FR3017615A1 - Chargements de propergol solide optimises pour limiter les instabilites thermo-acoustiques ; moteurs de fusee associes - Google Patents

Description

La présente invention a pour objet des chargements de propergol solide et les moteurs associés. La présente invention se situe dans le domaine technique de la propulsion à propergol solide et concerne plus précisément des 5 chargements présentant des géométries caractéristiques - chargements de forme extérieure essentiellement cylindrique, à canal central cylindrique, monolithiques (non segmentés), de grande taille, présentant un rapport d'allongement (longueur/diamètre) modéré - convenant pour lanceurs spatiaux (accélérateurs ou étages de lanceur) et missiles 10 stratégiques. Des chargements présentant de telles géométries sont d'ores et déjà présents dans les moteurs du lanceur Vega et sont préconisés pour les moteurs du futur lanceur d'Ariane 6. La présente invention propose un perfectionnement à ce type de chargements. 15 Les dimensions de ces chargements sont donc importantes (longueur de l'ordre de 15 m ; diamètre de l'ordre de 3 m). Leur masse est comprise entre plusieurs tonnes et quelques centaines de tonnes. Leur durée de fonctionnement est de l'ordre de quelques dizaines de secondes à quelques minutes. 20 Les propergols solides en cause sont des propergols composites à liant inerte du type polyuréthanne et contiennent des charges de perchlorate d'ammonium (charge oxydante) et d'aluminium (charge réductrice). Les ratios en masse de ces ingrédients sont généralement de l'ordre de 70 % pour le perchlorate d'ammonium, 20 % pour l'aluminium 25 et 10 % pour le liant. La vitesse de combustion d'un propergol solide dépend de la pression P régnant dans la chambre de combustion et suit classiquement une loi (dite loi de Vieille) exprimée sous la forme : Vc= aPn. 30 Ladite vitesse de combustion Vc et l'exposant de pression n du propergol sont des paramètres fondamentaux pour le réglage balistique d'un moteur à propergol solide (durée de combustion, poussée, stabilité de combustion...). Ils déterminent à tout instant de tir le point de fonctionnement stationnaire du moteur.

L'homme du métier sait choisir les granulométries des charges d'un propergol solide pour contrôler les niveaux de vitesse de combustion dudit propergol. Les valeurs standard des paramètres balistiques pour les applications propulsives concernées par la présente invention (voir ci- dessus), utilisant des propergols composites aluminisés à liant polyuréthanne, sont une vitesse de combustion Vc de quelques mm/s à 20 mm/s et un exposant de pression n = 0,2 à 0,5, dans une plage de pression de fonctionnement de 3 à 15 MPa.

Les chargements et moteurs de l'invention (présentant donc les caractéristiques de géométrie précisées ci-dessus) ont été optimisés en référence à la stabilité de fonctionnement desdits moteurs (on entend par « moteur stable » un moteur n'exhibant au cours de son fonctionnement en phase régime que des oscillations de pression d'amplitudes inférieures à 10 mbar, et par « moteur quasi-stable » un moteur n'exhibant au cours de son fonctionnement en phase régime que des oscillations de pression d'amplitudes inférieures à 30 mbar), en référence, en fait, au problème technique des instabilités de combustion de type thermo-acoustique (ITHAC). Ce type d'instabilité est en effet celui à prendre en compte dans le contexte de la présente invention (voir ci-après). L'homme du métier a d'ores et déjà compris que l'invention s'inscrit dans un domaine technique voisin de celui des chargements et moteurs du type de ceux de la fusée Ariane 5 ou de la navette spatiale américaine, domaine technique voisin mais différent. En effet, ledit homme du métier n'ignore pas a) que les chargements et moteurs du type de ceux de la fusée Ariane 5 ou de la navette spatiale américaine sont des chargements et moteurs segmentés, qui présentent des rapports d'allongements élevés (plus élevés que ceux des chargements et moteurs de la présente invention) et b) qu'avec ce type de chargements, les instabilités de moteurs sont essentiellement des instabilités hydrodynamiques (voir ci-après). Pour ce qui concerne ces chargements, segmentés, présentant des rapports d'allongement élevés et les problèmes rencontrés lors de leur utilisation (instabilités hydrodynamiques interagissant avec les particules d'alumine générées par la combustion, particules d'alumine qui peuvent renforcer les amplitudes de vibration), on peut se référer à l'enseignement de la demande WO 2011/001107.

De manière générale, lors du fonctionnement d'un moteur à propergol solide, sous certaines conditions physiques, des instabilités, autour du point de fonctionnement, peuvent apparaître, instabilités que l'on cherche à éviter dans la mesure du possible. La littérature sur ce sujet 5 est très riche. Lesdites instabilités résultent d'un couplage entre l'acoustique de la chambre de combustion du moteur et une source d'excitation. En fonction de la nature de cette source d'excitation, lesdites instabilités sont classées en deux grands types : les instabilités dites hydrodynamiques, liées à un écoulement instable des gaz de combustion 10 dans la chambre de combustion du moteur, et les instabilités de combustion, liées aux phénomènes de combustion du propergol. La présente invention, de par le type de chargement et moteur concerné, s'intéresse à cette deuxième catégorie d'instabilités (voir ci-dessous). On a proposé par le passé, pour réduire les différentes 15 instabilités et leurs effets, des moyens divers. Tous ces moyens sont en fait pénalisants. On a par exemple proposé d'introduire sur un lanceur des systèmes amortissants entre le moteur et la charge utile. Ceci augmente la masse inerte embarquée et a donc un impact sur la masse maximale qui peut être satellisée. 20 Les instabilités hydrodynamiques sont inhérentes à la géométrie interne des moteurs à propergol solide (confluence de jets, accidents géométriques ou éléments protubérants et/ou vibrants dans l'écoulement...). Elles se traduisent par la présence de grosses structures tourbillonnaires dans l'écoulement des gaz, qui se couplent à l'acoustique 25 de la chambre du moteur. De tels phénomènes entraînent des vibrations mécaniques susceptibles d'être transmises à la charge utile d'un lanceur. On cherche toujours à réduire ces phénomènes afin de préserver le confort de ladite charge utile. Des instabilités de ce type (instabilités hydrodynamiques) sont 30 présentes dans les lanceurs de la fusée Ariane 5, en raison de la conception de leurs moteurs (de la géométrie de leurs chargements. Lesdits chargements présentent par ailleurs une composition de propergol du type de celle indiquée dans le tableau 1 ci-après sous la référence 1 (réf.1)) 35 Dans le cadre de projets de développement d'un futur lanceur ou missile, les demandeurs ont développé une méthodologie pour réduire les instabilités à la source, dès la conception du moteur. Ils savent désormais choisir des géométries de chargement qui permettent de minimiser, voire d'éviter, les différentes sources d'instabilités hydrodynamiques, et qui entrainent donc une très forte réduction des ambiances vibratoires dues à ce type d'instabilités. Ces géométries sont monolithiques, avec un rapport d'allongement modéré. Les chargements préconisés (conventionnellement de forme extérieure essentiellement cylindrique, à canal central cylindrique) sont donc monolithiques, avec un rapport d'allongement modéré (voir ci-dessus).

Des chargements présentant cette géométrie ont d'ores et déjà été utilisés dans les moteurs du lanceur Vega. Ils renferment une charge oxydante de perchlorate d'ammonium qui se répartit selon deux distributions granulométriques monomodales et une charge réductrice d'aluminium, relativement grosse, selon une unique distribution monomodale (voir la composition réf. 2 du tableau 1 ci-après). Leur composition reste du type de celle des chargements utilisés pour la fusée Ariane 5 (voir les compositions des réf. 1 (Ariane 5) et réf.2 (Vega) du tableau 1 ci-après)). Les instabilités susceptibles de poser de réels problèmes dans les moteurs monolithiques de grande taille à rapport d'allongement modéré, sont donc des instabilités de combustion. Compte-tenu de la taille desdits moteurs, les seules instabilités (de combustion) susceptibles d'apparaitre et d'être néfastes sont en fait des instabilités dites thermoacoustiques (ITHAC), dues au couplage entre l'acoustique dans la chambre de combustion du moteur et le phénomène de combustion distribuée de l'aluminium (charge réductrice). On note incidemment ici que lesdites instabilités paraissent d'autant plus critiques qu'elles ne sont pas, en l'absence de fortes instabilités hydrodynamiques (des structures tourbillonnaires mentionnées ci-dessus), masquées par ces dernières. A propos de la combustion distribuée de l'aluminium et de l'ITHAC, on propose ci-après quelques explications. L'aluminium est introduit dans les propergols solides composites à des fins énergétiques. L'aluminium se présente sous la forme de grains, plus ou moins sphériques, de diamètre médian généralement compris entre 1 et 50 dam. La combustion d'une goutte d'aluminium, expulsée de la surface en combustion, est schématisée sur la figure 1 annexée. Une 3 0 1 76 15 5 flamme entoure la goutte d'aluminium et une calotte d'alumine est formée. Les études menées sur la combustion de ces propergols aluminisés (la figure 2 explicite, sous forme graphique, les phénomènes mis en jeu (pour plus de détails, voir, par exemple, « Distributed 5 combustion in solid propellants » - M.W. Beckstead and K.P. Brooks - Brigham Young University - Mai 1993 (Pentagon Report AD-A265 727))) montrent que les particules d'aluminium qui s'échappent de la surface du propergol (en combustion) sont susceptibles de s'agglomérer pour former des gouttes d'une taille bien supérieure à celle de l'aluminium introduit. Le 10 reste quitte la surface sans s'agglomérer. Les gouttes liquides d'aluminium injectées dans l'écoulement sont donc de taille variable : on parle de distribution de tailles. Selon leur taille, et en fonction des conditions aérodynamiques, thermiques et chimiques, ces gouttes vont brûler sur une distance plus ou moins grande, 15 mesurée à partir de la surface du propergol (en combustion). Contrairement aux autres produits de combustion gazeux, qui brûlent sur des distances de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres, les gouttes d'aluminium brûlent ainsi sur des distances de l'ordre de quelques dizaines de millimètres. On parle de « combustion 20 distribuée en volume » de l'aluminium. Cette combustion distribuée de l'aluminium est susceptible, sous certaines conditions, d'interagir avec, essentiellement, une composante du champ acoustique de la chambre de combustion du moteur : la couche limite acoustique (CLA), pour induire des phénomènes vibratoires. Ce 25 phénomène de couche limite acoustique est représenté sur la figure 3 annexée. Il est bien connu de l'homme du métier. Il est lié à l'injection radiale des gaz dans les moteurs à canal central. Des fluctuations de vitesse acoustique apparaissent donc au niveau de la paroi du propergol et engendrent, avec les particules d'aluminium, dans tout le moteur, 30 lesdites instabilités thermo-acoustiques (ITHAC). L'ITHAC est donc liée, en grande partie, au couplage combustion/CLA, en raison d'un déphasage de vitesse entre les gaz de combustion et lesdites particules, qui induit une production d'énergie fluctuante. L'ITHAC est intimement liée à la taille desdites particules d'aluminium et à leur concentration dans la zone 35 d'interaction avec la CLA. On peut, à ce propos, considérer « Aluminum combustion driven instabilities in solid rocket motors », par S. Gallier et F. Godfroy, dans le Journal of Propulsion and Power, 25(2) p 509-521, 2009. Les Demandeurs ont ainsi montré, par des études théoriques et des simulations, sur un moteur monolithique à rapport d'allongement modéré (moteur P80 du lanceur VEGA), et ce avant même le premier essai dudit moteur au banc de tir, qu'un phénomène d'ITHAC expliquait en grande partie le comportement vibratoire dudit moteur ; comportement qui a ensuite été observé et mesuré. Dans le cadre de travaux de recherches pour mettre au point des moteurs stables, ou quasi-stables, les inventeurs ont recherché des solutions pratiques permettant d'éviter tous les types d'instabilités (hydrodynamiques et de combustion), et en particulier le phénomène d'ITHAC. Ils ont en fait sélectionné des géométries de chargement adéquates (pour minimiser, voire éviter, les instabilités hydrodynamiques) et proposent, en référence au phénomène d'ITHAC demeurant, d'associer auxdites géométries des charges de granulométrie optimisée. Il est du mérite des inventeurs de proposer des chargements de propergol aluminisé pour moteurs monolithiques à allongement modéré, adaptés à l'acoustique desdits moteurs, i.e. optimisés pour éviter les effets de vibration potentiels dus à la combustion distribuée de l'aluminium. Il est du mérite des inventeurs de proposer de tels chargements, ayant toutes les propriétés habituelles souhaitées pour les applications spatiales et stratégiques (performances, propriétés mécaniques,...) et qui permettent, lors de leur utilisation dans les moteurs précités, de s'affranchir du phénomène d'ITHAC. Les inventeurs ont ainsi su sélectionner et associer différentes granulométries d'aluminium et de perchlorate d'ammonium, de sorte que, lors de la combustion du propergol, la distribution des gouttes d'aluminium en combustion soit globalement maîtrisée en vue d'éviter l'ITHAC, pour un moteur monolithique présentant un rapport d'allongement modéré, tout en conservant les valeurs standards des paramètres balistiques (vitesse de combustion (Vc), exposant de pression (n), ...) pour une application propulsive spatiale ou stratégique (voir ci-après). Dans la suite du document, l'ensemble des données 35 granulométriques est issu de mesures réalisées au moyen d'un granulomètre optique à corrélation de photons (PCS-DLS : Photons Correlation Spectroscopy-Diffusion Light Scattering), selon un mode opératoire défini par la norme NF 11-666. Les résultats des mesures granulométriques d'une classe granulométrique sont conventionnellement exprimés sous la forme de courbes, donnant : d'une part, l'histogramme des pourcentages volumiques de particules (appelé aussi pourcentages de volume passant) en fonction du diamètre (sphérique équivalent) des particules et, d'autre part, le cumul des pourcentages volumiques de particules en fonction du diamètre (sphérique équivalent) des particules, cumul effectué selon les diamètres croissants. Trois valeurs caractéristiques de l'échantillon analysé sont ainsi généralement relevées sur la courbe cumulée des pourcentages volumiques : D10 : diamètre pour lequel le pourcentage volumique cumulé est égal à 10 % ; D50 : diamètre pour lequel le pourcentage volumique cumulé est égal à 50 % ; D90 : diamètre pour lequel le pourcentage volumique cumulé est égal à 90 %.

On caractérise ainsi généralement une classe granulométrique d'une matière particulaire par son enveloppe granulométrique définie par des valeurs minimum et maximum de D10, D50, D90. Dans le cadre de l'invention, on indique les enveloppes granulométriques (D10, D50 et D90) du perchlorate d'ammonium ; la granulométrie de l'aluminium n'étant, quant à elle, définie que par le diamètre médian (D50). L'homme du métier sait que l'aluminium en les granulométries préconisées (D50 30 pm) n'existe qu'avec des D10 et D90 peu différents desdits D50 ; d'où la non indication desdits D10 et D90 pour l'aluminium.

Selon son premier objet, la présente invention concerne donc des chargements de propergol solide composite. Lesdits chargements de propergol solide composite renferment, de façon conventionnelle, dans un liant inerte réticulé de type polyuréthanne (PU), une charge oxydante de perchlorate d'ammonium (NH4C104=PA) et une charge réductrice d'aluminium (AI). De façon caractéristique, lesdits chargements associent, à une géométrie connue pour minimiser, voire éviter, les instabilités hydrodynamiques, des granulométries de charges (charges oxydantes et réductrices) spécifiques, optimisées pour éviter les effets de vibration potentiels dus à la combustion distribuée de l'aluminium (optimisées en référence aux ITHAC).

De façon caractéristique, les chargements de l'invention associent donc à une géométrie spécifique : lesdits chargements sont des chargements monolithiques, de forme extérieure essentiellement cylindrique, à canal central cylindrique (= cylindrique ou cylindrique présentant une forme finocyl ou étoilée, en l'une de ses extrémités), ledit canal central (cylindrique) présentant un rapport d'allongement (longueur (I)/diamètre (0)) modéré : 1/0 < 7,5, avantageusement < 5 ; des charges de granulométrie spécifique : - ladite charge réductrice d'aluminium présente un diamètre médian (D50) inférieur ou égal à 30 pm ; [avantageusement 1) elle consiste en une unique charge dont la distribution monomodale présente une valeur de diamètre médian (D50) inférieur à 15 pm ou 2) elle se répartit selon les deux distributions monomodales ci-après : une première charge d'aluminium dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de diamètre médian (D50) entre 1 pm et 10 pm, et une seconde charge d'aluminium dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de diamètre médian (D50) entre 15 et 30 pm ; - ladite charge oxydante de perchlorate d'ammonium se répartit selon les trois distributions monomodales précisées ci-après : + une première charge (dite de classe A) dont la distribution 30 granulométrique monomodale présente une valeur de D10 comprise entre 100 pm et 110 pm, une valeur de D50 comprise entre 170 pm et 220 pm et une valeur de D90 comprise entre 315 pm et 340 pm, et + une seconde charge (dite de classe B) dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de D10 comprise entre 35 15 pm et 20 pm, une valeur de D50 comprise entre 60 pm et 120 pm et une valeur de D90 comprise entre 185 pm et 220 pm ; et + une troisième charge (dite de classe C) dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de D10 comprise entre 1,7 pm et 3,6 pm, une valeur de D50 comprise entre 6 pm et 12 pm et une valeur de D90 comprise entre 20 pm et 32 pm.

De façon caractéristique, cette association géométrie/granulométrie se développe dans des compositions du type précisé ci-dessus (PA + Al dans liant PU réticulé) qui renferment, en pourcentages massiques de 40 à 80 % de PA et de 15 à 20 % d'Al (avantageusement de 60 à 75 % de PA et de 16 à 20 % d'Al). Pour des applications où les performances propulsives sont recherchées, on préconise des taux de 20 % d'Al. Les inventeurs, avec ce type de composition, ont donc retenu la géométrie des chargements précisée ci-dessus (chargements monolithiques (non segmentés), de grande taille (on a indiqué ci-dessus une longueur de l'ordre de 15 m), présentant un rapport d'allongement de leur canal (rapport d'allongement (longueur/diamètre) du canal cylindrique ou de sa (grande) partie cylindrique) modéré : 1/0 < 7,5, avantageusement < 5 ), en référence aux instabilités hydrodynamiques (pour minimiser, voire éviter lesdites instabilités hydrodynamiques) et, en référence au phénomène d'ITHAC (pour minimiser, voire éviter, ces instabilités de combustion), ils ont 1) montré que la granulométrie de la charge réductrice (aluminium) et la granulométrie de la charge oxydante (perchlorate d'ammonium) sont deux paramètres de même ordre et 2) identifié des granulométries adéquates, qui en combinaison, ont conduit au résultat recherché (quant à donc la minimisation, voire la suppression, de l'ITHAC). En utilisant conjointement des charges réductrice et oxydante qui présentent les caractéristiques de granulométrie précisées ci-dessus, il a été observé, lors de la combustion, que le phénomène d'agglomération des particules d'aluminium qui s'échappent de la surface de combustion est réduit, voire évité (la présence de particules agglomérées d'un diamètre supérieur à 40 pm (cause des instabilités thermo-acoustiques, pénalisante pour les moteurs envisagés), est ainsi limitée, voire évitée), d'où une combustion distribuée de l'aluminium réduite, voire évitée, d'où les instabilités thermo-acoustiques (ITHAC) limitées, voire évitées. On peut à ce propos considérer les résultats du Tableau 1 ci-après.

Al. La granulométrie de la charge d'aluminium s'est donc révélé un paramètre du même ordre que la granulométrie de la charge oxydante, en référence aux problèmes techniques invoqués ci-dessus (ITHAC). Il convient que les particules d'aluminium présentes dans le chargement (présentes dans la composition du propergol) aient un diamètre médian inférieur ou égal à 30 pm. Généralement, ledit diamètre médian n'est pas inférieur au pm. Il est en fait avantageux que la charge d'aluminium consiste en une unique charge dont la distribution monomodale présente une valeur de diamètre médian (D50) inférieur à 15 pm (D50 < 15 pm) ou qu'elle se répartisse selon les deux distributions monomodales ci-après : une première charge d'aluminium dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de diamètre médian (D50) entre 1 pm et 10 pm, et une seconde charge d'aluminium dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de diamètre médian (D50) entre 15 et 30 pm. On préconise vivement que, dans le cadre de cette seconde variante avantageuse, la première charge d'aluminium (1 pm D50 510 pm) représente, exprimée en pourcentages massiques, de 30 à 70 % en masse de la charge d'aluminium tandis la seconde 20 charge d'aluminium (15 pm D50 5 30 pm) représente de 70 à 30 % en masse de ladite charge d'aluminium. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des mélanges de particules d'aluminium de diamètre médian compris entre 1 et 10 pm et de particules d'aluminium, plus grosses, de diamètre médian compris 25 entre 15 pm et 30 pm (associés donc, selon l'invention, à des perchlorates d'ammonium de classe A, B et C (voir les exemples ci-après, (le tableau 1 ci-après)). PA. Il est du mérite des inventeurs d'avoir identifié les classes 30 granulométriques A, B et C de perchlorate d'ammonium et démontré leur intérêt dans la constitution de la charge oxydante d'un propergol solide composite aluminisé, pour éviter l'ITHAC, dans un moteur monolithique à allongement modéré. Selon une variante avantageuse, la charge oxydante de 35 perchlorate d'ammonium dans la composition comporte, pour 100 % de sa masse, les proportions suivantes des différentes charges dont la granulométrie a été ci-dessus précisée (au moyen de la plage de valeurs de D50) - 40 à 80 % en masse de ladite première charge (classe A), - 5 à 35 % en masse de ladite seconde charge (classe B), - de 1 à 35 % en masse de ladite troisième charge (classe C) ; avantageusement de : - 55 à 72 % en masse de ladite première charge (classe A), - 7 à 30 % en masse de ladite seconde charge (classe B). - de 10 à 30 % en masse de ladite troisième charge (classe C).

Pour ce qui concerne la composition des chargements de propergol de l'invention (contenant de 40 à 80 % en masse d'une charge oxydante de perchlorate d'ammonium et de 15 à 20 % en masse d'une charge réductrice d'aluminium), on peut ajouter ce qui suit.

Le liant inerte réticulé de type polyuréthanne, qui contient les charges, est conventionnellement obtenu par réticulation d'un polymère polyol liquide avec au moins un agent de réticulation (qui intervient généralement en quantité contrôlée : en une quantité telle que le rapport de pontage NCO/OH soit compris entre 0,8 et 1,1 (avantageusement soit égal à 1)). De façon nullement limitative, on peut en fait indiquer que les chargements de l'invention sont généralement préparés par obtention d'une pâte renfermant ses ingrédients constitutifs (charges + précurseur du liant (polymère polyol liquide) + au moins un agent de réticulation + au moins un plastifiant + éventuellement au moins un additif), coulée de ladite pâte obtenue dans au moins un moule et réticulation thermique de ladite pâte coulée au sein dudit au moins un moule ; ladite pâte renfermant généralement : + de 5 à 15 % en masse d'un polymère polyol liquide, + de 40 à 80 % en masse de perchlorate d'ammonium, + de 15 à 20 % en masse d'aluminium, et + pour moins de 5 % en masse : + au moins un agent de réticulation + au moins un plastifiant, et + au moins un additif.

Parmi les ingrédients qui représentent moins de 5 % en masse, la pâte est donc susceptible de renfermer : - au moins un agent de réticulation (généralement liquide) dudit polymère polyol : ledit au moins un agent de réticulation (au moins bifonctionnel) est généralement choisi parmi les polyisocyanates, il consiste de préférence en un polyisocyanate alicyclique. Il consiste avantageusement en le dicyclohexylméthylène diisocyanate (MCDI) ; - au moins un plastifiant : ledit au moins un plastifiant est choisi préférentiellement parmi l'azélate de dioctyle (DOZ), le sébaçate de diisooctyle, le pélargonate d'isodécyle, le polyisobutylène, le phtalate de dioctyle (DOP) ; - au moins un additif : ledit au moins un additif peut notamment consister en un ou plusieurs agents d'adhésion entre le liant et la charge oxydante, comme par exemple l'oxyde de bis(2-méthylaziridinyI)- méthylaminophosphine (méthyl BAPO) ou le triéthylène pentamine acrylonitrile (TEPAN), en un ou plusieurs agents antioxydants issus de ceux de l'industrie du caoutchouc, comme par exemple le ditertiobutylparacrésol (DBC) ou le 2,2'-méthylène-bis(4-méthyl-6-tertiobutylphénol) (MBP5), en un ou plusieurs catalyseurs de réticulation, comme par exemple l'acétylacétonate de fer ou de cuivre, le dibutyldilaurate d'étain (DBTL), en un ou plusieurs catalyseurs de combustion, comme l'oxyde de fer. On note incidemment ici que la liste des ingrédients donnée ci-dessus n'est pas exhaustive. Ainsi, il n'est pas exclu qu'une autre charge énergétique soit introduite dans la pâte et se retrouve donc dans la composition du chargement de propergol solide composite de l'invention. On a compris que tous les ingrédients identifiés ci-dessus se retrouvent ou sont susceptibles de se retrouver dans ladite composition du chargement de propergol solide composite de l'invention (à l'identique ou légèrement modifiés (la réticulation impliquant la réaction du polymère polyol avec le au moins un agent de réticulation présent dans la pâte) ; « en les quantités indiquées » (le polymère réticulé correspondant au polymère utilisé et au au moins un agent de réticulation utilisé). Les chargements de propergol solide composite - à liant 35 polyuréthanne chargé en perchlorate d'ammonium et en aluminium - de l'invention sont particulièrement intéressants, notamment si l'on considère les résidus de combustion qu'ils génèrent. Pour étudier lesdits résidus de combustion, on a procédé de façon conventionnelle. Les résidus de combustion des chargements de l'invention (du propergol les constituant) ont été récupérés, de façon conventionnelle, au moyen d'un équipement, reconnu par la communauté internationale, nommé "piège rotatif' ou "Quench Particle Combustion Bomb". La distribution granulométrique, en volume, des particules récupérées a ensuite été mesurée, de façon conventionnelle, au moyen d'un granulomètre optique à corrélation de photons. Le diamètre (équivalent sphérique) de ces résidus de combustion a été mesuré au moyen d'un granulomètre optique à corrélation de photons, dont l'exploitation numérique donne lieu à l'identification des populations élémentaires qui composent l'ensemble des particules captées. Ainsi, on cherche à relier chaque variation de la courbe granulométrique du volume passant (ou courbe cumulée) à la présence d'une population distincte (petites, moyennes ou grosses particules) qui est caractérisée par un diamètre de mode. L'objectif est ainsi de définir la population représentant les plus grosses particules. Généralement l'identification de trois ou quatre populations élémentaires suffit à décrire et à approcher correctement la mesure granulométrique cumulée. Par dérivation de la courbe cumulée de l'ensemble des particules, on obtient la fonction densité de probabilité qui permet de mieux identifier les variations de la courbe dues aux diverses populations. La répartition granulométrique de chaque population élémentaire peut alors être approximée par une loi log-normale grâce à une méthode de minimisation au sens des moindres carrés. L'avantage de cette exploitation est de pouvoir identifier la population représentant les plus grosses particules en termes en diamètre de mode et de taux volumique (par rapport à l'ensemble des particules captées lors de la mesure granulométrique). Le risque d'apparition de l'ITHAC au regard de la présence de ces particules lors de la combustion du propergol peut alors être étudié par la simulation numérique à partir de l'exploitation des mesures granulométriques.35 La combustion des chargements de l'invention (du propergol les constituant) génère 1) entre 80 et 99 %, voire entre 85 et 99 %, en volume de résidus de combustion dont le diamètre (équivalent sphérique) est inférieur à 10 pm, ainsi que 2) un volume de résidus de combustion, dont le diamètre (équivalent sphérique) est de 40 pm ou plus, inférieur à 5 % en volume. En cela, lesdits chargements sont particulièrement intéressants. Les chargements de propergol solide de l'invention ont par ailleurs généralement des vitesses de combustion comprises entre 7 mm/s et 20 mm/s et des exposants de pression compris entre 0,2 et 0,5, sur une plage de pression de fonctionnement de 3 à 15 MPa, ce qui correspond aux valeurs standard des paramètres balistiques. Les propergols solides constitutifs des chargements de l'invention produisent, lors de leur combustion et dans la zone d'interaction propice à l'apparition de I'ITHAC, des concentrations plus fortes de particules de plus petites dimensions que celles produites par la combustion de propergol de même type de l'art antérieur. Le pourcentage du volume total (passant) correspondant à des particules de diamètre (équivalent sphérique) inférieur à 10 pm est donc supérieur à 80 %, généralement compris entre 85 et 99 °/(:), pour les chargements de l'invention (voir ci-dessus), bien supérieur à celui des propergols de référence de l'art antérieur (- 70 °h). Le volume de particules de diamètre supérieur ou égal à 40 dam est très réduit, inférieur à 5 % (voir ci-dessus), alors qu'il est supérieur à 18 % pour l'un des propergols de référence (voir le tableau 1 ci-après). On rappelle, à toutes fins utiles, que les inventeurs proposent donc une association spécifique : géométrie de chargement et granulométrie des charges réductrices et oxydantes du propergol (de composition adéquate) constituant ledit chargement, association spécifique qui assure la (quasi) stabilité des moteurs (de fusée) fonctionnant avec lesdits chargements. Les propergols aluminisés qui permettent d'éviter, dans un moteur monolithique à allongement modéré (i.e. utilisés comme propergols constitutifs de chargements de géométrie adéquate), le phénomène d'ITHAC, ont été qualifiés, par lesdits inventeurs, (en référence audit moteur) de propergols ZEN.

On a compris que la propriété pour un propergol aluminisé d'être ZEN n'est pas une propriété intrinsèque du matériau énergétique constituant ledit propergol. C'est une propriété de ce propergol en lien avec le moteur dans lequel il est introduit et la taille de ce moteur. C'est une propriété des chargements (adaptés audit moteur) dont il est le propergol constitutif. La présente invention propose donc des propergols ZEN pour des moteurs monolithiques de grande taille à allongement modéré ; la présente invention propose des chargements de géométrie adéquate, de composition adéquate avec des charges de granulométrie adéquate, en particulier des chargements de propergol ZEN pour les applications Ariane 6. Notons incidemment ici que l'invention peut tout à fait s'analyser comme une invention d'utilisation : utilisation d'un propergol, tel que décrit ci-dessus (plus particulièrement caractérisé par la granulométrie de ses charges) comme propergol constitutif de chargements monolithiques (non segmentés), tels que décrits ci-dessus, pour diminuer, voire éviter, les instabilités de combustion (tout particulièrement les instabilités thermo-acoustiques (ITHAC)).

L'invention est maintenant décrite, de façon nullement limitative, en référence aux figures annexées et aux exemples ci-après. La figure 1 montre un schéma de la combustion d'une goutte d'aluminium. La figure 2 illustre les phénomènes produisant les différentes 25 granulométries de résidus de combustion générés lors de la combustion d'un propergol solide. La figure 3 représente le phénomène de couche limite acoustique que l'on peut avoir dans un moteur à canal central. La figure 4 représente la courbe granulométrique en volume 30 passant cumulé et la courbe de variation des diverses populations granulométriques (pdf mesuré) des résidus de combustion (résultats de l'exemple 1). Sur la figure 1, on a référencé : en 1, le propergol solide, en 2, la surface de combustion dudit propergol solide, en 3, une goutte 35 d'aluminium en combustion, en 4, la calotte d'alumine au bas de ladite goutte 3, en 5, la flamme et en 6, le panache de fumées.

Sur la figure 2, on retrouve en 1 le propergol solide, en 2 sa surface de combustion, en 3 des gouttes d'aluminium, en 4 la calotte d'alumine au bas de gouttes 3 en combustion. Sur ladite figure 2, on a montré en 3' une goutte d'aluminium aggloméré, en 7 des fumées chargées en petites particules (diamètre d'environ 1 pm) et en 8 et 8' des particules d'oxydes résiduels (diamètre d'environ 0,5 - 4 pm et 40 - 100 pm, respectivement). Sur la figure 3, qui montre, de façon très schématique, le phénomène de CLA dans un moteur, on trouve une des composantes du phénomène d'ITHAC : les fluctuations de vitesses acoustiques qui se développent en proche paroi du propergol, et qui interagissent avec la combustion distribuée de l'aluminium. Ces fluctuations de vitesse forment une courbe d'aspect très spécifique, avec des fluctuations nulles à la paroi propergol, puis une alternance de pics et de minima.

Sur la figure 4, on trouve l'exploitation en densité de probabilité (pdf) et la reconstruction pour connaître le diamètre de mode des particules émises lors de la combustion. On s'intéresse en particulier au diamètre > 40 pm, qui sont pénalisants pour les moteurs envisagés dans l'invention.

On se propose maintenant d'illustrer l'invention par les exemples (exemples de formulation) ci-après. Lesdits exemples montrent l'optimisation au niveau de la composition et de la granulométrie du propergol, en référence à la combustion de l'aluminium, en référence donc au phénomène d'ITHAC. Pour ce qui concerne les instabilités hydrodynamiques, on rappelle qu'elles sont réduites, voire évitées, par la géométrie du chargement de propergol. Le tableau 1 ci-après donne les pourcentages massiques des constituants (PA, Al) de propergols solides, les propriétés balistiques desdits propergols (vitesse de combustion (Vc) et exposant de pression (n)), les granulométries des résidus produits lors de la combustion desdits propergols (granulométrie des particules d'A1203, directement liées à celles de l'Al qui s'échappe de la surface de combustion) ainsi que le diamètre de mode. Ces mêmes données sont indiquées pour deux propergols de référence.

Les propergols solides du tableau 1 sont des propergols solides composites à liant polyuréthanne et contiennent une charge oxydante de perchlorate d'ammonium (PA) et une charge d'aluminium (AI). Les propergols de référence ont une composition classique. Ils sont du type de ceux utilisés pour les applications spatiales, respectivement pour la fusée Ariane 5 (réf. 1) et le lanceur Véga (réf. 2). Les propergols solides selon les exemples 1 à 7 (convenant pour des chargements de l'invention) présentent des vitesses de combustion et des exposants de pression mesurés à 8 MPa dans les gammes attendues pour le domaine d'application ciblée. Le diamètre médian (D50) des charges d'aluminium référencées dans le tableau 1 sont indiquées dans le tableau 2. Les résidus de combustion produits par les propergols solides du tableau 1 ont été récupérés en utilisant une enceinte pressurisée équipée d'un moyen de piégeage, dit "piège rotatif', comme précédemment indiqué. Le tableau 1 présente les valeurs caractéristiques issues du traitement par pdf (en terme de diamètre de mode) des particules produites par la combustion des propergols solides (propergols solides des références, propergols solides des exemples 1 à 7 convenant aux fins de l'invention et propergols solides des exemples comparatifs 8 à 12). Les compositions des propergols solides du tableau 1 sont données par le pourcentage massique de la charge de perchlorate d'ammonium et la constitution de cette charge (classe A/B/C), le pourcentage massique d'aluminium et sa classe granulométrique (précisée dans le tableau 2), le complément à 100 % de la masse étant constitué du polymère polyol polybutadiène hydroxytéléchélique, du réticulant MDCI, du plastifiant DOZ et d'additifs (comme l'oxyde de fer par exemple). Les valeurs indiquées dans la colonne "D pic < 10 pm" du tableau 1 correspondent à la valeur du ou des pics principaux (valeurs maximales) des tailles de résidus de combustion inférieurs à 10 pm. Les valeurs relevées pour "D pic < 10 pm" pour les propergols convenant aux fins de l'invention sont proches de celles des propergols de référence. Par contre, les valeurs de « % de volume passant < 10 pm », ce qui correspond à la concentration desdites particules, sont supérieures à celles des propergols de référence. Les propergols solides des exemples 1 à 7 produisent une quantité plus importante de résidus de combustion de diamètre inférieur à 10 pm, par rapport aux quantités produites par les propergols de référence. Ceci est exprimé, dans le tableau 1, par la valeur du pourcentage de volume (volume passant relevé sur la courbe donnant la fraction volumique cumulée en fonction de la classe de diamètre sphérique équivalent des particules analysées) correspondant aux classes de particules de diamètre inférieur à 10 pm. Tous les propergols des exemples 1 à 7 conduisent à un pourcentage de volume passant correspondant à des particules de diamètre inférieur à 10 pm très supérieur à celui des propergols de référence (traduisant une combustion distribuée de l'aluminium optimisée).

La très faible proportion volumique de grosses particules (diamètre de mode > 40 pm), illustrée dans les deux colonnes de droite du tableau 1, est également caractéristique des propergols retenus pour les chargements de l'invention. On note que le volume capté pour les propergols des chargements de l'invention est très faible comparativement à celui des propergols de référence. On peut relever les résultats particulièrement intéressants de l'exemple 4 du tableau 1. Les exemples comparatifs 8 à 12 font ressortir l'intérêt des paramètres granulométriques déterminés selon l'invention : les particules d'aluminium des exemples comparatifs 8, 9, et 10 sont trop grosses (voir les valeurs des « % de volume passant < 10 pm » « faibles ») ; les particules de PA de l'exemple comparatif 11 ne renferment pas de troisième charge (dite de classe C) (voir la valeur des « % de 25 volume passant < 10 pm » « faible ») ; les particules d'aluminium de l'exemple comparatif 12 sont trop grosses et les particules de PA dudit exemple comparatif 12 ne renferment pas de troisième charge (dite de classe C) (voir la valeur des « % de volume passant < 10 pm » « faible »).

30 Tableau 1 I Taux Taux massique Vc I n D pic D mode massique de 1 d'aluminium I et classe perchlorate 8 MPa <10pm grosses granulo- d'ammonium Volume particul Volu- métrique es me des et mm/s I pm passant à 5MPa parti- répartition <10 pm cules massique cap- des classes I (%) (pm) tées granulo- (%) métriques A/B/C Réf. 18% 68% 9,1 0,35 0,8-1,5 71 55 18 1 (D) (85/0/15) Réf. 19% 69% 2 (D) (79,7/0/20,3) 11,1 0,36 1 70 53 23 Ex. 19 % 69 % 1 (52,6% G + (58/27,5/14,5) 12 0,30 0,36- 89,6 58 3 47,4 % 3) 1,06 Ex. 19 % 69 % 2 (I) (69,5/11,6/18,9) 11 0,35 1,44 85,2 Ex. 20% 68% 3 (G) (64,7/14,7/20,6) 11,9 0,29 0,3-1 89,2 100 2 20% 68% Ex. (50% G I) +50% (64,7/14,7/20,6) 11,9 0,29 1,86 98,6 40 1 4 Ex. 20 % 68 % (E) (64,7/14,7/20,6) 11,4 10,30 1,95 91,1 60 0.5 Ex. 20 % 68 % 6 (H) (70,6/8,8/20,6) 10,4 10,30 1,68 93,2 42 7 Ex. 20 % 68 % 7 (H) (64,7/14,7/20,6) 12 0,30 0,5-1,2 93,9 70 0.2 Ex. 20 % 68 % 8 C (K) (41,2/36,7/22,1) 10,9 10,29 0,8-1,5 75 38 20 Ex. 20 % 68 % 9 C (K) (51,4/11,8/36,8) 10,6 10,46 1,44 68,1 44 21 Ex. 20 % 68 % C (K) (41,2/29,4/29,4) 11,5 0,28 1,24 69,9 47 18 Ex. 20 % 68 % 9,6 10,36 1,26 76,2 60 14 11 C (I) (85/15/0) Ex. (D) 19 °h 11,5 0,36 0,8-1,5 69, 45 23 12 C 69 % 69,5 (59,4/40,6/0) Tableau 2 Diamètres médians des charges d'aluminium utilisées pour les références, les exemples 1 à 7*, et les exemples comparatifs (8 à 12) du tableau 1 D 33,7<D50<42,9 E 4,5<D50<7,3 G 1,5<D50<3 H 3,5<D50<7 I 14,5<D50<16,5 3 15<D50<30 K 45<D50<70 * exprimés en gras5

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Chargement de propergol solide composite renfermant dans un liant inerte réticulé de type polyuréthanne une charge oxydante de 5 perchlorate d'ammonium et une charge réductrice d'aluminium, caractérisé en ce que : - ledit chargement est un chargement monolithique, de forme extérieure essentiellement cylindrique, à canal central cylindrique, ledit canal central 10 cylindrique présentant un rapport d'allongement modéré : 1/0 < 7,5, avantageusement < 5 ; - ladite charge réductrice d'aluminium, représentant de 15 à 20 % en masse de la masse dudit chargement, présente un diamètre médian (D5o) 15 inférieur ou égal à 30 pm ; et - ladite charge oxydante de perchlorate d'ammonium, représentant de 40 à 80 % en masse de la masse dudit chargement, se répartit selon les trois distributions monomodales précisées ci-après : 20 + une première charge dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de D10 comprise entre 100 pm et 110 pm, une valeur de D50 comprise entre 170 pm et 220 pm et une valeur de D90 comprise entre 315 pm et 340 pm, et + une seconde charge dont la distribution granulométrique 25 monomodale présente une valeur de D10 comprise entre 15 pm et 20 pm, une valeur de D50 comprise entre 60 pm et 120 pm et une valeur de D90 comprise entre 185 pm et 220 dam ; et + une troisième charge dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de D10 comprise entre 1,7 pm et 30 3,6 pm, une valeur de D50 comprise entre 6 pm et 12 pm et une valeur de D90 comprise entre 20 pm et 32 pm.
2. 2. Chargement de propergol solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition, renferme, exprimée en 35 pourcentages massiques :- de 60 à 75 %, de la charge oxydante de perchlorate d'ammonium, - de 16 à 20 %, de la charge réductrice d'aluminium.
3. 3. Chargement de propergol solide selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite charge réductrice d'aluminium consiste en une unique charge dont la distribution monomodale présente une valeur de diamètre médian (D50) inférieur à 15 pm.
4. 4. Chargement de propergol solide selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite charge réductrice d'aluminium se répartit selon les deux distributions monomodales ci-après : - une première charge d'aluminium, dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de diamètre médian entre 1 pm et 15 10 pm, et - une seconde charge d'aluminium, dont la distribution granulométrique monomodale présente une valeur de diamètre médian entre 15 et 30 pm.
5. 5. Chargement de propergol solide selon la revendication 4, 20 caractérisé en ce que ladite première charge d'aluminium représente de 30 à 70 % massique de ladite charge réductrice d'aluminium tandis que ladite seconde charge d'aluminium représente de 30 à 70 % massique de ladite charge réductrice d'aluminium. 25
6. 6. Chargement de propergol solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite charge oxydante de perchlorate d'ammonium se répartit selon les trois distributions monomodales ci-après : - 40 à 80 % en masse de ladite première charge, 30 - 5 à 35 % en masse de ladite seconde charge, - de 1 à 35 % en masse de ladite troisième charge; avantageusement : - 55 à 72 % en masse de ladite première charge, - 7 à 30 % en masse de ladite seconde charge, 35 - de 10 à 30 % en masse de ladite troisième charge.
7. 7. Chargement de propergol solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dont la combustion génère entre 80 et 99 %, avantageusement entre 85 et 99 %, en volume de résidus de combustion dont le diamètre est inférieur à 10 pm et un volume de particules de plus de 40 pm de diamètre inférieur à 5 %.
8. 8. Chargement de propergol solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, sur une plage de pression de 10 fonctionnement de 3 à 15 MPa, sa vitesse de combustion est comprise entre 7 mm/s et 20 mm/s et son exposant de pression est compris entre 0,2 et 0,5.
9. 9. Moteur de fusée, caractérisé en ce qu'il comprend un 15 chargement de propergol solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.