FR2878608A1 - Revetement de protection thermique a pieces elementaires gauches et leur procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'objet de l'invention concerne un revêtement de protection thermique a pièces élémentaires (2) gauches et leur procédé de fabrication. Le revêtement de protection thermique composite comprend un ensemble (1) de pièces élémentaires (2) parallèles les unes aux autres, cet ensemble (1) ayant un axe principal (11). Selon l'invention, lesdites pièces élémentaires (2) sont non planes et comprennent chacune au moins un pli de fibres, chacune desdites pièces (2) étant orientée suivant un axe formant un angle de plongée y par rapport à la tangente (4) audit ensemble (1) en un point de ladite pièce élémentaire (2) considérée dans un plan perpendiculaire audit axe principal (11), et dans un plan parallèle audit axe principal, ledit pli fait un angle α avec la surface externe dudit revêtement.

Description

REVETEMENT DE PROTECTION THERMIQUE A PIECES ELEMENTAIRES

GAUCHES ET LEUR PROCEDE DE FABRICATION

La présente invention a pour objet un revêtement de protection thermique à pièces élémentaires, telles que des plis, gauches et leur procédé de fabrication respectif. Ces revêtements thermiques trouvent des applications dans le domaine de l'aéronautique et spatial. Ils sont ainsi mis en oeuvre par exemple comme boucliers de rentrée de véhicules spatiaux ou comme éléments structuraux d'un système de propulsion tels qu'un divergent de tuyère.

Ces structures sont particulièrement sollicitées et sont soumises à des échauffements très importants pouvant atteindre ou dépasser 3000 C. Lors des rentrées atmosphériques, par exemple, les revêtements des engins spatiaux tels que les sondes sont soumis à des agressions thermiques abrasives sévères liées à la présence de particules solides ou liquides dans l'atmosphère et à la vitesse de rentrée de ces engins. On retrouve également ces agressions thermiques abrasives dans les systèmes de propulsion tels que les propulseurs à poudre qui présentent des particules d'alumine dans leur jet.

De plus, on demande à ces structures d'avoir une fonction aérodynamique, c'est-à-dire d'assurer un bon écoulement des gaz et donc de conserver une forme inchangée malgré les effets de l'ablalion due aux températures élevées.

Les matériaux utilisés pour ces types de structures sont souvent des matériaux composites thermostructuraux composés par exemple de fibres de SiO2, Nextel , SiC ou de carbone (pour les plus hautes températures) disposés sous forme de fils, de tissus 2D ou même de préformes textiles 3D. Les matrices peuvent être céramiques à base de SiO2, SiC ou C, ou bien à base de résines à haut taux de coke comme les résines phénoliques ou furaniques, ou certaines résines silicones qui, lors de la pyro'yse, donnent suivant le cas, du carbone ou de la silice.

La présente invention concerne plus particulièrement les structures constituées ou recouvertes d'une succession de couches inclinées formées de fibres noyées dans une matrice appropriée, les couches formant un angle a déterminé par rapport au flux aérodynamique rasant.

On connaît par le brevet US 3 140 968 un procédé permettant de réaliser une structure, communément appelée clino , consistant en un enroulement hélicoïdal autour d'un mandrin de tronçons de bande, suivant des couches successives toutes inclinées d'un certain degré par rapport à une génératrice de la surface du mandrin, le premier tour d'enroulement étant réalisé en appui sur une cale de départ fixant l'angle d'inclinaison des couches successives.

Le matériau enroulé sur le mandrin est une bande de fibres pré-imprégnées et plus précisément une bande de tissu dont les fils de chaîne et de trame font avec l'axe de la bande un angle différent de 0 et de 90 respectivement. Il faut en effet que lors de l'enroulement de la bande sur le mandrin, cette bande puisse se déformer, le bord côté mandrin de la bande étant soumis à contraction et le bord externe à extension.

Toutefois, ce procédé de bobinage présente l'inconvénient de provoquer des surépaisseurs localisées au droit des zones de jonction des tronçons de bande.

Pour remédier à ce problème, d'autres solutions ont été imaginées. Ainsi, dans FR 2 569 237 et US 3 960 626, il est proposé des bandes spéciales à franges et dans US 3 583 275 les bandes sont des tresses. Cependant, ces solutions sont trop spécifiques et marginales et s'avèrent coûteuses.

Par ailleurs, il est connu que pour limiter l'ablation d'une structure, les couches de tissus doivent être parallèles entre elles et présenter un angle optimum d'inclinaison par rapport à la génératrice de la surface de la pièce, de l'ordre de 20 . Cependant dés que la surface externe de la pièce soumise au flux aérodynamique présente une variation locale ou discontinuité de forme résultant en la formation d'un angle entre cette surface externe et la génératrice de la pièce, l'angle d'inclinaison des couches varie. La structure n'est donc plus optimisée en tout point et ses performances sont dégradées, ce qui peut entraîner une détérioration rapide de la structure.

Ainsi dans le cas des procédés classiques de bobinage décrits plus haut, la cale de départ n'autorise pas un ajustement local de l'angle d'inclinaison des couches pour répondre à cette variation locale de la surface externe de la structure ou alors seulement de façon lente et faible comme dans le brevet FR 2 850 368.

On connaît par le brevet FR 2 850 369 un procédé de réalisation d'un revêtement de protection thermique à couches inclinées par bobinage dans lequel l'angle d'inclinaison des couches peut être localement ajusté en sorte de privilégier dans la zone considérée l'ablation et/ou l'isolation thermique. La Figure 1 montre en vue partielle une coupe axiale d'un bouclier de rentrée thermique de véhicule spatial réalisé selon ce procédé. L'angle des couches par rapport à la génératrice de la pièce a été ajusté localement de façon à pouvoir garder l'angle des couches constant par rapport à la surface externe de la pièce, c'est-à-dire à la surface soumise aux flux aérodynamique. Bien que les résultats obtenus par ce procédé soient meilleurs que ceux décrits dans l'art antérieur, ils peuvent encore être améliorés. En effet, les couches étant planes, on observe dans les zones A pour lesquelles l'angle d'inclinaison a été localement adapté, des couches qui ne sont plus parallèles. Le rapport volumique fibres des couches/matrice de liaison varie alors localement. Or cette variation peut induire une dégradation plus rapide de la matrice dans les zones A que dans les zones B, les fibres des couches ne protégeant plus localement la matrice en limitant par conduction les effets du flux thermique.

L'objectif de la présente invention est de proposer un revêtement de protection thermique et un procédé de fabrication d'un tel revêtement thermique simple dans leur conception et dans leur mode opératoire, économique et permettant d'obtenir des performances optimales vis-à-vis de l'ablation, uniformes en tout point du revêtement, et constantes au fur et à mesure de l'ablation du revêtement par un flux thermique.

Avantageusement, ce revêtement permet également une optimisation de la masse par l'optimisation de l'épaisseur du revêtement de protection thermique en tout point.

Un autre objet de la présente invention est un procédé de réalisation d'une pièce élémentaire, telle qu'un pli, pour ce revêtement de protection thermique, cette pièce étant non plane.

A cet effet, l'invention concerne un revêtement de protection thermique 5 composite comprenant un ensemble de pièces élémentaires parallèles les unes aux autres, cet ensemble ayant un axe principal.

Selon l'invention, les pièces élémentaires sont non planes et comprennent chacune au moins un pli de fibres. Dans un plan perpendiculaire à l'axe principal, chacune de ces pièces est orientée suivant un axe formant un angle de plongée y par rapport à la tangente audit ensemble en un point de la pièce élémentaire considérée et dans un plan parallèle à l'axe principal, ledit pli fait un angle a constant ou non avec la surface externe dudit revêtement.

L'invention concerne également une pièce constituée par ou comprenant un revêtement de protection thermique tel que décrit précédemment.

Dans un mode de réalisation particulier, cette pièce présente un rayon de courbure inférieur à 50 mm.

Cette pièce peut donc être par exemple un élément structural d'un engin spatial comprenant un bouclier ou une pièce structurale d'un système de propulsion telle qu'un divergent ou un col de tuyère.

L'invention concerne enfin une pièce élémentaire, telle qu'un pli, d'un revêtement thermique ayant une surface externe finale de forme connue.

Selon l'invention, la pièce élémentaire a une forme non plane susceptible d'être obtenue par: a) on définit un ensemble de points le long d'une section de la surface externe, ces points étant disposés à intervalles réguliers ou non, deux points successifs (P;, P;+1) étant séparés par une ligne L;, b) on détermine pour chaque ligne Li, une ligne D; image de la ligne Li par une rotation d'angle cx;, constant ou non, autour du point P; correspondant, c) on détermine l'ensemble des points d'intersection Ni tels que le premier point N1 étant égal au point P1, chaque point Ni suivant avec i>_2, est placé à l'intersection de la normale à la ligne D; au point P; et de la parallèle à la ligne D; passant par le point Ni_1, d) on relie deux points successifs Ni, N;+, ainsi obtenus par une ligne parallèle à la ligne D;+,, l'ensemble de ces lignes définissant une ligne C,, e) on détermine un ensemble de lignes Ci avec j-2 parallèles à la ligne C,, deux lignes successives (Ci, Ci+1) étant séparés de d, les lignes (C,, C2, ..., C;) étant contenue dans un plan, f) on réalise une rotation de chaque ligne C; ainsi obtenue avec j>_2 d'un angle (j x p) par rapport au plan pour obtenir une ligne R;, g) on lisse l'ensemble des lignes (C,, R2, ..., R;) pour obtenir ladite forme de cette pièce.

Dans différents modes de réalisation particuliers de la pièce élémentaire, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: la pièce élémentaire comprend un ou plusieurs plis assemblés, la pièce est un pré-imprégné, les taux de fibres et la nature des fibres de la pièce varient en sorte d'adapter différents paramètres comme la résistance, la conformabilité ou la conductivité.

L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un revêtement thermique de l'art antérieur; - la figure 2 est une vue partielle et éclatée d'un revêtement thermique selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'angle de plongée y étant égal à 5 ; - la figure 3 est une vue partielle et éclatée d'un revêtement thermique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'angle de plongée y étant égal à 10 ; - la figure 4 montre un premier ensemble de pièces élémentaires obtenu selon le procédé de fabrication d'un revêtement de l'invention; - la figure 5 est une représentation schématique d'un col de tuyère (figure 5b) obtenu après usinage d'un ensemble de pièces élémentaires non planes réalisées selon le procédé de l'invention (figure 5a), et, la figure 5c montre une pièce élémentaire dudit ensemble; - la figure 6 est une construction de l'angle (3.; - la figure 7 représente schématiquement les diverses étapes pour 5 déterminer la ligne Cl du procédé selon l'invention.

La Figure 2 montre une vue partielle d'un revêtement de protection thermique composite comprenant un ensemble 1 de pièces élémentaires parallèles les unes aux autres, ledit ensemble ayant un axe principal. L'axe principal est ici l'axe de symétrie de l'ensemble. Les pièces élémentaires 2 sont non planes. La vue éclatée de la figure 2 montre une telle pièce élémentaire 2. Ces pièces élémentaires comprenant de préférence un ou plusieurs plis de fibres pré-imprégnées.

La résine mise en oeuvre est par exemple une résine phénolique ou furanique. Chacune de ces pièces 2 est orientée suivant un axe 3 formant un angle de plongée y par rapport à la tangente 4 audit ensemble 1 en un point de la pièce élémentaire 2 considérée dans un plan perpendiculaire audit axe principal. Cet angle de plongée est ici égal à 5 . De préférence, cet angle est inférieur ou égal à 10 . De plus, dans un plan parallèle audit axe principal chacun desdits plis fait un angle a constant ou non avec la surface externe du revêtement. Cet angle est de préférence égal à environ 20 .

L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une pièce élémentaire 2, telle qu'un pli, mise en oeuvre dans le revêtement thermique décrit ci-dessus. On admet que la surface externe finale 5 de ce revêtement thermique que l'on cherche à réaliser est de forme connue. C'est par exemple le cas lorsque ce revêtement est destiné à servir de bouclier thermique pour un engin spatial.

Selon ce procédé, on découpe la pièce élémentaire 2 dans une structure tissée. La pièce élémentaire peut comporter un seul pli ou un assemblage de plusieurs plis. Ces plis sont préférentiellement des plis de fibres pré-imprégnées ayant une structure 2D. Les fibres sont à titre indicatif réalisées à partir de silice, carbone ou carbure de silicium. Alternativement, un pli peut comporter par exemple une armature 2,5D. Le brevet FR-A-2 610 951, au nom du demandeur, décrit un procédé de réalisation d'une armature tissée particulière dite 2,5 D. Cette armature 2,5 D consiste à entrelacer les fils de chaîne et les fils de trame afin d'obtenir un matériau présentant une excellente résistance perpendiculairement au plan de l'armature sans qu'il y ait pourtant de fils perpendiculaires à cette armature. II est alors possible de conformer cette armature.

On connaît aussi par les brevets français FR-A-2 753 993 et FR-A-2 718 757, des armatures de type 3,5D el 4,5D qui procurent les mêmes avantages. L'isotropie de ces matériaux permet d'augmenter la résistance mécanique et ces matériaux trouvent tout leur intérêt dans certaines applications pour lesquelles on recherche une forte résistance et/ou une grande raideur. Ces armatures peuvent également être mises en oeuvre dans le cadre de l'invention.

On met en forme la pièce élémentaire 2 d'épaisseur cl sur une paroi 6 d'un outil de conformation 7. On peut avantageusement mettre en oeuvre un deuxième outil de conformation ayant une paroi de forme complémentaire à celle du premier outil de conformation 7 de manière à presser et mettre en forme ladite pièce élémentaire entre lesdites première et deuxième parois 6. On peut utiliser un moule 8 présentant une base et une paroi latérale circulaire, l'outil de conformation étant de préférence mobile en rotation le long de ladite paroi du moule 8.

La forme de la paroi 6 de l'outil de conformation 7 est déterminée par les étapes suivantes: a) on définit un ensemble de points le long d'une section 9 de ladite surface externe, lesdits points étant disposés à intervalles réguliers ou non, deux points successifs (Pi, P;+1) étant séparés par une ligne L;, b) on détermine pour chaque ligne Li, une ligne D; image de ladite ligne Li par une rotation d'angle a;, constant ou non, autour du point P; correspondant, Avantageusement, l'angle a; est constant et d'environ 20 .

c) on détermine l'ensemble des points d'intersection Ni tels que le premier point N1 étant égal au point P1i chaque point Ni suivant avec i>_2, est placé à l'intersection de la normale 10 à la ligne D; au point P; et de la parallèle à la ligne D; passant par le point d) on relie deux points successifs Ni, N;+1 ainsi obtenus par une ligne parallèle à la ligne D;+1, l'ensemble de ces lignes définissant une ligne C1r e) on détermine un ensemble de lignes Cj avec j>_2 parallèles à ladite ligne C1, deux lignes successives (Ci, Cp+1) étant séparés de d, lesdites lignes (C1, C2, ..., Ci) étant contenue dans un plan, Jmax est par exemple tel que (Jmaxxd) est supérieure à la dimension verticale 5 du revêtement final, c'est-à-dire que l'ensemble obtenu est suffisamment grand pour réaliser le revêtement final, f) on réalise une rotation de chaque ligne Ci ainsi obtenue avec j>_2 d'un angle (j x J3) par rapport audit plan pour obtenir une ligne Ri, g) on lisse l'ensemble des lignes (C1, R2, ..., Ri) pour obtenir ladite forme de la 10 paroi dudit outil de conformation.

Dans un mode de réalisation préféré, avant l'étape e), on lisse la ligne C1. Le lissage de la ligne Ci peut être obtenu par exemple par un algorithme de lissage utilisant les courbes de Bezier ou splines. Ce lissage est le même pour l'ensemble des lignes (C1, R2, ..., Ri).

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un revêtement thermique composite, ledit revêtement ayant une surface externe finale de forme connue. Selon ce procédé, on place dans un moule un ensemble de n pièces élémentaires 1 de forme non plane et de même épaisseur d en décalant chacune de ces pièces d'un angle de décalage R par rapport à la pièce élémentaire précédente. La énième pièce élémentaire 2 est donc décalé d'un angle n83 par rapport à la première pièce élémentaire 2 placée dans le moule 8. Puis, on polymérise sous pression cet ensemble pour obtenir une ébauche durcie (Etape b - figure 5a). Pour cela, on place les plis dans leur outillage sous vide en utilisant soit une vessie, soit un moule étanche et on place l'ensemble dans un autoclave par exemple capable d'appliquer une pression jusqu'à 20 bars. Des pressions de l'ordre de 3 à 5 bars peuvent être utilisées également. Cet ébauche est enfin usinée aux côtes requises pour obtenir le revêtement thermique voulu (figure 5b). La figure 5a montre l'axe principal 11 de cet ensemble de 2 pièces élémentaires 2. Cet axe principal 11 est l'axe de symétrie de cet ensemble 1. On peut injecter avant l'étape b), une résine phénolique ou furanique.

Pour diminuer un éventuel effet de dérive de forme, on peut réaliser avant l'étape de polymérisation, au moins deux ensembles 1 comportant chacun un nombre limité k= 12 par exemple, de pièces élémentaires 2, puis assembler ces au moins deux ensembles 1 ainsi réalisés en décalant leur extrémité d'assemblage d'un angle de décalage 13 l'une par rapport à l'autre.

La figure 6 montre une construction permettant de déterminer l'angle de décalage [3 à partir de l'épaisseur d de la pièce élémentaire 2 et de l'angle de 5 plongée y.

La figure 6 montre une coupe de l'ensemble 1 de n pièces élémentaires dans un plan perpendiculaire à son axe principal 11.

Une première pièce élémentaire (n) touche le profil extérieur de l'ensemble en un point Xn et la pièce élémentaire suivante (n+1) touche ce même profil en un 10 point Xn+1.

Le point Xn+1 est totalement déterminé à partir du point Xn par la connaissance de l'angle de plongée y et de l'épaisseur d d'une pièce élémentaire 2.

L'angle R est celui sous lequel on voit les 2 points Xn et Xn+1 depuis le 15 centre de courbure local.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé de réalisation d'une pièce élémentaire, telle qu'un pli, d'un revêtement thermique ayant une surface externe finale de forme connue, dans lequel on découpe ladite pièce élémentaire (2) dans une structure tissée, caractérisé en ce qu'on met en forme ladite pièce élémentaire (2) d'épaisseur d sur une paroi (6) d'un outil de conformation (7), la forme de ladite paroi (6) étant déterminée par les étapes suivantes: a) on définit un ensemble de points le long d'une section (9) de ladite surface externe, lesdits points étant disposés à intervalles réguliers ou non, deux points successifs (P;, P;+9) étant séparés par une ligne L;, b) on détermine pour chaque ligne Li, une ligne D; image de ladite ligne Li par une rotation d'angle a;, constant ou non, autour du point Pi correspondant, c) on détermine l'ensemble des points d'intersection Ni tels que le premier point NI étant égal au point P,, chaque point N; suivant avec est placé à l'intersection de la normale (10) à la ligne D; au point P; et de la parallèle à la ligne D; passant par le point N;_1, d) on relie deux points successifs Ni, N;+1 ainsi obtenus par une ligne parallèle à la ligne D;+T, l'ensemble de ces lignes définissant une ligne CI, e) on détermine un ensemble de lignes Ci avec j>_2 parallèles à ladite ligne CI, deux lignes successives (Ci, C;+l) étant séparés de d, lesdites lignes (CI, C2, ..., Ci) étant contenue dans un plan, f) on réalise une rotation de chaque ligne Ci ainsi obtenue avec j>_2 d'un angle (j x j3) par rapport audit plan pour obtenir une ligne Ri, où p est un angle de décalage, g) on lisse l'ensemble des lignes (CI, R2, ..., Ri) pour obtenir ladite forme de la paroi (6) dudit outil de conformation (7).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant l'étape e) , on lisse la ligne CI.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle a; étant constant, cet angle est d'environ 20 .

4. Pièce élémentaire, telle qu'un pli, d'un revêtement thermique ayant une surface externe finale de forme connue, caractérisée en ce que ladite pièce 5 (2) a une forme non plane susceptible d'être obtenue par: a) on définit un ensemble de points le long d'une section de ladite surface externe, lesdits points étant disposés à intervalles réguliers ou non, deux points successifs (P;, P;+1) étant séparés par une ligne Li, b) on détermine pour chaque ligne Li, une ligne D; image de ladite ligne Li par une rotation d'angle a;, constant ou non, autour du point P; correspondant, c) on détermine l'ensemble des points d'intersection Ni tels que le premier point NI étant égal au point PI, chaque point N; suivant avec i>_2, est placé à l'intersection de la normale (10) à la ligne D; au point P; et de la parallèle à la ligne D; passant par le point NF.1, d) on relie deux points successifs Ni, N;+1 ainsi obtenus par une ligne parallèle à la ligne l'ensemble de ces lignes définissant une ligne CI, e) on détermine un ensemble de lignes Ci avec j>_2 parallèles à ladite ligne CI, deux lignes successives (Ci, Ci+1) étant séparés de d, lesdites lignes (CI, C2, ..., Ci) étant contenue dans un plan, f) on réalise une rotation de chaque ligne Ci ainsi obtenue avec j>_2 d'un angle (j x (3) par rapport audit plan pour obtenir une ligne Ri, où (3 est un angle de décalage, g) on lisse l'ensemble des lignes (CI, R2, ..., Ri) pour obtenir ladite forme non plane.

5. Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'angle a; est d'environ 20 .

6. Pièce selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que ladite pièce élémentaire (2) comprend un ou plusieurs plis de fibres assemblés.

7. Pièce selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que lesdits plis sont pré-imprégnés.

8. Pièce selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que les taux de fibres et la nature des fibres varient en sorte d'adapter différents paramètres comme la résistance, la conformabilité ou la conductivité.

9. Revêtement de protection thermique composite comprenant un ensemble (1) de pièces élémentaires (2) parallèles les unes aux autres, ledit ensemble (1) ayant un axe principal (11), caractérisé en ce que lesdites pièces élémentaires (2) sont des pièces élémentaires selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 comprenant chacune au moins un pli de fibres, chacune desdites pièces (2) étant orientée suivant un axe (3) formant un angle de plongée y par rapport à la tangente (4) audit ensemble (1) en un point de ladite pièce élémentaire (2) considérée dans un plan perpendiculaire audit axe principal (11), et en ce que dans un plan parallèle audit axe principal (11), ledit pli fait un angle a avec la surface externe dudit revêtement.

10. Revêtement suivant la revendication 9, caractérisé en ce que l'angle 15 de plongée y est inférieur ou égal à 10 .

11. Procédé de fabrication d'un revêtement thermique, ledit revêtement ayant une surface externe finale de forme connue, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on place dans un moule (8) un ensemble (1) de n pièces élémentaires (2) selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, en décalant chacune desdites pièces (2) d'un angle de décalage 13 par rapport à la pièce élémentaire (2) précédente, lesdites pièces (2) élémentaires ayant la même épaisseur d, b), on assemble au moins deux ensembles (1) ainsi réalisés à ladite étape a) en les décalant l'un par rapport à l'autre d'un angle de décalage 6.

13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on 30 injecte avant l'étape b), une résine phénolique ou furanique.

14. Pièce constituée par ou comprenant un revêtement de protection thermique tel qu'obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 11 à 13.

b) on polymérise sous pression ledit ensemble (1), c) on usine ledit ensemble (1) ainsi obtenu aux côtes requises.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'avant l'étape 15. Pièce selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle présente un rayon de courbure inférieur à 50 mm.