FR3019868A1

FR3019868A1 - Butee flexible avec dispositif anti-ecrasement incorporant des elements spheriques

Info

Publication number: FR3019868A1
Application number: FR1453150A
Authority: FR
Inventors: Jacques Pescheux; Michel Daurat
Original assignee: Herakles SA
Current assignee: ArianeGroup SAS
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2015-10-16
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: FR3019868B1

Abstract

Une butée flexible (100) reliant une tuyère (220) et un corps (210) d'un propulseur (200) comprend une structure lamifiée composée d'une pluralité d'armatures rigides (110b-110e) présentant une forme de tronc de sphère, une couche d'un matériau élastiquement déformable (130) étant présente entre les armatures rigides. Des billes (120) sont interposées entre les armatures rigides (110b-110e). Chaque armature comprend des orifices (111) pour maintenir en position les billes (120).

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la réalisation de butées flexibles couramment utilisées dans le domaine de la propulsion pour former des articulations reliant une tuyère au corps d'un propulseur. Comme illustré sur la figure 1, il est courant d'articuler une tuyère 11 d'un propulseur ou moteur-fusée 10 au moyen d'une butée flexible 12 comprenant une structure lamifiée constituée d'une alternance de couches en élastomère 121 et d'armatures rigides 122 réalisées en matériau métallique ou en matériau composite présentant une forme de tronc de sphère. La butée 12 forme ainsi une liaison flexible entre la tuyère 11 et le corps 13 du propulseur de sorte que la tuyère peut être orientée au moyen d'un vérin (non représenté sur la figure 1) disposé entre le corps 13 du propulseur et le divergent 15. La pilotabilité du propulseur dépend de la possibilité d'incliner la tuyère de plusieurs degrés (par rapport à l'axe du propulseur) tout azimut. Le nombre d'alternances couche de matériau élastiquement déformable/armature rigide est directement lié à l'angle maximum d'inclinaison souhaité. En outre d'autoriser un mouvement relatif entre la tuyère et le corps du propulseur, la butée flexible doit résister aux sollicitations mécaniques dues à la pression interne tout en restant étanche et sans 25 opposer un couple de résistance excessif. Le principal problème d'une telle butée flexible vient de l'utilisation de couches en élastomère qui présentent une forte compressibilité, typiquement de plusieurs millimètres, et qui, sous l'effet de la pression interne Pi entraîne une évolution géométrique significative de l'ensemble 30 de la tuyère. Le principal impact de cette variation dimensionnelle sous l'effet de la pression est l'impossibilité d'ajuster finement le jeu Jio entre les surfaces en regard 13a et 11a respectivement du corps 13 du propulseur et de la tuyère 11, les surfaces 13a et 11a étant constituées par des 35 protections thermiques (non représentées sur la figure 1). Ainsi, le jeu 3w déjà important au départ en raison des incertitudes dimensionnelles de la -2 butée, augmente encore avec la pression interne Pi lors du fonctionnement du propulseur, ce qui a pour conséquence de laisser passer le flux thermique entre les surfaces 13a et 11a qui dégrade alors la structure lamifiée de la butée.

Par ailleurs, en raison de l'écrasement de la structure lamifiée, on observe une évolution du couple de basculement (décroissance) en fonction de la pression interne. Si cette baisse du couple de basculement descend en dessous d'une valeur limite, le fonctionnement de la butée n'est plus totalement assuré car celle-ci devient instable. Il est, par conséquent, hautement souhaitable de concevoir des butées avec un couple élevé au départ (i.e. à pression atmosphérique) afin que celui reste satisfaisant lors du fonctionnement du propulseur. Le document US 3 429 622 décrit un propulseur à tuyère orientable mettant en oeuvre une butée flexible qui comprend des billes d'acier noyées dans les couches d'élastomère du lamifié afin de contrôler la compressibilité de la butée. Cependant, le maintien des billes en position dans les couches d'élastomère est difficile à assurer. En effet, après plusieurs orientations de la tuyère, les efforts exercés par les armatures rigides de la butée sur les billes peuvent entraîner un déplacement de certaines des billes par rapport à leur position initiale dans la couche d'élastomère. Un tel déplacement des billes n'est pas souhaitable car il diminue à la fois la résistance à l'écrasement de la butée définie initialement et endommage l'élastomère. En d'autres termes, la stabilité géométrique et le couple de la butée flexible ne peut pas être assuré correctement pendant tout le fonctionnement du propulseur. Objet et description succincte de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une butée flexible comprenant une structure lamifiée composée d'une pluralité d'armatures rigides présentant une forme de tronc de sphère, une couche d'un matériau élastiquement déformable étant présente entre les armatures rigides, caractérisée en ce que des éléments de forme sphérique sont interposés entre les armatures rigides et en ce que chaque armature comprend des moyens pour maintenir en position les éléments de forme sphérique.

Ainsi, en interposant et en maintenant en position des éléments de forme sphérique entre les armatures, la butée flexible de l'invention présente une très bonne résistance à l'écrasement, et ce même après plusieurs orientations de la tuyère. En outre, le maintien en position de chaque élément sphérique étant assuré par les armatures rigides, et non par les couches de matériau élastiquement déformable, les éléments sphériques conservent leur position initiale tout au long du fonctionnement du propulseur. La butée selon l'invention présente, par conséquent, une très bonne stabilité géométrique et un couple de basculement quasi- 1 0 constant. Selon un mode de réalisation de la butée de l'invention, des billes sont interposées entre les armatures rigides, chaque armature comportant une pluralité d'orifices dans lesquels les billes sont maintenues. Selon un aspect particulier de ce mode de réalisation, la position de 15 chaque orifice est décalée d'une armature à l'autre. Cela permet d'avoir une répartition ordonnée des billes sur l'ensemble de la butée et une résistance à l'écrasement uniforme. Selon un autre mode de réalisation de la butée de l'invention, chaque armature rigide comprend des éléments sphériques solidaires de 20 l'armature, chaque élément sphérique dépassant à la fois sur la face interne et la face externe de l'armature rigide. Selon un aspect particulier de ce mode de réalisation, la position de chaque élément sphérique est décalée d'une armature à l'autre. Cela permet d'avoir une répartition ordonnée des billes sur l'ensemble de la 25 butée et une résistance à l'écrasement uniforme. L'invention a également pour objet un propulseur comprenant un corps prolongé par une tuyère, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une butée flexible selon l'invention, ladite butée formant une liaison articulée entre la tuyère et le corps du propulseur. 30 La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication de butée flexible formée d'une structure lamifiée comprenant une pluralité d'armatures rigides intercalées avec des couches en matériau élastiquement déformable, le procédé comprenant la réalisation de plusieurs armatures rigides et l'empilement des armatures les unes sur les 35 autres en intercalant à chaque fois une couche de matériau élastiquement déformable entre les armatures rigides, caractérisé en ce que des éléments de forme sphérique sont interposés entre les armatures rigides, lesdits éléments étant maintenus en position par lesdites armatures rigides. Selon un mode de réalisation du procédé de l'invention, des billes sont interposées entre les armatures rigides, une pluralité d'orifices étant percés dans chaque armature et les billes étant maintenues dans lesdits orifices. Selon un aspect de ce mode de réalisation, la position de chaque orifice est décalée d'une armature à l'autre. Selon un autre mode de réalisation du procédé de l'invention, des éléments sphériques sont formés intégralement dans chaque armature rigide, chaque élément sphérique dépassant à la fois sur la face interne et sur la face externe de l'armature rigide. Selon un aspect de ce mode de réalisation, la position de chaque élément sphérique est décalée d'une armature à l'autre.

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 schématique en coupe d'une partie arrière d'un propulseur équipée d'une butée flexible selon l'art antérieur, la figure 2 est une vue schématique éclatée en perspective montrant l'empilement d'armature rigides lors de la réalisation d'une butée flexible selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue schématique en perspective montrant la réalisation de couches en matériau élastique entre les armatures rigides de la figure 2, les figures 4A et 4B sont des vues schématiques en coupe d'une partie arrière d'un propulseur équipée d'une butée flexible réalisée comme illustré sur les figures 2 et 3, la figure 5 est une vue schématique éclatée en perspective montrant l'empilement d'armature rigides lors de la réalisation d'une butée flexible selon un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 6 est une vue schématique en perspective montrant la réalisation de couches en matériau élastique entre les armatures rigides de la figure 5, les figures 7A et 7B sont des vues schématiques en coupe d'une partie arrière d'un propulseur équipée d'une butée flexible réalisée comme illustré sur les figures 5 et 6. Description détaillée des modes de réalisation de l'invention La figure 2 illustre la réalisation d'une butée flexible 100 conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. La butée flexible 100 est réalisée en empilant les unes sur les autres des armatures rigides 110a à 110k présentant une forme de tronc de sphère et étant réalisées par exemple en matériau métallique ou composite. Les armatures présentent un diamètre décroissant de l'armature 110a à l'armature 110k. Conformément à ce premier mode de réalisation, des orifices 111 sont formés dans chaque armature 110a à 110k. Des billes 120 sont interposées entre les armatures rigides 110. Les billes 120 sont logées dans les orifices 111. L'interposition des billes 120 permet de maintenir un espacement entre les armatures rigides et de couler ou injecter dans cet espacement un matériau élastiquement déformable 140 afin de former entre les armatures 110a à 110k des couches de matériau élastiquement déformable 130 comme montré sur la figure 3. La couche de matériau élastiquement déformable 130a présente sur la face externe 1101 de l'armature 110a de l'empilement et destinée à être collée sur une portion 211 du corps 210 d'un propulseur 200 (figures 4A et 4B) est réalisée par injection du matériau élastiquement déformable 140 entre la face externe 1101 de l'armature et un moule 150. De même, la couche de matériau élastiquement déformable 130b présente sur la face interne 1102 de l'armature 110k de l'empilement et destinée à être collée sur une portion 221 de la tuyère 220 du propulseur 200 (figures 4A et 4B) est réalisée par injection du matériau élastiquement déformable 140 entre la face interne 1102 de l'armature 110k et un moule 160. Comme les billes 120 définissent l'espacement entre les armatures empilées (ou entre les première ou dernière armatures 110a, 110k et les moules 150 et 160), chaque couche de matériau élastiquement 3019 86 8 6 déformable 130 présente une épaisseur Ee qui est déterminée par le diamètre Db des billes. En effet, les billes 120 présentent un diamètre Db supérieur à l'épaisseur de chaque armature 110a à 110k de manière à, une fois logées 5 dans les orifices 111, dépasser à la fois sur la face interne 1101 et sur la face externe 1102 de chaque armature comme illustré sur les figures 4A et 4B. Le diamètre Db des billes 120 est de préférence égal à la somme de l'épaisseur Ea d'une armature et de deux fois l'épaisseur Ee d'une couche en matériau élastiquement déformable (Db = Ea + 2 x Ee). 10 Les billes 120 sont maintenues en positions axiale et radiale entre les armatures 110a et 110k par les orifices 111 dans lesquels elles sont logées. Les armatures 110a à 110k jouent le rôle de cages à billes et permettent de maintenir de manière ordonnée les billes 120 entre les armatures. Par exemple, les billes 112 maintenues dans les orifices 111 de 15 l'armature 110b sont chacune en contact à la fois avec l'armature 110a et l'armature 110c et assure ainsi l'espacement et la résistance à l'écrasement entre les armatures 110a et 110c (figure 4B). Il en est de même avec les billes 112 maintenues dans les autres armatures 110a et 110c à 110k, les billes 112 maintenues par l'armature 110a étant chacune 20 en contact à la fois avec l'armature 110b et la portion 211 du corps 210 du propulseur 200 (figures 4A) tandis que les billes 112 maintenues par l'armature 110k sont chacune en contact à la fois avec l'armature 110j et la portion 221 de la tuyère 220 du propulseur 200. Comme illustrée sur la figure 2, la position des orifices 111 est 25 décalée d'une armature rigide à l'autre dans l'empilement de manière à répartir plus uniformément les billes dans la butée et assurer une meilleure résistance à l'écrasement. Comme illustrée sur les figures 4A et 4B, les orifices 111 sont alignés suivant des axes passant par le centre de rotation CDRioo de la 30 butée 100. La figure 5 illustre la réalisation d'une butée flexible 300 conformément à un autre mode de réalisation de l'invention. La butée flexible 300 est réalisée en empilant les unes sur les autres des armatures rigides 310a à 310k présentant une forme de tronc de sphère et étant 35 réalisées par exemple en matériau métallique ou composite. Les armatures présentent un diamètre décroissant de l'armature 310a à l'armature 310k. Conformément à ce mode de réalisation, des éléments sphériques 311 sont formés dans chaque armature 310a à 310k. Dans le cas d'armatures rigides en matériau métallique, celles-ci peuvent être réalisées par impression 3D afin d'y former de manière intégrale les éléments sphériques 311. Dans le cas d'armatures rigides en matériau composite, celle-ci peuvent être réalisées par moulage afin d'y former de manière intégrale les éléments sphériques 311. L'interposition des éléments sphériques 311 permet de maintenir un espacement entre les armatures et de couler ou injecter dans cet espacement un matériau élastiquement déformable 340 afin de former entre les armatures 310a à 310k des couches de matériau élastiquement déformables 330 comme montré sur la figure 6. La couche de matériau élastiquement déformable 330a présente sur la face externe 3101 de l'armature 310a de l'empilement et destinée à être collée sur une portion 411 du corps 410 d'un propulseur 400 (figures 7A et 7B) est réalisée par injection du matériau élastiquement déformable 340 entre la face externe 3101 de l'armature 310a et un moule 350. De même, la couche de matériau élastiquement déformable 330b présente sur la face interne 3102 de l'armature 310k de l'empilement et destinée à être collée sur une portion 421 de la tuyère 420 du propulseur 400 (figures 7A et 7B) est réalisée par injection du matériau élastiquement déformable 340 entre la face externe 3102 de l'armature 310k et un moule 360. Comme les éléments sphériques 311 définissent l'espacement entre les armatures empilées (ou entre les premières ou dernières armatures 310a, 310k et les moules 350 et 360), chaque couche de matériau élastiquement déformable 330 présente une épaisseur Ee qui est déterminée par la hauteur He des éléments 311. En effet, les éléments 311 présentent une hauteur He supérieure à l'épaisseur de chaque armature 310a à 310k de manière à dépasser à la 30 fois sur la face interne 3101 et sur la face externe 3102 de chaque armature comme illustré sur les figures 7A et 7B. La hauteur He des éléments 311 est de préférence égale à la somme de l'épaisseur Ea d'une armature et de deux fois l'épaisseur Ee d'une couche en matériau élastiquement déformable (He = Ea + 2 x Ee). 35 Les éléments sphériques 311 sont maintenus en positions axiale et radiale entre les armatures 310 du fait qu'ils sont solidaires des armatures.

Par exemple, les éléments sphériques 311 maintenus sur l'armature 310b sont chacun en contact à la fois avec l'armature 310a et l'armature 310c et assure ainsi l'espacement et la résistance à l'écrasement entre les armatures 310a et 310c (figure 7B). Il en est de même avec les éléments sphériques 311 maintenus par les autres armatures 310a et 310c à 310k, les éléments sphériques 311 maintenus par l'armature 310a étant chacun en contact à la fois avec l'armature 310b et la portion 411 du corps 410 du propulseur 400 (figure 7A) tandis que les éléments sphériques 311 maintenues par l'armature 310k sont chacun en contact à la fois avec l'armature 310j et la portion 421 de la tuyère 420 du propulseur 400. Comme illustrée sur la figure 5, la position des éléments sphériques 311 est décalée d'une armature rigide à l'autre dans l'empilement de manière à répartir plus uniformément les billes dans la butée et assurer une meilleure résistance à l'écrasement.

Comme illustrée sur les figures 7A et 7B, les éléments sphériques 311 sont alignés suivant des axes passant par le centre de rotation CDR3oo de la butée 300. Grâce à l'interposition des billes ou de éléments sphériques entre les armatures rigides (et également entre la dernière armature de l'empilement et la portion ainsi qu'entre la première armature de l'empilement et la portion), la butée flexible 100 ou 300 ne peut plus s'écraser au niveau de ses couches en matériau élastiquement déformable, ce qui permet d'assurer la stabilité géométrique de la tuyère avant et pendant le fonctionnement du propulseur. Les billes 120 ou les éléments sphériques 311 empêchant tout écrasement des butées 100 et 300, un jeu 3200 (figure 4A et 4B) ou 3400 (figure 7A et 7B) entre le corps du propulseur et la tuyère peut être choisi faible dès le départ car celui-ci ne varie pas sous l'effet de la pression interne lors du fonctionnement du propulseur.

La fiabilité dimensionnelle des butées 100 et 300 permet également de simplifier les protections thermiques à mettre en place devant la structure lamifiée de la butée. L'interposition des billes ou des éléments sphériques entre les armatures (et également entre la dernière armature de l'empilement et la portion ainsi qu'entre la première armature de l'empilement et la portion) permet encore de simplifier l'outillage habituellement utilisée lors de la réalisation de la structure lamifiée. En effet, les armatures rigides sont habituellement empilées sur un outillage comportant des « peignes » ou éléments d'écartement permettant de calibrer l'épaisseur des couches de matériau élastiquement déformable. Comme expliqué ci-avant, les billes et les éléments sphériques permettent un auto-positionnement des armatures dans l'empilement et, par conséquent, une simplification de l'outillage. Par ailleurs, puisqu'il n'y a plus d'écrasement possible de la butée, il est possible d'utiliser des matériaux élastiquement déformable bien moins onéreux qu'un élastomère pour réaliser les couches de matériau élastiquement déformable. Du silicone pourra par exemple être utilisée à la place d'un élastomère afin de réaliser l'étanchéité de la butée ainsi que la définition et le maintien de la cohérence du couple de basculement de la butée.

En outre, grâce à la maîtrise de la rigidité de la butée et, par conséquent, de la stabilité de celle-ci quelle que soit la pression hydrostatique au cours du fonctionnement du propulseur, la puissance requise pour l'actionnement de la butée est inférieure à celle requise pour une butée ne comprenant pas de moyens anti-écrasement. Il est donc possible de réduire la masse et la consommation des moyens d'actionnernent de la butée flexible (par exemple des vérins). L'introduction d'éléments empêchant l'écrasement de la butée permet d'avoir un couple de basculement quasi constant quelle que soit la pression appliquée sur la butée et d'autoriser ainsi la réalisation d'une butée flexible avec un couple bas dès le départ sans crainte d'instabilité en cours de fonctionnement. Enfin, le blocage des billes 120 par les orifices 111 ou la solidarisation des éléments sphériques 311 sur les armatures rigides 310a à 310k permet d'assurer un maintien en position des billes ou des éléments sphériques, et ce même après plusieurs orientations de la tuyère. On assure ainsi la fiabilité et l'efficacité du système antiécrasement constitué par les billes.

Claims

REVENDICATIONS1. Butée flexible (100) comprenant une structure lamifiée composée d'une pluralité d'armatures rigides (110a-110k) présentant une forme de 5 tronc de sphère, une couche d'un matériau élastiquement déformable (130) étant présente entre les armatures rigides, caractérisée en ce que des éléments de forme sphérique (120) sont interposés entre les armatures rigides (110a-110k) et en ce que chaque armature comprend des moyens (111) pour maintenir en position les 10 éléments de forme sphérique (120).
2. Butée selon la revendication 1, caractérisée en ce que des billes (120) sont interposées entre les armatures rigides (110a-110k) et en ce que chaque armature comporte une pluralité d'orifices (111) dans lesquels 15 les billes (120) sont maintenues.
3. Butée selon la revendication 2, caractérisée en ce que la position de chaque orifice (111) est décalée d'une armature à l'autre. 20
4. Butée selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque armature rigide (310a-310k) comprend des éléments sphériques (311) solidaires de l'armature, chaque élément sphérique (311) dépassant à la fois sur la face interne et la face externe de l'armature rigide. 25
5. Butée selon la revendication 4, caractérisée en ce que la position de chaque élément sphérique (311) est décalée d'une armature à l'autre.
6. Propulseur (200 ; 400) comprenant un corps prolongé (210 ; 410) par une tuyère (220 ; 420), caractérisé en ce qu'il comprend en outre 30 une butée flexible (100 ; 3000) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ladite butée formant une liaison articulée entre la tuyère et le corps du propulseur.
7. Procédé de fabrication de butée flexible (100) formée d'une 35 structure lamifiée comprenant une pluralité d'armatures rigides (110a- 110k) intercalées avec des couches en matériau élastiquement déformable(130), le procédé comprenant la réalisation de plusieurs armatures rigides (110a-110k) et l'empilement des armatures les unes sur les autres en intercalant à chaque fois une couche de matériau élastiquement déformable (130) entre les armatures rigides, caractérisé en ce que des éléments de forme sphérique (120) sont interposés entre les armatures rigides (110a-110k), lesdits éléments étant maintenus en position par lesdites armatures rigides.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que des billes (120) sont interposées entre les armatures rigides (110a-110k) et en ce qu'une pluralité d'orifices (111) sont percés dans chaque armature, les billes étant maintenues dans lesdits orifices.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la position de chaque orifice (111) est décalée d'une armature à l'autre.
10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que des éléments sphériques (311) sont formés intégralement dans chaque armature rigide (310a-310k), chaque élément sphérique (311) dépassant à la fois sur la face interne et la face externe de l'armature rigide.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisée en ce que la position de chaque élément sphérique (311) est décalée d'une armature à l'autre.25