FR3126770A1 - Anneau de découpe pyrotechnique, dispositif de liaison à séparation commandée comprenant celui-ci, et procédés de fabrication de ceux-ci - Google Patents
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Abstract
Un anneau de découpe pyrotechnique (22) comprend une cavité annulaire (42) définie par une gorge annulaire (32) formée dans un corps d’anneau (26) et par une paroi annulaire de fermeture (34) à section de forme concave radialement vers l'extérieur s’étendant autour de la gorge annulaire ; au moins un passage d’initiateur (36) traversant le corps d’anneau et débouchant dans la gorge annulaire ; et un cordeau détonant (28) s’étendant continument sur 360 degrés au sein de la cavité annulaire et présentant une surface radialement externe (30) complémentaire de la paroi annulaire de fermeture et recouverte par cette dernière. La présence d’une zone de retransmission peut être évitée grâce au caractère continu sur 360 degrés du cordeau détonant, rendu possible par la présence d’au moins un passage d’initiateur pouvant être mis à profit pour opérer l’injection, dans la cavité annulaire, de matériau destiné à former le cordeau détonant.
Figure pour l’abrégé : Figure 2
Description
La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de la découpe non étanche de pièces annulaires au moyen d’un cordeau détonant en mettant en œuvre un effet de charge creuse linéaire.
L’invention concerne ainsi un anneau de découpe pyrotechnique et un procédé de fabrication de ce dernier.
L’invention concerne également un dispositif de liaison à séparation commandée mettant en œuvre un tel anneau de découpe pyrotechnique, un engin aéronautique ou spatial comportant un tel dispositif de liaison, et un procédé de fabrication d’un tel dispositif de liaison.
État de la technique antérieure
Il est connu de découper des pièces tubulaires ou annulaires depuis l’intérieur au moyen d’anneaux de découpe pyrotechniques mettant en œuvre un effet de charge creuse. Ce type de technique est notamment utilisé pour la séparation commandée de composants d’engins aéronautiques et spatiaux, par exemple au sein de dispositifs de liaison à séparation commandée qui relient des propulseurs d’appoint à un étage principal de lanceur spatial.
Un tel anneau de découpe comporte un cordeau détonant annulaire présentant une surface radialement externe à section de forme concave radialement vers l'extérieur, généralement en V, recouverte par une feuille de métal de forme semblable. Lors de la détonation, la forme concave du cordeau favorise la génération d’un jet de matière permettant de concentrer l’énergie le long d’une ligne de découpe sur la pièce à découper.
Le cordeau détonant est en général un cordeau diédrique linéaire cintré, monté serré autour d’un corps d’anneau en métal, éventuellement avec interposition d’une couche de colle ou d’élastomère afin d’absorber les tolérances de fabrication du cordeau détonant et du corps d’anneau et de permettre ainsi de garantir la rigidité de la liaison entre le cordeau détonant et le corps d’anneau et l’homogénéité de cette liaison autour de l’axe de l’anneau. Le respect de telles exigences est en effet requis dans certaines applications, par exemple lorsque l’anneau de découpe pyrotechnique est utilisé au sein d’un dispositif de liaison à séparation commandée équipant un lanceur spatial, du fait que l’anneau de découpe doit pouvoir supporter les contraintes dynamiques et thermomécaniques élevées inhérentes à un lancement spatial, sans endommagement du cordeau détonant.
De plus, afin de respecter de telles contraintes tout en rendant possible l’assemblage du cordeau détonant au corps d’anneau, le cordeau détonant est conventionnellement fendu pour pouvoir être déformé au cours de son assemblage au corps d’anneau.
Ces considérations rendent toutefois la fabrication d’un tel anneau de découpe relativement compliquée.
De plus, du fait de la présence d’une telle fente, le cordeau détonant présente une discontinuité susceptible de se traduire, en utilisation, par une zone non découpée par le jet pyrotechnique, dite zone de retransmission, sur la pièce à découper.
Par ailleurs, la ou les zones du cordeau détonant au niveau desquelles s’amorce la détonation du cordeau s’avèrent être également des zones de sous-performance au niveau desquelles la découpe par le jet pyrotechnique ne peut pas toujours être garantie. De telles zones sont typiquement situées en regard de parties terminales d’initiateurs, détonateurs, ou encore lignes de transmission pyrotechniques, destinés à amorcer la détonation du cordeau.
Les zones de retransmission et de sous-performance peuvent représenter jusqu’à 40% de la zone à découper pour une pièce à découper de 100 millimètres de diamètre.
Pour garantir néanmoins une découpe satisfaisante de la pièce à découper, la présence des zones de retransmission et de sous-performance est en général compensée par un surdimensionnement, non souhaitable, des cordeaux détonants en termes de performances explosives.
L’invention a pour objet un anneau de découpe pyrotechnique permettant de remédier au moins en partie à ces problèmes, ainsi qu’un procédé pour le fabriquer.
Elle propose à cet effet un anneau de découpe pyrotechnique, comprenant :
- une cavité annulaire définie par une gorge annulaire formée dans un corps d’anneau, et par une paroi annulaire de fermeture à section de forme concave radialement vers l'extérieur s’étendant autour de la gorge annulaire ;
- au moins un passage d’initiateur traversant le corps d’anneau et débouchant dans la gorge annulaire ; et
- un cordeau détonant s’étendant continument sur 360 degrés au sein de la cavité annulaire et présentant une surface radialement externe à section de forme concave radialement vers l'extérieur complémentaire de la paroi annulaire de fermeture et recouverte par cette dernière.
De manière générale, l’invention permet d’éviter la présence d’une zone de retransmission, grâce au caractère continu sur 360 degrés du cordeau détonant. Ce caractère continu est rendu possible par la présence d’au moins un passage d’initiateur pouvant être mis à profit pour opérer l’injection, dans la cavité annulaire, de matériau destiné à former le cordeau détonant, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit.
Par « passage d’initiateur », il faut comprendre un passage pouvant loger au moins la partie terminale d’un initiateur, d’un détonateur ou d’une ligne de transmission pyrotechnique, c'est-à-dire d’un dispositif apte à amorcer une détonation du cordeau détonant.
Dans des modes de réalisation préférés de l’invention, le cordeau détonant comporte une portion annulaire, et pour le passage d’initiateur ou chaque passage d’initiateur, une excroissance correspondante engagée dans le passage d’initiateur considéré.
Dans des modes de réalisation préférés de l’invention, la paroi annulaire de fermeture est venue de matière avec le corps d’anneau.
L’invention concerne également un dispositif de liaison à séparation commandée, comportant un élément de liaison comprenant un corps tubulaire, un anneau de découpe pyrotechnique du type décrit ci-dessus logé dans le corps tubulaire de l’élément de liaison, et un dispositif initiateur logé dans le passage d’initiateur ou chaque passage d’initiateur de manière à permettre l’initiation du cordeau détonant par le dispositif initiateur ou chaque dispositif initiateur.
L’invention concerne également un engin aéronautique ou spatial, comprenant au moins deux composants reliés l’un à l’autre par au moins un dispositif de liaison à séparation commandée du type décrit ci-dessus.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un anneau de découpe pyrotechnique du type décrit ci-dessus, comprenant les étapes consistant à :
- A) fabriquer le corps d’anneau avec la gorge annulaire et la paroi annulaire de fermeture à section de forme concave radialement vers l'extérieur s’étendant autour de la gorge annulaire, de manière à définir ladite cavité annulaire ; puis
- B) injecter dans la cavité annulaire un matériau détonant à l’état fluide, via le passage d’initiateur ou chaque passage d’initiateur, de manière à obtenir un agencement continu sur 360 degrés dudit matériau détonant ; puis
- C) obtenir le cordeau détonant par durcissement dudit matériau détonant.
Le procédé selon l'invention permet ainsi d’obtenir un anneau de découpe pyrotechnique comportant un cordeau détonant continu sur 360 degrés. De plus, le cordeau détonant formé à l’issue du procédé est rigidement solidaire du corps d’anneau sans qu’il ne soit nécessaire d’interposer une couche de colle ou d’élastomère comme dans le cas des anneaux de découpe de type connu.
Dans des modes de réalisation préférés de l’invention, l’étape A comprend la fabrication du corps d’anneau et de la paroi annulaire de fermeture d’un seul tenant.
De préférence, l’étape A comprend la fabrication du corps d’anneau et de la paroi annulaire de fermeture par une technique de fabrication additive.
Dans des modes de réalisation préférés de l’invention, l’étape B est mise en œuvre de sorte que, pour le passage d’initiateur ou chaque passage d’initiateur, une quantité du matériau détonant demeure dans le passage d’initiateur et constitue, au terme de l’étape C, une excroissance du cordeau détonant.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif de liaison à séparation commandée, comprenant les étapes consistant à :
- I) fabriquer un anneau de découpe pyrotechnique au moyen du procédé du type décrit ci-dessus ;
- II) mettre à disposition un élément de liaison pourvu d’un corps tubulaire ; puis
- III) insérer l’anneau de découpe pyrotechnique dans le corps tubulaire de l’élément de liaison ;
- IV) insérer un dispositif initiateur dans le passage d’initiateur ou chaque passage d’initiateur de l’anneau de découpe pyrotechnique, de manière à permettre l’initiation du cordeau détonant par le dispositif initiateur ou chaque dispositif initiateur.
L’invention sera mieux comprise, et d’autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
Exposé détaillé de modes de réalisation préférés
La illustre une partie d’un engin aéronautique ou spatial tel qu’un lanceur spatial 10, à savoir un étage principal 12 et un propulseur d’appoint 14. Ce dernier est relié rigidement à l’étage principal 12 au moyen de plusieurs dispositifs de liaison à séparation commandée 16.
Chacun de ces dispositifs de liaison 16 comporte un élément de liaison 18 pourvu d’un corps tubulaire 20. L’élément de liaison 18 est par exemple une bielle, un arbre ou un boulon reliant mutuellement deux ferrures 19A, 19B respectivement solidaires de l’étage principal 12 et du propulseur d’appoint 14. Le document EP3519301A1 divulgue des exemples de dispositifs de liaison à séparation commandée mis en œuvre dans un tel contexte.
En référence à la , chaque dispositif de liaison 16 comporte en outre un anneau de découpe pyrotechnique 22 logé dans le corps tubulaire 20 de son élément de liaison 18, et apte à provoquer sur commande une explosion capable de rompre le corps tubulaire 20 selon une découpe annulaire, de manière par exemple à libérer le propulseur d’appoint 14.
Chaque dispositif de liaison 16 comporte en outre un ou plusieurs dispositifs initiateurs 24, par exemple de type opto-pyrotechnique, destinés à déclencher sur commande une telle explosion au niveau de l’anneau de découpe pyrotechnique 22, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit.
Dans l’ensemble de la présente description, la direction axiale X est définie comme étant la direction d’un axe A-A de l’anneau de découpe pyrotechnique 22, qui se confond avec un axe du corps tubulaire 20 en utilisation, et la direction radiale R est définie comme étant en tout point orthogonale à l’axe A-A et comprise dans un plan comprenant l’axe A-A et le point considéré, tandis que la direction circonférentielle ou ortho-radiale C est définie comme étant en tout point orthogonale à l’axe A-A et à un plan comprenant l’axe A-A et le point considéré.
En référence aux figures 3 et 4, l’anneau de découpe pyrotechnique 22 comporte un corps d’anneau 26 de forme générale annulaire, par exemple tubulaire, comportant une cavité annulaire dans laquelle est logé un cordeau détonant 28.
Afin de profiter d’un effet de charge creuse, le cordeau détonant 28 présente une surface radialement externe 30 à section de forme concave radialement vers l'extérieur, par exemple en forme de V.
La cavité annulaire dans laquelle est logé le cordeau détonant 28 est définie du côté radialement interne par une gorge annulaire 32 formée dans le corps d’anneau 26, et, du côté radialement externe, par une paroi annulaire de fermeture 34 fermant la gorge annulaire 32. Dans l’exemple illustré, la paroi annulaire de fermeture 34 fait aussi intégralement partie du corps d’anneau 26, mais cette paroi peut être rapportée sur le corps d’anneau 26 en variante, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit.
La paroi annulaire de fermeture 34 est à section de forme concave complémentaire de la surface radialement externe 30 du cordeau détonant et recouvre cette dernière. La paroi annulaire de fermeture 34 ménage ainsi un espace annulaire 35 entre l’anneau de découpe pyrotechnique 22 et une portion annulaire à découper 20A du corps tubulaire 20 de l’élément de liaison 18. Le cordeau détonant 28 et la paroi annulaire de fermeture 34 définissent ainsi une charge creuse.
L’anneau de découpe pyrotechnique 22 comporte en outre un ou plusieurs passages d’initiateurs 36, traversant le corps d’anneau 26 et débouchant dans la gorge annulaire 32. Dans l’exemple illustré, les passages d’initiateurs 36 ( ) sont au nombre de deux et sont diamétralement opposés. Comme le montre la , les passages d’initiateurs 36 sont destinés à recevoir les dispositifs initiateurs 24 de sorte qu’une tête 24A respective de chacun de ces dispositifs soit disposée en regard du cordeau détonant 28.
Le cordeau détonant 28 s’étend continument sur 360 degrés au sein de la cavité annulaire définie par la gorge annulaire 32 et par la paroi annulaire de fermeture 34. Ainsi, le cordeau détonant 28 ne présente pas de discontinuité se traduisant, en utilisation, par une zone non découpée par le jet pyrotechnique au sein de la portion annulaire à découper 20A du corps tubulaire 20 de l’élément de liaison 18.
De plus, le cordeau détonant 28 présente avantageusement des excroissances 38 ( ) faisant saillie respectivement dans chacun des passages d’initiateurs 36 à partir d’une portion annulaire 40 du cordeau détonant. De telles excroissances 38 constituent des zones d’amorçage de la détonation du cordeau détonant 28 par les dispositifs initiateurs 24, et permettent d’éviter que l’amorçage ne se fasse directement en des régions de la portion annulaire 40 du cordeau, comme c’est le cas avec les anneaux de découpe de type connu. La portion annulaire 40 ne présente ainsi aucune zone de sous-performance.
La fabrication de l’anneau de découpe pyrotechnique 22 peut être opérée selon un procédé comprenant les étapes consistant à :
- A) fabriquer le corps d’anneau 26, avec la gorge annulaire 32 et la paroi annulaire de fermeture 34 à section de forme concave radialement vers l'extérieur s’étendant autour de la gorge annulaire 32 de manière à définir la cavité annulaire 42, comme illustré par la
- B) injecter dans la cavité annulaire 42 un matériau détonant 44 à l’état fluide, via le passage d’initiateur ou chaque passage d’initiateur 36 (
- C) obtenir le cordeau détonant 28 (
L’étape A comprend avantageusement la fabrication du corps d’anneau 26 et de la paroi annulaire de fermeture 34 d’un seul tenant. Une manière simple et efficace pour ce faire consiste à fabriquer le corps d’anneau 26 intégrant la paroi annulaire de fermeture 34 au moyen d’une technique de fabrication additive.
En variante, le corps d’anneau 26 et la paroi annulaire de fermeture 34 peuvent être fabriqués séparément, par exemple au moyen d’opérations de tournage et fraisage, et être ensuite fixés l’un à l’autre, par exemple par brasage.
L’étape B ( ) consiste à tirer profit de la présence des passages d’initiateurs 36 pour injecter le matériau détonant 44 à l’état fluide dans la cavité annulaire 42, par ailleurs fermée. La illustre schématiquement un dispositif d’injection 46 utilisé à cet effet, comprenant des cannes d’injection 48 (une canne d’injection pour chaque passage d’initiateur 36) raccordées à un dispositif d’alimentation en matériau détonant sous pression 50.
L’injection du matériau détonant 44 est de préférence opérée jusqu’à ce que la cavité annulaire 42 soit entièrement remplie par le matériau détonant 44, ce qui permet de garantir au mieux l’agencement continu sur 360 degrés du matériau détonant 44, et donc du cordeau détonant 28 obtenu à l’issue de l’étape C, ainsi que l’homogénéité de la liaison entre le cordeau détonant 28 et le corps d’anneau 26.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l’étape B est mise en œuvre de sorte qu’une quantité du matériau détonant 44 pénètre et demeure dans chaque passage d’initiateur 36 et constitue, au terme de l’étape C, une excroissance 38 correspondante du cordeau détonant 28.
À cet effet, les cannes d’injection 48 comportent chacune une tête d’injection 48A disposée en retrait par rapport à la gorge annulaire 32, au sein du passage d’initiateur 36 correspondant, et conformée de manière à délimiter un volume 36A ( ) au sein duquel former l’excroissance 38 correspondante.
En fonction de la nature du matériau détonant 44, le durcissement de ce dernier opéré à l’étape C peut être mis en œuvre à température ambiante ou moyennant un chauffage du matériau par des moyens de chauffage adéquats.
L’anneau de découpe obtenu à l’issue de l’étape C est par exemple tel que représenté sur les figures 3 et 4.
Le procédé selon l'invention permet ainsi d’obtenir un cordeau détonant 28 continu sur 360 degrés. De plus, le cordeau détonant 28 formé à l’issue du procédé est rigidement solidaire du corps d’anneau 26 sans qu’il ne soit nécessaire d’interposer une couche de colle ou d’élastomère comme dans le cas des anneaux de découpe de type connu.
Un procédé de fabrication d’un dispositif de liaison à séparation commandée 16 selon l'invention comprend, de manière générale, les étapes consistant à :
- I) fabriquer un anneau de découpe pyrotechnique 22 au moyen du procédé décrit ci-dessus ;
- II) mettre à disposition un élément de liaison 18 pourvu d’un corps tubulaire 20 ;
- III) insérer l’anneau de découpe pyrotechnique 22 dans le corps tubulaire 20 de l’élément de liaison 18 ; et
- IV) insérer un dispositif initiateur 24 dans le passage d’initiateur ou chaque passage d’initiateur 36 de l’anneau de découpe pyrotechnique 22, de manière à permettre l’initiation du cordeau détonant 28 par le dispositif initiateur ou chaque dispositif initiateur 24.
Le dispositif de liaison 16 obtenu à l’issu de l’étape IV est par exemple tel que représenté sur la .
En fonctionnement, le déclenchement des dispositifs initiateurs 24 provoque l’amorçage de la détonation du cordeau détonant 28, en l’occurrence au niveau des excroissances 38 de celui-ci, et par conséquent, la détonation proprement dite du cordeau détonant 28, qui se produit ainsi de manière homogène et continue sur 360 degrés.
Une telle détonation se traduit par un jet de matière issue de la paroi annulaire de fermeture 34, et par une concentration d’énergie, dirigés contre la portion annulaire à découper 20A du corps tubulaire 20 de l’élément de liaison 18, et aboutissant à la rupture de ladite portion annulaire 20A. Il en résulte une séparation des éléments, tels que l’étage principal 12 et le propulseur d’appoint 14, précédemment reliés par l’élément de liaison 18.
Bien entendu, un anneau de découpe pyrotechnique selon l'invention peut être mis à profit dans d’autres applications, dès lors qu’il est souhaitable de mettre en œuvre une découpe annulaire, sur commande, d’une pièce présentant une certaine tenue mécanique.
Claims (6)
- Dispositif de liaison à séparation commandée (16), comportant un élément de liaison (18) comprenant un corps tubulaire (20), et un anneau de découpe pyrotechnique (22) comprenant :
- une cavité annulaire (42) définie par une gorge annulaire (32) formée dans un corps d’anneau (26), et par une paroi annulaire de fermeture (34) à section de forme concave radialement vers l'extérieur s’étendant autour de la gorge annulaire (32) ;
- des passages d’initiateurs (36) traversant le corps d’anneau (26) et débouchant dans la gorge annulaire (32) ; et
- un cordeau détonant (28) s’étendant continument sur 360 degrés au sein de la cavité annulaire (42) et présentant une surface radialement externe (30) à section de forme concave radialement vers l'extérieur complémentaire de la paroi annulaire de fermeture (34) et recouverte par cette dernière, dans lequel le cordeau détonant (28) comporte une portion annulaire (40), et des excroissances (38) respectivement engagées dans les passages d’initiateurs (36) ;
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la paroi annulaire de fermeture (34) est venue de matière avec le corps d’anneau (26).
- Engin aéronautique ou spatial (10), comprenant au moins deux composants (12, 14) reliés l’un à l’autre par au moins un dispositif de liaison à séparation commandée (16) selon la revendication 1 ou 2.
- Procédé de fabrication d’un dispositif de liaison à séparation commandée (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant les étapes consistant à :
- I) fabriquer l’anneau de découpe pyrotechnique (22), notamment :
- A) fabriquer le corps d’anneau (26) avec la gorge annulaire (32) et la paroi annulaire de fermeture (34) à section de forme concave radialement vers l'extérieur s’étendant autour de la gorge annulaire (32), de manière à définir ladite cavité annulaire (42) ; puis
- B) injecter dans la cavité annulaire (42) un matériau détonant (44) à l’état fluide, via les passages d’initiateurs (36), de manière à obtenir un agencement continu sur 360 degrés dudit matériau détonant, et de sorte qu’une quantité du matériau détonant (44) demeure dans chacun des passages d’initiateurs (36) ; puis
- C) obtenir le cordeau détonant (28) par durcissement dudit matériau détonant (44), moyennant quoi ladite quantité du matériau détonant (44) constitue des excroissances (38) du cordeau détonant (28) s’étendant en saillie respectivement dans chacun des passages d’initiateurs (36) à partir d’une portion annulaire (40) du cordeau détonant (28) ;
- II) mettre à disposition l’élément de liaison (18) pourvu du corps tubulaire (20) ; puis
- III) insérer l’anneau de découpe pyrotechnique (22) dans le corps tubulaire (20) de l’élément de liaison ;
- IV) insérer les dispositifs initiateurs (24) dans les passages d’initiateurs (36) de l’anneau de découpe pyrotechnique (22) de sorte qu’une tête (24A) respective de chacun de ces dispositifs initiateurs (24) soit disposée en regard du cordeau détonant (28), de manière à permettre l’initiation du cordeau détonant (28) par les dispositifs initiateurs (24).
- I) fabriquer l’anneau de découpe pyrotechnique (22), notamment :
- Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’étape A comprend la fabrication du corps d’anneau (26) et de la paroi annulaire de fermeture (34) d’un seul tenant.
- Procédé selon la revendication 5 dans lequel l’étape A comprend la fabrication du corps d’anneau (26) et de la paroi annulaire de fermeture (34) par une technique de fabrication additive.
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2021
- 2021-09-07 FR FR2109368A patent/FR3126770B1/fr active Active
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