FR2945792A1

FR2945792A1 - Dispositif de protection thermique avec espace de canalisation du flux chaud.

Info

Publication number: FR2945792A1
Application number: FR0953311A
Authority: FR
Inventors: Florent Girard
Original assignee: SNECMA Propulsion Solide SA
Current assignee: ArianeGroup SAS
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-11-26
Anticipated expiration: 2029-05-19
Also published as: IT1400325B1; FR2945792B1; DE102010016981A1; ITTO20100414A1

Abstract

Un dispositif de protection thermique (10) est destiné à être monté sur une structure à protéger. Le dispositif comprend un panneau (11) apte à recevoir sur sa face externe (11e) un flux thermique, le panneau (11) étant muni d'une paroi de raidissement (12) qui s'étend perpendiculairement à partir de la face interne (11f) dudit panneau. Le dispositif comprend en outre une jupe (14) qui s'étend vers l'extérieur à partir de la paroi de raidissement (12) et dont les bords (14a-14d) sont sensiblement alignés avec les bords (11a-11d) du panneau (11) de manière à délimiter un espace de canalisation (15) entre la face interne du panneau et ladite jupe.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de protections thermiques (TPS) tels que ceux présents sur les véhicules de 10 rentrée atmosphérique. Ce type de système est généralement formé par un écran thermique en matériau composite thermostructural qui protège le véhicule des flux thermiques qu'il rencontre au cours de son vol. Ce type d'écran est composé d'une pluralité de dispositifs adjacents les uns aux autres et fixés sur la paroi du véhicule à protéger. 15 La figure 1 illustre un dispositif de protection thermique 100 qui comprend un panneau 101 apte à recevoir sur sa face externe un flux thermique. Le panneau est en outre muni, du côté de sa face interne, d'une paroi de raidissement 102 qui est prolongée par des pattes de fixation 103 permettant la fixation du panneau sur la structure froide du 20 véhicule à protéger. Tel qu'illustré sur la figure 2, le dispositif de protection thermique 100 est monté sur une structure froide 110 en fixant les pattes 103 sur des pontets de fixation 111 solidaires de la structure froide au moyen d'organes de fixation 106 du type vis/écrou par exemple. Afin de réaliser une barrière thermique entre la face externe du panneau 25 101 et la structure froide 110, le dispositif comprend en outre un joint 104 entourant l'espace présent entre le panneau 101 et la base des pattes de fixation 103 ainsi qu'au moins un bloc 105 en matériau isolant thermiquement disposé à l'intérieur des parois de raidissement 102 entre la face interne du panneau et la paroi de la structure à protéger. Le bloc 30 d'isolation thermique 105 est réalisé à partir de matériaux légers comme, par exemple, de la laine isolante. La figure 3 représente une structure froide 110, par exemple une paroi d'un véhicule de rentrée atmosphérique, équipée d'un système de protection thermique 200 formé d'une pluralité de dispositifs de protection 35 thermique 100 de la figure 2. Les panneaux 101 des dispositifs 100 sont montés adjacents les uns aux autres sur la structure froide 110 au moyen des pattes fixation 103 et via des pontets 111. 15 Après montage des dispositifs 100, il subsiste des interstices I entre les panneaux 101 de deux dispositifs adjacents 100. Lors d'une rentrée dans l'atmosphère, un flux thermique FHT s'écoule le long de l'écran du système 200 formé par les panneaux 101. Une partie PFHT de ce flux peut alors s'infiltrer sous les panneaux par les interstices I et peut créer un flux chaud Fcf, encore appelé "sneak-flow", qui circule en paroi de la structure froide 110. Ce flux chaud Fcf va apporter de la chaleur à la structure froide à protéger et compromettre ainsi la protection thermique destinée à être réalisée par les dispositifs 100. En outre, ce flux chaud ("sneak-flow") apporte également de la chaleur aux organes de fixation reliant les pattes des dispositifs de protection thermique à la structure froide via les pontets. Cet échauffement peut détériorer les organes de fixation, et en particulier la tête de vis située au niveau des pattes de fixation qui peut atteindre des températures supérieures à 1000°C.

Objet et résumé de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un dispositif de protection thermique permettant de maintenir les infiltrations de gaz chauds loin de la structure froide à protéger et d'éviter l'apparition du phénomène de flux chaud ("sneak-flow") décrit précédemment. Ces buts sont atteints grâce à un dispositif de protection thermique comprenant un panneau apte à recevoir sur sa face externe un flux thermique, le panneau étant muni d'une paroi de raidissement qui s'étend perpendiculairement à partir de la face interne dudit panneau, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une jupe qui s'étend vers l'extérieur à partir de la paroi de raidissement et dont les bords sont sensiblement alignés avec les bords du panneau de manière à délimiter un espace de canalisation entre la face interne du panneau et ladite jupe. Ainsi, l'ajout d'une telle jupe dans le dispositif de protection thermique permet de former un obstacle empêchant des flux thermiques s'infiltrant sous le panneau d'atteindre la structure froide à protéger ainsi que les organes de fixation du dispositif. En outre, la jupe délimite un espace de canalisation qui permet de contenir une éventuelle infiltration de gaz chauds à proximité du panneau, c'est-à-dire loin de la structure froide. Selon un aspect particulier de l'invention, la jupe comporte une ou plusieurs fentes afin de minimiser les contraintes thermoélastiques dans le dispositif de protection thermique. Selon un autre aspect, la paroi de raidissement est prolongée par des pattes de fixation, chaque patte comportant au moins un orifice de logement d'un élément d'organe de fixation. Dans ce cas, la jupe comporte au moins une ouverture à proximité de chaque orifice pour permettre l'accès d'un outil à l'élément d'organe de fixation. Chaque patte de fixation peut comprendre une lumière ménagée au-dessus de chaque orifice de logement d'un élément d'organe de fixation afin d'allonger le chemin de conduction thermique entre le panneau et l'organe de fixation.

L'invention vise également un système de protection thermique destiné à protéger une structure, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositif de protection thermique selon l'invention, lesdits dispositifs étant disposés adjacents les uns avec les autres. L'invention concerne encore un véhicule de rentrée atmosphérique comprenant au moins une structure à protéger contre un flux thermique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système de protection thermique selon l'invention, ledit système étant monté sur la structure à protéger.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un panneau de dispositif de protection thermique selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en coupe d'un dispositif de protection thermique monté sur une structure froide selon l'art antérieur, - la figure 3 est une vue en coupe schématique montrant le phénomène de flux chaud ("sneak flow") avec les dispositifs de protection thermique de l'art antérieur, - les figures 4A et 4B sont des vues en perspective d'un 5 panneau de dispositif de protection thermique conformément à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective d'un dispositif de protection thermique conformément à un mode de réalisation de l'invention, 10 la figure 6 est une vue en perspective d'un système de protection thermique formé d'une pluralité de dispositifs de la figure 5, la figure 7 est une vue agrandie montrant le montage/démontage d'un dispositif de protection thermique selon l'invention, et 15 la figure 8 est une vue en perspective du système de la figure 6 montrant l'effet produit par les dispositifs de protection thermique de l'invention lorsqu'un flux thermique pénètre sous les panneaux desdits dispositifs.

20 Description détaillée de modes de réalisation

La solution proposée par la présente invention consiste à canaliser le flux thermique qui s'infiltre par les interstices présents entre les 25 panneaux des dispositifs de protection thermique adjacents dans un espace éloigné de la structure froide, c'est-à-dire au plus près de la partie du panneau recevant le flux thermique chaud. Les figures 4A et 4B montrent un dispositif de protection thermique 10 conformément à un mode de réalisation de l'invention. La fonction d'un 30 tel dispositif est de protéger une structure, comme un véhicule de rentrée atmosphérique ou un réservoir cryogénique, contre les flux thermiques rencontrés dans l'environnement de fonctionnement. A cet effet, le dispositif de protection thermique 10 comprend tout d'abord un panneau 11 de forme parallélépipédique qui reçoit sur sa face externe 11e le flux 35 thermique. Le panneau peut être plat ou présenter une courbure. Le panneau 11 remplit plusieurs fonctions : une fonction d'écran réflecteur, une fonction de tenue vis-à-vis des chargements mécaniques (différence entre pressions externe et interne, déformation structurelles, ...), une fonction de maîtrise de la forme extérieure (aérodynamique) et une fonction de protection de l'isolant contre l'environnement extérieur (abrasion, écoulements rapide, plasma, ...). Compte tenu des niveaux de températures auxquels est soumis le panneau (autour de 1600-1800 °C), il est important que ce dernier soit suffisamment éloigné de la structure froide à protéger. A cet effet, le panneau 11, est muni de raidisseurs 12a à 12d qui s'étendent perpendiculairement au panneau 11 à partir de sa face interne 11f. Les raidisseurs 12a à 12d sont disposés en retrait des bords 11a à 11d du panneau 11 et connectés entre eux au niveau de leurs bords adjacents de manière à former une paroi de raidissement continue 12 de forme parallélépipédique ayant un périmètre inférieur à celui du panneau 11.

Dans le mode de réalisation décrit ici, l'extrémité inférieure de la paroi de raidissement 12 est prolongée par quatre pattes de fixation 13a à 13d solidaires respectivement des raidisseurs 12a à 12d. Les pattes 13a à 13d sont chacune formées d'un montant 131a à 131d qui s'étend dans la même direction que les raidisseurs auxquels ils sont associés et d'une base de fixation 132a à 132d qui est orientée soit perpendiculairement par rapport aux montants 131a à 131d correspondant comme représenté sur les figures 4A et 4B, soit selon un angle quelconque par rapport à ces montants. Chaque base de fixation, respectivement 132a à 132d, comporte un orifice, respectivement 133a à 133d, permettant le passage d'un organe de fixation du type vis/écrou afin de fixer le dispositif de protection thermique sur une structure froide à protéger comme décrit ci-après en détail. Selon une caractéristique particulière de l'invention, des lumières 134a à 134d peuvent être ménagées respectivement sur les montants 131a à 131d. Ces lumières sont disposées au-dessus des orifices 133a à 133d afin d'allonger le chemin de conduction thermique entre le panneau 11 et ces orifices, ce qui permet de diminuer l'apport de chaleur depuis la face externe du panneau et les têtes de vis présentes au niveau des orifices 131a à 131d.

Conformément à l'invention, le dispositif de protection thermique 10 comprend en outre une jupe ou cloison 14 fixée sur la surface externe de la paroi de raidissement 12 au niveau de son extrémité inférieure. La jupe 14 présente une forme parallélépipédique qui s'étend vers l'extérieur depuis la surface externe de la paroi de raidissement. Les bords externes 14a à 14d de la jupe 14 sont respectivement alignés avec les bords lia à 11d du panneau 11. En d'autres termes, la largeur I de la jupe 14 est choisie de manière à ce que ses bords externes 14a à 14d se trouvent sensiblement à l'aplomb des bords lla à lld correspondants du panneau 11. La jupe 14 peut s'étendre perpendiculairement à la paroi de raidissement 12, c'est-à-dire suivant une direction parallèle au plan du panneau 11 comme représenté sur les figures 4A et 4B. Toutefois, la jupe 14 peut également présenter une légère inclinaison vers le haut ou vers le bas par rapport au plan du panneau 11. Des ouvertures 141 à 144 sont ménagées dans la jupe 14 en alignement avec les orifices 133a à 133d respectivement afin de permettre le montage/démontage des dispositifs de protection thermique. Par ailleurs, la jupe peut comporter des fentes telles que les fentes 145 représentées sur les figures 5A et 5B afin de ne pas créer de raideurs supplémentaires dans le dispositif de protection thermique et d'éviter ainsi une augmentation des contraintes thermo-élastiques dans ce dernier.

L'ajout d'une jupe 14 selon l'invention permet de former, juste en-dessous du panneau 11, un espace de canalisation 15 délimité par une partie de la face interne 11f du panneau 11, la paroi de raidissement 12 et la jupe 14. Comme illustré sur la figure 5, le dispositif de protection thermique comprend en outre un joint 16 disposé dans l'espace de canalisation 15. Le joint 16 peut être constitué d'un matériau isolant élastiquement déformable, tel qu'une structure fibreuse ou mousse isolante, maintenu à l'intérieur d'une tresse réalisée avec des fibres résistant aux hautes températures telles que des fibres en céramique. Un bloc 17 en matériau léger isolant thermiquement, tel qu'une laine isolante, est également placé dans le volume intérieur délimité par la paroi de raidissement 12 et les pattes de fixation 13a à 13d. Le joint 16 et le bloc 17 forment une barrière thermique destinée à isoler thermiquement la structure froide de la face externe du panneau 11 recevant le flux thermique. Le joint 16 permet en outre de protéger les organes de fixation, et en particulier la tête de vis présente au niveau des bases de fixation des pattes, à la fois du flux thermique et du flux chaud ("sneak flow"). La figure 6 illustre un système de protection thermique 20 (TPS) formé d'une pluralité de dispositifs de protection thermique 10 décrits ci- avant dans les figures 4A, 4B et 5. Les dispositifs 10 sont fixés sur une structure froide 30 à protéger, telle que la paroi d'un véhicule de rentrée atmosphérique, via des pontets 31 solidaires de la structure. Plus précisément, comme illustré sur la figure 7, chaque base de fixation des pattes, ici la base de fixation 132a de la patte 13a, est fixée sur un pontet 31 solidaire de la structure froide 30 au moyen d'un organe de fixation 40 comprenant une vis 41 logée dans l'orifice 133a et un écrou 42, une rondelle 43 en matériau isolant thermiquement étant placée entre la base de fixation 132a et le pontet 31. Le montage ou le démontage du dispositif de protection thermique 10 est réalisé en faisant passer un outil de serrage/desserrage 45 au travers de l'ouverture 141 de la jupe 14 jusqu'à la tête 41a de la vis 41. Tel qu'illustré sur la figure 8, après montage des dispositifs de protection thermique 10, il subsiste des interstices I entre les panneaux 11 de deux dispositifs adjacents. La figure 8 montre l'effet produit par la jupe 14, lorsqu'un flux thermique FHT s'écoule le long de l'écran du système 20 formé par les panneaux 11. Comme expliqué précédemment, une partie PFHT de ce flux peut alors s'infiltrer sous les panneaux par les interstices I et créer un flux chaud ("sneak-flow"). Avec les dispositifs de protection thermique de l'invention, le jeu entre deux jupes 14 de deux dispositifs de protection thermique adjacents est sensiblement le même qu'entre les panneaux de ces dispositifs. Par conséquent, l'obstacle à franchir par le flux thermique qui s'infiltre entre les panneaux adjacents est plus important qu'avec des dispositifs ne comprenant pas de telles jupes. Ainsi, la partie PFHT du flux thermique qui s'infiltre sous les panneaux 11 est bloquée par les jupes 14 qui forment un obstacle entre les panneaux 11 et la structure froide 30. Le flux chaud ("sneak-flow") Fcf issu des infiltrations du flux thermique sous les panneaux circule alors dans les espaces de canalisation 15 présents entre la face interne 11f des panneaux 11 et les jupes 14, c'est-à-dire à une distance suffisamment éloignée de la structure froide pour minimiser de façon significative l'apport de chaleur à la structure froide.

En outre, la présence de jupes sur les dispositifs de protection thermique de l'invention permet de réduire l'exposition des têtes de vis des organes de fixation au flux thermique. Le dispositif de protection thermique de l'invention peut être formé en un des matériaux composites à matrice céramique (CMC) suivants : composite C/SiC (renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de silicium), composite C/C-SiC (renfort en fibres de carbone et matrice comprenant une phase carbone, généralement au plus près des fibres, et une phase carbure de silicium), composite SiC/SiC (fibres de renfort et matrice en carbure de silicium), et composite oxyde/oxyde. Dans le cadre de la présente invention, le dispositif est réalisé de préférence en matériau C/SiC. Le dispositif de protection thermique peut également être formé en métal réfractaire et, plus généralement, en tout type de matériau (par exemple thermoplastique) apte à résister aux températures d'utilisation prévues. Pour fabriquer le dispositif de protection thermique de la présente invention en matériau CMC, on réalise une préforme fibreuse en fibres réfractaires (carbone ou céramique) ayant sensiblement la forme du dispositif à réaliser. La préforme fibreuse constituant le renfort d'un dispositif de protection thermique en CMC est réalisée à partir d'éléments constitutifs de la préforme en texture fibreuse, lesquels éléments sont assemblés entre eux et conformés sur un élément d'outillage pour constituer une préforme complète de dispositif de protection thermique.

La préforme complète peut, par exemple, être constituée par assemblage de trois éléments en texture fibreuse correspondant respectivement au panneau, à la paroi de raidissement avec pattes de fixation intégrées et à la jupe. La liaison entre les éléments constitutifs de la préforme complète peut être réalisée par couture, par implantation de fils, d'aiguilles ou d'épingles, ou encore par collage, la liaison étant complétée par codensification des éléments constitutifs de la préforme fibreuse après leur assemblage. Cette préforme est ensuite densifiée, de façon bien connue, par voie liquide et/ou gazeuse.

La densification par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur du matériau de la matrice. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La transformation du précurseur en céramique est réalisée par traitement thermique, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère. Plusieurs cycles d'imprégnation successifs peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques, tandis que des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS). Le procédé par voie gazeuse consiste dans l'infiltration chimique en phase vapeur. La préforme fibreuse correspondant à la structure à réaliser est placée dans un four dans lequel est admise une phase gazeuse réactionnelle. La pression et la température régnant dans le four et la composition de la phase gazeuse sont choisies de manière à permettre la diffusion de la phase gazeuse au sein de la porosité de la préforme pour y former la matrice par dépôt, au contact des fibres, d'un matériau solide résultant d'une décomposition d'un constituant de la phase gazeuse ou d'une réaction entre plusieurs constituants. A titre d'exemple, des précurseurs gazeux du carbone peuvent être des hydrocarbures tels que méthane et/ou propane donnant le carbone par craquage, et un précurseur gazeux de céramique, notamment de SiC, peut être du méthyltrichlorosilane (MTS) donnant du SiC par décomposition du MTS. Il existe également des procédés mixtes comprenant à la fois des voies liquides et des voies gazeuses. Avant densification, la préforme peut être consolidée par densification partielle par une matrice de consolidation afin de lui conférer une tenue de sa mise en forme. La jupe selon l'invention s'intègre très facilement aux dispositifs de protection thermique existants et ne modifie que très peu leur géométrie.

Par conséquent, la jupe ne perturbe pas les fonctions des dispositifs décrites ci-avant (écran réflecteur, aérodynamique, etc.). En outre, l'ajout d'une jupe conformément à l'invention a un très faible impact sur la masse globale du dispositif, ce qui est un critère important en particulier dans le domaine spatial.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de protection thermique (10) destiné à être monté sur une structure à protéger (30), ledit dispositif comprenant un panneau (11) apte à recevoir sur sa face externe (11e) un flux thermique, le panneau (11) étant muni d'une paroi de raidissement (12) qui s'étend perpendiculairement à partir de la face interne (11f) dudit panneau, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une jupe (14) qui s'étend vers l'extérieur à partir de la paroi de raidissement (12) et dont les bords (14a-14d) sont sensiblement alignés avec les bords (11a-11d) du panneau (11) de manière à délimiter un espace de canalisation (15) entre la face interne du panneau et ladite jupe.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jupe comporte une ou plusieurs fentes (145).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi de raidissement (12) est prolongée par des pattes de fixation (13a-13d), chaque patte comportant au moins un orifice de logement (133a- 133d) d'un élément (41) d'un organe de fixation (40), et en ce que la jupe (14) comporte au moins une ouverture (141- 144) à proximité de chaque orifice de logement.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque patte de fixation (13a-13d) comprend une lumière (134a-134d) ménagée au-dessus de chaque orifice de logement (133a-133d) d'un élément d'organe de fixation.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est réalisé en matériau composite à matrice céramique.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en matériau composite à renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de silicium.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un joint (16) disposé dans l'espace de canalisation (15).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bloc en matériau isolant thermiquement (17) disposé dans un espace interne à la paroi de raidissement (12).
9. Système de protection thermique (20) destiné à protéger une structure (30), caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs de protection thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 8, lesdits dispositifs étant disposés adjacents les uns avec les autres.
10. Véhicule de rentrée atmosphérique comprenant au moins une structure à protéger (30) contre un flux thermique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système de protection thermique (20) selon la revendication 9, ledit système étant monté sur la structure à protéger.