est effectuée en reliant solidairement un élément amortisseur (24) à ladite calotte (10) et à ladite paroi mobile (14) et par le fait qu'il comprend la phase consistant à intercaler une première couche de matériau détachant (27) entre ledit élément amortisseur (24) et ladite calotte (10) et une seconde couche de matériau détachant (28) entre ledit élément amortisseur (24) et ladite paroi mobile (14), en ménageant à travers lesdites première (27) et seconde (28) couches des ouvertures passantes respectives (29) de liaison dudit élément d'amortissement (24).

17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il comprend la phase consistant à forcer lesdits dispositifs d'amortissement (23) entre ladite calotte (10) et ladite paroi mobile (14) après le durcissement dudit propergol.