WO2014009659A1 - Procédé d'alimentation d'un moteur de missile en un ergol stockable - Google Patents

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WO2014009659A1
WO2014009659A1 PCT/FR2013/051651 FR2013051651W WO2014009659A1 WO 2014009659 A1 WO2014009659 A1 WO 2014009659A1 FR 2013051651 W FR2013051651 W FR 2013051651W WO 2014009659 A1 WO2014009659 A1 WO 2014009659A1
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WO
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pyrotechnic
engine
propellant
advantageously
combustion
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/051651
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Inventor
Jean-Philippe Goudon
Pierre Yvart
Original Assignee
Herakles
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Publication date
Application filed by Herakles filed Critical Herakles
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/065—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents from a hydride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
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    • C06D5/06—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more solids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44—Feeding propellants
    • F02K9/50—Feeding propellants using pressurised fluid to pressurise the propellants
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a method of supplying a missile engine in a storable ergol.
  • Said feeding method comprises pressurizing said stored storable propellant by means of gases generated by a pyrotechnic gas generator (i.e. generated by the combustion of the pyrotechnic charge of said generator).
  • the pyrotechnic charge of said pyrotechnic gas generator is a pyrotechnic charge of an original nature.
  • Storable propellant tanks (propellants whose physicochemical properties allow transport and storage (storage) without any exceptional arrangement (in particular without using cryogenic techniques)) used to supply engines on tactical missiles, include the more often two chambers: a first chamber containing the propellant to be injected into the missile engine, communicating with said engine, generally via a valve (for injection flow control); this first chamber being separated, by a piston or a deformable membrane, a second chamber, said expansion chamber, provided with a pyrotechnic gas generator. The operation of said pyrotechnic gas generator produces pressurizing gases. These pressurizing gases pressurize the expansion chamber and, via the piston or the deformable membrane, the propellant (to then ensure its injection into the engine).
  • the valve advantageously present, makes it possible to control the injection flow rate of the propellant in the motor, depending on the pulse profile requested by the mission.
  • Patent Application EP 2 093 408 describes a device of this type.
  • the method of supplying the propellant engine therefore comprises two successive stages:
  • the pyrotechnic gas generator works: it produces the pressurization gases, which pressurize the propellant stored, then
  • the field of tactical missiles is distinguished from other areas that can also use the pressurization of a reservoir to expel an agent, such as those of extinction (see, for example, WO 2008/025930), and of the injection of fluid into a backup operation (see, for example, the application WO 2008/107579) or intradermally (see, for example, WO 2001/64269), by: a) times longer operating times, which can reach a few minutes,
  • a more extended operating temperature operating range typically from -70 ° C to + 90 ° C, thus including low or very low temperatures
  • the tank being included in a system (missile) having an architecture that can be complex and compact, heat exchanges between the pyrotechnic gas and said larger system.
  • the pyrotechnic gases for pressurizing the tank after their production by the pyrotechnic gas generator, therefore cool, well below their initial temperature (corresponding to the combustion temperature of the pyrotechnic charge included in said gas generator). This cooling, of much less amplitude in the other areas identified above, has a strong impact on the pressurization of the reservoir.
  • pyrotechnic products used according to the prior art in gas generators, themselves used to pressurize the propellant tanks
  • propellants with a high combustion temperature.
  • the gases generated consist mainly of CO 2 , CO, NO x , water vapor and HCl.
  • the possible heat exchange with the propellant to expel the tank propellant susceptible, for example, to decompose if its temperature increases.
  • the temperature of the ergol hydrazine must not exceed 60 ° C.
  • said pyrotechnic products, composite propellants of Butalite ® type are in fact poorly suited for pressurizing the expansion chamber when their combustion gases are cooled below about 900 K. Indeed, it is quite possible that the temperature of the pressurizing gases in the propellant tank falls below 900 K (see points a), b), c) and d) above), despite the high temperature at which they are generated by the combustion of said pyrotechnic products.
  • pyrotechnic [number of moles of gas resulting from the combustion of the said pyrotechnic product divided by the mass of the said pyrotechnic product (in moles / kg)] multiplied by the temperature of the gases T (K) or the pressure multiplied by the volume in question ).
  • the temperature of the pyrotechnic gases during their production by combustion of a pyrotechnic product is equal to the combustion temperature of said pyrotechnic product.
  • the blowing power at the combustion temperature is therefore an intrinsic characteristic of a pyrotechnic product.
  • NG guanidine nitrate
  • Said method comprises, in a conventional manner (in this context of supplying a missile engine with a storable ergol), the following successive steps:
  • the delivery of the propellant follows, immediately or after a certain delay, the generation of pyrotechnic gases (follows the operation of the pyrotechnic gas generator).
  • the invention is therefore in the field of missiles, including tactical missiles, whose engines are fed with propellant under the action of pressurizing gas (generated by the combustion of a pyrotechnic charge), a field where the consequent cooling of said Thus, the pressurizing gas is likely to have a strong impact on their pressurizing action (see Introduction).
  • pressurizing gas generated by the combustion of a pyrotechnic charge
  • the inventors advocate the use of a pyrotechnic charge of an original nature.
  • the method of the invention is in fact characterized by the nature of the pyrotechnic charge (the combustion of which generates the pressurization gases) used.
  • the term "essentially” is quantified as follows.
  • the gases generated consist, for at least 75 mol% (75% by volume), of hydrogen.
  • they consist, for at least 80 mol% (ie 80% by volume), of hydrogen.
  • they consist of at least 95 mol% (95% by volume) of hydrogen.
  • they consist, for at least 98%, or even 99% and even more, in moles, of hydrogen.
  • the pyrotechnic composition concerned is likely to have a gas yield of about 70 mole / kg; it generally has a gas yield between 60 and 72 mole / kg.
  • the method of the invention is therefore advantageously implemented with a pyrotechnic charge consisting of at least one pyrotechnic product containing, for at least 90%, advantageously 96%, of its mass, at least one inorganic oxidizing component and at least one hydrogenated reducing component selected from inorganic hydrides, borazane and polyaminoboranes.
  • the at least one inorganic oxidizing component (generally only one inorganic oxidizing component is present but the presence of at least two in admixture can not be excluded) and the at least one specific hydrogenated reducing component (generally a single hydrogenated reducing component such as identified above is present but the presence of at least two mixtures can not be excluded) therefore represent at least 90% by weight, preferably at least 96% by weight (or at least 98% by weight, or even 100% by weight). mass) of the mass of the pyrotechnic product (s) advantageously used (s) to generate, according to the invention, the pressurizing gases.
  • the optional 100% supplement is generally composed of additives, such as process auxiliaries, stability, desensitization with static electricity (such as Si0 2 ) and / or ballistic, combustion modifiers.
  • additives such as process auxiliaries, stability, desensitization with static electricity (such as Si0 2 ) and / or ballistic, combustion modifiers.
  • impurities is not excluded.
  • the presence of an organic binder, at a low level, is also not totally excluded insofar as, in the context of the implementation of the process of the invention, a great deal of purity of the generated hydrogen is not required. However, it is recalled that the pressurization gases generated must be "essentially" made of hydrogen.
  • the at least one inorganic hydride that may be present in the composition of the pyrotechnic compounds used is advantageously a borohydride, very advantageously an alkaline or alkaline earth borohydride.
  • said at least one inorganic hydride is selected from sodium borohydride, lithium or magnesium.
  • Pyrotechnic compounds used in the method of the invention preferably contain in their composition, such as organic hydride, NaBH 4, LiBH 4 or Mg (BH 4) 2.
  • the at least one hydrogenated reducing compound preferably consists of borazane or a polymer of aminoborane (a polyaminoborane).
  • borazane is the only hydrogenated reducing compound present in the composition of the pyrotechnic compounds used.
  • ammonium salts (it very advantageously consists of ammonium perchlorate),
  • dinitramides (it very advantageously consists of ammonium dinitramide (DNA)); and nitrates, it very advantageously consists of strontium nitrate.
  • the pyrotechnic products used in the process of the invention therefore very advantageously contain NH 4 CIO 4 , NH 4 N (NO 2 ) 2 or Sr (NO 3 ) 2- 2).
  • Sulfur may be present in the composition of the pyrotechnic compounds used. in the process of the invention.
  • the pyrotechnic product (s) used (s) preferably contains in their composition:
  • inorganic oxidizing component from 20 to 60% by weight of at least one inorganic oxidizing component (generally of such an inorganic oxidizing component).
  • inorganic oxidizing component from 25 to 45% by weight of at least one inorganic oxidizing component (generally of such an inorganic oxidizing component).
  • the said pyrotechnic compound (s) contain (s) more than 50% by weight of hydrogenated reducing component (s), even more advantageous than the said pyrotechnic compound (s) contains (s) more than 70% by weight of hydrogenated reducing component (s). It has been understood that the said hydrogenated reducing component (s) present constitute (s) the hydrogen reserve.
  • the grains usually have a mass of a few milligrams, pellets a mass of a few tenths of grams to a few grams, discs of a few tens of grams to a few hundred grams and blocks of a hundred grams to a few kilograms.
  • the pyrotechnic charge used generally contains several pyrotechnic products (although the use of a single product, such as a block, is not excluded). In such a context, all products constituting said loading do not necessarily have the same composition.
  • the delivery, in the engine of the missile, the pressurized storable propellant (under the action of hydrogen, essentially generated by the combustion of the pyrotechnic charge) is advantageously implemented with flow control.
  • a valve is provided in the device.
  • the method of the invention can quite well be implemented in a device of the prior art comprising a tank, of the type specified in the introduction to this text, connected to the engine of the invention. missile.
  • Said reservoir comprises two chambers separated by a piston or a deformable membrane:
  • a so-called storage chamber suitable for storage of the storable ergol, provided with a communication port with the missile engine, connected to said missile engine via injection means, suitable for injection, advantageously controlled , propellant pressurized in the engine;
  • expansion chamber suitable for storing and combusting the pyrotechnic charge that generates gas by combustion.
  • the storable propellant in question is, for example, a liquid hydrocarbon of the kerosene type, hydrogen peroxide or hydrazine type. optionally gelled.
  • the propellant to be injected is liquid or gelled.
  • the missile engine to be fed with propellant may in particular be a ramjet engine, a turbojet engine, a hybrid engine, a pulsed detonation wave engine, or a bi-liquid engine (supplied with one of the two propellants, according to the method of the invention or both propellants, according to the process of the invention, ie using essentially hydrogen as a pressurizing gas).
  • the present invention therefore relates to the use of a pyrotechnic charge whose combustion gases consist essentially of hydrogen for the pressurization and the injection of a propellant in a missile engine.
  • a pyrotechnic charge whose combustion gases consist essentially of hydrogen for the pressurization and the injection of a propellant in a missile engine.
  • the present invention relates more particularly to the use, for this purpose, of the pyrotechnic products generating hydrogen as specified above (dedicated in the prior art to the fuel cell supply). ).
  • the invention is illustrated by the examples below. These examples show the high efficiency of the process of the invention using original pyrotechnic products (hydrogen generators). The method of performance of the invention are compared with those of the method of the prior art using conventional pyrotechnic products (type Butalite ®).
  • Table 3 indicates the gas yield and the swelling capacity (the definitions of these parameters have been recalled in the introduction to this text) as a function of the temperature of the gases. calculated from the combustion temperature, two pyrotechnic products NfH2 ® (1) and NfH2 ® (2), the use of which is recommended according to the invention and a composite propellant of the Butalite ® type (ref.), used according to the prior art.
  • compositions in percent by weight of these products are given below:
  • NfH2 ® (2) 70% NH 3 BH 3 + 30% Sr (N0 3 ) 2 .
  • Table 4 shows the mass of pyrotechnic product required according to the method of the invention (using the product NfH2 ® (2)) compared to that required by the method of the prior art (using the compound ref.) (see above) to pressurize a tank of 1.5 m 3 at a pressure of 10 bar (1.10 6 Pa) with combustion gases cooled to 873 K.
  • Table 5 presents the same way the mass of pyrotechnic product required by the process of the invention (using the product NfH2 ® (2)) with respect to that required by the process of the prior art (using the ref.) (see above) for pressurizing a 1.5 m 3 tank at a pressure of 10 bar (1.10 6 Pa) with flue gases cooled to 293 K.
  • the method of the invention is therefore particularly efficient in terms of the mass of pyrotechnic product required to pressurize a tank with combustion gases that can cool. This is particularly interesting with reference to the optimization of the on-board pyrotechnic product mass.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé d'alimentation d'un moteur de missile en un ergol stockable, comprenant les étapes successives ci-après : 1) la génération de gaz de combustion par combustion d'un chargement pyrotechnique, et la pressurisation dudit ergol stockable sous l'action desdits gaz de combustion, puis 2) la délivrance, à volonté, dudit ergol stockable pressurisé dans ledit moteur. De façon caractéristique, ledit procédé est mis en oeuvre avec un chargement pyrotechnique qui génère des gaz de combustion essentiellement constitués d'hydrogène.

Description

Procédé d'alimentation d'un moteur de missile en un
eraol stockable
La présente invention a pour objet un procédé d'alimentation d'un moteur de missile en un ergol stockable. Ledit procédé d'alimentation comprend la pressurisation dudit ergol stockable stocké au moyen de gaz générés par un générateur de gaz pyrotechnique (i.e. générés par la combustion du chargement pyrotechnique dudit générateur). Le chargement pyrotechnique dudit générateur de gaz pyrotechnique est un chargement pyrotechnique de nature originale.
Les documents US 5 697 212 et WO 2006/048543 décrivent des procédés selon lesquels les gaz de pressurisation ne sont pas générés par combustion d'un chargement pyrotechnique et alimentent le réservoir d'ergol, pour sa pressurisation, pendant la délivrance dudit ergol.
Les réservoirs d'ergols stockables (ergols dont les propriétés physico-chimiques permettent le transport et la conservation (le stockage) sans disposition exceptionnelle (notamment sans faire appel à des techniques cryogéniques)) utilisés pour alimenter les moteurs sur les missiles tactiques, comprennent le plus souvent deux chambres : une première chambre renfermant l'ergol à injecter dans le moteur du missile, communiquant avec ledit moteur, généralement via une vanne (pour un contrôle du débit d'injection) ; cette première chambre étant séparée, par un piston ou une membrane déformable, d'une deuxième chambre, dite chambre d'expansion, munie d'un générateur de gaz pyrotechnique. Le fonctionnement dudit générateur de gaz pyrotechnique produit des gaz de pressurisation. Ces gaz de pressurisation pressurisent la chambre d'expansion et, via le piston ou la membrane déformable, l'ergol (pour assurer ensuite son injection dans le moteur). La vanne, avantageusement présente, permet de contrôler le débit d'injection de l'ergol dans le moteur, selon le profil d'impulsion demandé par la mission. La demande de brevet EP 2 093 408 décrit un dispositif de ce type.
Le procédé d'alimentation du moteur en ergol comporte donc deux étapes successives :
1) le générateur de gaz pyrotechnique fonctionne : il produit les gaz de pressurisation, qui pressurisent l'ergol stocké, puis
2) (ledit générateur de gaz ayant fonctionné) ledit ergol, pressurisé, est délivré, à la demande, de façon contrôlée, au moyen de la vanne.
Le domaine des missiles tactiques se distingue des autres domaines qui peuvent aussi utiliser la pressurisation d'un réservoir pour expulser un agent, tels que ceux de l'extinction (voir à ce sujet, par exemple, la demande WO 2008/025930), et de l'injection de fluide en opération de sauvegarde (voir à ce sujet, par exemple, la demande WO 2008/107579) ou en intradermique (voir à ce sujet, par exemple, WO 2001/64269), par : a) des temps de fonctionnement plus longs, qui peuvent atteindre quelques minutes,
b) une délivrance de l'ergol pressurisé, qui est mise en œuvre dans un deuxième temps seulement, après le fonctionnement du générateur de gaz pyrotechnique (qui a induit la pressurisation du réservoir d'ergol, la pressurisation dudit ergol) (voir ci-dessus),
c) éventuellement, un temps d'attente, entre la pressurisation du réservoir et l'utilisation (la délivrance) de l'ergol (pressurisé) (entre les deux étapes successives indiquées ci-dessus) (lorsque, par exemple, des séquences de contrôle de bon armement opérationnel du missile doivent être réalisées),
d) une plage opérationnelle de fonctionnement en température plus étendue, typiquement de -70°C à +90°C, comprenant donc de basses, voire très basses, températures, et aussi e) le réservoir étant inclus dans un système (missile) présentant une architecture pouvant être complexe et compacte, des échanges thermiques entre le gaz pyrotechnique et ledit système plus importants.
Des procédés, comprenant la pressurisation d'un réservoir d'ergol par prélèvement de gaz chauds produits en continu dans un générateur de gaz pyrotechnique, ont été décrits. Le brevet US 3, 350, 887 décrit un procédé de propulsion au cours duquel les gaz chauds produits en continu sont utilisés pour pressuriser un liquide oxydant. La demande de brevet FR 2 954 411 décrit un procédé de propulsion basé sur l'injection, dans une chambre de combustion, d'une part d'un liquide oxydant et, d'autre part, d'hydrogène ; la combustion générant les gaz propulsifs. La génération d'hydrogène est produite par un composé solide en combustion continue pendant le fonctionnement du dispositif. Selon une variante de mise en uvre, de l'hydrogène chaud est prélevé, à la demande, au fur et à mesure de sa production, afin de pressuriser le réservoir contenant le liquide oxydant. Ces deux documents de l'art antérieur enseignent le fonctionnement du générateur de gaz pyrotechnique pendant toute la durée de fonctionnement du dispositif incorporant ledit générateur de gaz pyrotechnique.
Dans le domaine des missiles tactiques, les gaz pyrotechniques de pressurisation du réservoir, après leur production par le générateur de gaz pyrotechnique, se refroidissent donc, bien au-dessous de leur température initiale (correspondant à la température de combustion du chargement pyrotechnique inclus dans ledit générateur de gaz). Ce refroidissement, d'une amplitude bien moins importante dans les autres domaines identifiés ci-dessus, a un fort impact sur la pressurisation du réservoir.
L'homme du métier, à ce jour, a retenu, pour la pressurisation de réservoirs d'ergol, contexte dans lequel le refroidissement des gaz de pressurisation est donc conséquent, des produits pyrotechniques à très haute température de combustion (produisant donc des gaz de pressurisation à très haute température).
Ces produits pyrotechniques (utilisés selon l'art antérieur dans les générateurs de gaz, eux-mêmes utilisés pour pressuriser les réservoirs d'ergol) sont des propergols à haute température de combustion. Il s'agit généralement de propergols composites de type Butalite®, constitués principalement de perchlorate d'ammonium et d'un liant hydrocarboné solide, du type polybutadiène. Ils présentent également un fort rendement gazeux (ce qui permet de minimiser la masse de produit pyrotechnique embarquée), d'environ 42 mol/kg, à leur température de combustion, élevée, d'environ 2500 K. Les gaz générés consistent principalement en du C02, CO, NOx, de la vapeur d'eau et du HCI.
L'utilisation de ces produits pyrotechniques présente toutefois deux inconvénients :
1) la génération de gaz à haute température, pour la pressurisation du réservoir d'ergol, impose inexorablement des contraintes, notamment relatives :
- à la tenue en température dudit réservoir et du dispositif incluant ledit réservoir (parois du réservoir, joints...), pouvant nécessiter des aménagements ou traitements spécifiques,
au possible échange thermique avec l'ergol à expulser du réservoir, ergol susceptible, par exemple, de se décomposer si sa température augmente. On peut notamment indiquer ici que la température de l'ergol hydrazine ne doit pas dépasser 60°C, et
- à la production d'un jet de gaz chauds dans l'environnement, suite, par exemple, à une fuite accidentelle du réservoir, susceptible de poser des problèmes de sécurité ;
et 2) lesdits produits pyrotechniques, propergols composites de type Butalite®, sont en fait mal adaptés pour la pressurisation de la chambre d'expansion lorsque leurs gaz de combustion sont refroidis en dessous d'environ 900 K. En effet, il est tout à fait possible que la température des gaz de pressurisation dans le réservoir d'ergol chute en dessous de 900 K (voir les points a), b), c) et d) ci-dessus) et ce, malgré la haute température à laquelle ils sont générés par la combustion desdits produits pyrotechniques.
L'affirmation du point 2) ci-dessus est confirmée par les résultats du Tableau 1 ci-après.
On rappelle préalablement les définitions du rendement gazeux d'un produit pyrotechnique (= nombre de moles de gaz résultant de la combustion dudit produit pyrotechnique divisé par la masse dudit produit pyrotechnique (exprimé en mole/kg)) et du pouvoir gonflant d'un produit pyrotechnique (= [nombre de moles de gaz résultant de la combustion dudit produit pyrotechnique divisé par la masse dudit produit pyrotechnique (en mole/kg)] multiplié par la température des gaz T (K) ou encore la pression multipliée par le volume en cause).
La température des gaz pyrotechniques lors de leur production par combustion d'un produit pyrotechnique est égale à la température de combustion dudit produit pyrotechnique. Le pouvoir gonflant à la température de combustion est donc une caractéristique intrinsèque d'un produit pyrotechnique.
Les résultats du tableau 1 ci-après montrent qu'effectivement le pouvoir gonflant du produit pyrotechnique considéré chute drastiquement (il n'est plus proportionnel à la température des gaz), dès lors que la température des gaz se trouve en deçà de 900 K (les gaz générés à 2557 K (température de combustion) ont été refroidis jusqu'à 293 K). Cette chute drastique s'explique par la formation de suies (provenant du liant hydrocarboné du propergol) et le changement de phase de certaines espèces gazeuses, en liquides (H20, NH4CI, HCIaq...) notamment.
Tableau 1
Figure imgf000007_0001
* Pourcentages massiques
** Température de combustion du produit Certes, l'homme du métier connaît aussi les produits pyrotechniques, utilisés dans les domaines civils de la sécurité automobile (notamment, dans les générateurs de gaz pour airbags) et de l'extinction. Ces produits ne génèrent essentiellement, par combustion, que du diazote et de la vapeur d'eau (gaz non toxiques (ce qui est très important dans le contexte de la sécurité automobile) et convenant pour l'inertage (ce qui est très important dans le contexte de l'extinction). La composition de ces produits, généralement exempte de liant, renferme un réducteur azoté, du type dérivé du tétrazole ou de la guanidine, et un oxydant, du type nitrate basique de cuivre (associé éventuellement avec un perchlorate de métal alcalin ou alcalino-terreux). La température de combustion de ces produits, d'environ 1800 K à 2000 K, est plus faible que celle des propergols de type Butalite® et, comme montré dans le Tableau 2 ci- après, le pouvoir gonflant de ces produits ne chute drastiquement (il n'est alors plus proportionnel à la température des gaz) qu'en dessous d'environ 373 K (en dessous de cette température, la vapeur d'eau se condense). Ces produits sont donc plus intéressants que les produits de type Butalite®, en référence aux deux inconvénients desdits produits de type Butalite® développés ci-dessus. Cependant, leur rendement gazeux est beaucoup plus faible que celui desdits produits de type Butalite®.
Tableau 2
NG = nitrate de guanidine
BCN = nitrate basique de cuivre
* Pourcentages massiques
** Température de combustion du produit
L'homme du métier est donc à la recherche de produits pyrotechniques particulièrement adaptés à la pressurisation d'un réservoir d'ergol (dont la température diminue après la génération des gaz de pressurisation), i.e. qui présentent :
- une température de combustion modérée, et
- un pouvoir gonflant au moins équivalent, voire très supérieur, à celui des propergols composites de type Butalite® (aux températures de combustion des deux produits et aux températures inférieures à ces températures de combustion), ne chutant donc pas drastiquement lorsque les gaz générés (gaz de combustion desdits produits pyrotechniques = gaz de pressurisation) refroidissent (notamment en deçà de 900 K, et même en deçà de 373 K).
II est du mérite des inventeurs d'avoir identifié des produits pyrotechniques particulièrement performants en référence à ce cahier des charges.
Il est donc du mérite des inventeurs de proposer un procédé d'alimentation d'un moteur de missile en un ergol stockable utilisant un chargement pyrotechnique constitué d'au moins un tel produit pyrotechnique (l'homme du métier n'ignore pas que les chargements pyrotechniques sont classiquement constitués d'au moins un produit pyrotechnique de type grain, pastille, disque ou blocs). Ledit procédé constitue le principal objet de la présente invention.
Ledit procédé comprend, de façon conventionnelle (dans ce contexte d'alimentation d'un moteur de missile en un ergol stockable), les étapes successives ci-après :
1) la génération de gaz de combustion par combustion d'un chargement pyrotechnique et la pressurisation d'un ergol stockable (stocké) sous l'action desdits gaz de combustion, puis
2) la délivrance, à volonté, dudit ergol stockable pressurisé dans le moteur du missile.
On comprend, comme expliqué ci-dessus, que, dans le cadre de ce procédé :
- les gaz de combustion sont générés et ils pressurisent l'ergol stocké, dans un premier temps (lere étape), puis, le générateur de gaz pyrotechnique ayant cessé de fonctionner (la combustion du chargement pyrotechnique en cause étant terminée), l'ergol est délivré, immédiatement ou après un certain délai, dans un second temps (2eme étape) ;
- la délivrance de l'ergol fait suite, immédiatement ou après un certain délai, à la génération des gaz pyrotechniques (fait suite au fonctionnement du générateur de gaz pyrotechnique).
L'invention se situe donc dans le domaine des missiles, notamment des missiles tactiques, dont les moteurs sont alimentés en ergols sous l'action de gaz de pressurisation (générés par la combustion d'un chargement pyrotechnique), domaine où le refroidissement conséquent desdits gaz de pressurisation est donc susceptible d'impacter fortement leur action de pressurisation (voir l'introduction). En référence à ce problème technique, les inventeurs préconisent l'utilisation d'un chargement pyrotechnique de nature originale.
Le procédé de l'invention est en effet caractérisé par la nature du chargement pyrotechnique (dont la combustion génère les gaz de pressurisation) utilisé.
De façon caractéristique, le chargement pyrotechnique utilisé pour la mise en œuvre du procédé de l'invention est un chargement qui génère des gaz de combustion (= les gaz de pressurisation) essentiellement constitués d'hydrogène (H2).
Le terme « essentiellement » est quantifié comme suit. Les gaz générés sont constitués, pour au moins 75 % en mole (soit 75 % en volume), d'hydrogène. Avantageusement, ils sont constitués, pour au moins 80 % en mole (soit 80 % en volume), d'hydrogène. Très avantageusement, ils sont constitués, pour au moins 95 % en mole (soit 95 % en volume) d'hydrogène. De façon particulièrement préférée, ils sont constitués, pour au moins 98 %, voire 99 % et même plus, en mole, d'hydrogène. La composition pyrotechnique concernée est susceptible de présenter un rendement gazeux voisin de 70 mole/kg ; elle présente généralement un rendement gazeux entre 60 et 72 mole/kg.
L'homme du métier connaît des produits pyrotechniques dont les gaz de combustion consistent essentiellement en de l'hydrogène mais, à ce jour, lesdits produits pyrotechniques sont quasiment exclusivement utilisés dans un tout autre domaine technique, celui de l'alimentation en hydrogène des piles à combustible.
Dans cet autre domaine technique, on cherche à stocker de l'hydrogène pour le délivrer ensuite, avec une grande pureté (tout contact de la pile avec des gaz poison est à éviter, en tout état de cause à minimiser), avec un rendement gazeux important (on vise à limiter la masse du générateur d'hydrogène ou du dispositif de stockage de l'hydrogène utilisé), et ce tout en évitant les stockages sous pression (en raison de leur dangerosité).
Dans cet autre domaine technique, les principales stipulations du cahier des charges sont les suivantes :
- éviter le stockage d'hydrogène sous pression,
- disposer d'hydrogène aussi pur que possible,
- disposer d'hydrogène à une température aussi basse que possible, et
- disposer d'hydrogène avec un rendement gazeux aussi élevé que possible.
Dans cet autre domaine technique, on a proposé, en référence au cahier des charges ci-dessus, l'utilisation de produits pyrotechniques pour la génération de l'hydrogène (très pur) par combustion, lesdits produits pyrotechniques renfermant typiquement dans leur composition un composant réducteur hydrogéné de type hydrure inorganique, borazane ou polymère de l'aminoborane et un composant oxydant inorganique. On peut à ce propos considérer l'enseignement des demandes de brevet EP 1 249 427, EP 1 405 823, EP 1 405 824, EP 1 496 035, EP 2 014 631 et EP 2 265 545.
Il est du mérite des inventeurs d'avoir pensé à ce type de produit pyrotechnique et d'avoir mis en évidence le grand intérêt à utiliser les produits pyrotechniques de ce type, pour pressuriser un réservoir d'ergol pour missile.
Le procédé de l'invention est donc avantageusement mis en œuvre avec un chargement pyrotechnique constitué d'au moins un produit pyrotechnique renfermant, pour au moins 90%, avantageusement 96 %, de sa masse, au moins un composant oxydant inorganique et au moins un composant réducteur hydrogéné choisi parmi les hydrures inorganiques, le borazane et les polyaminoboranes.
Le au moins un composant oxydant inorganique (généralement un unique composant oxydant inorganique est présent mais la présence d'au moins deux en mélange ne saurait être exclue) et le au moins un composant réducteur hydrogéné spécifique (généralement un unique composant réducteur hydrogéné tel qu'identifié ci-dessus est présent mais la présence d'au moins deux en mélange ne saurait être exclue) représentent donc au moins 90 % en masse, avantageusement au moins 96 % en masse (voire au moins 98 % en masse, voire 100 % en masse) de la masse du(des) produit(s) pyrotechnique(s) avantageusement utilisé(s) pour générer, selon l'invention, les gaz de pressurisation. L'éventuel complément à 100 % est en général constitué d'additifs, type auxiliaires de procédé, de stabilité, de désensibilisation à l'électricité statique (tel Si02) et/ou modificateurs de balistique, de combustion. La présence d'impuretés n'est pas exclue. La présence d'un liant organique, à faible taux, n'est également pas totalement exclue dans la mesure où, dans le cadre de la mise en œuvre du procédé de l'invention, une grande pureté de l'hydrogène généré n'est pas requise. On rappelle toutefois que les gaz de pressurisation générés doivent être « essentiellement » constitués d'hydrogène.
En référence audit au moins un composant réducteur hydrogéné, on peut, de façon nullement limitative, préciser ce qui suit.
1) Le au moins un hydrure inorganique susceptible d'être présent dans la composition des composés pyrotechniques utilisés est avantageusement un borohydrure, très avantageusement un borohydrure alcalin ou alcalino-terreux. De préférence, ledit au moins un hydrure inorganique est choisi parmi le borohydrure de sodium, de lithium ou de magnésium. Les composés pyrotechniques utilisés dans le procédé de l'invention renferment donc de préférence dans leur composition, comme hydrure organique, NaBH4, LiBH4 ou Mg(BH4)2.
2) Le au moins un composé réducteur hydrogéné consiste toutefois préférentiellement en le borazane ou un polymère de l'aminoborane (un polyaminoborane). De façon particulièrement préférée, le borazane est l'unique composé réducteur hydrogéné présent dans la composition des composés pyrotechniques utilisés.
En référence audit au moins un composant oxydant inorganique, on peut, de façon nullement limitative, préciser ce qui suit.
1) Il est avantageusement choisi parmi ceux utilisés selon l'art antérieur dans le domaine technique des piles à combustible ; i.e. parmi :
- les sels d'ammonium (il consiste très avantageusement en le perchlorate d'ammonium),
- les dinitramides, (il consiste très avantageusement en l'ammonium dinitramide (ADN)) ; et - les nitrates, (il consiste très avantageusement en le nitrate de strontium.
Les produits pyrotechniques utilisés dans le procédé de l'invention renferment donc très avantageusement NH4CIO4, NH4N(NO2)2 ou Sr(N03)2- 2) Du soufre peut être présent dans la composition des composés pyrotechniques utilisés dans le procédé de l'invention.
Dans le cadre de cette variante avantageuse, le(s) produit(s) pyrotechnique(s) utilisé(s) renferme(nt) de préférence dans leur composition :
- de 40 à 80 % en masse d'au moins un composant réducteur hydrogéné tel qu'identifié ci-dessus (généralement d'un tel composant réducteur hydrogéné), et
- de 20 à 60 % en masse d'au moins un composant oxydant inorganique (généralement d'un tel composant oxydant inorganique).
Ils renferment, de façon particulièrement préférée :
- de 55 à 75 % en masse d'au moins un composant réducteur hydrogéné tel qu'identifié ci-dessus (généralement d'un tel composant réducteur hydrogéné), et
- de 25 à 45 % en masse d'au moins un composant oxydant inorganique (généralement d'un tel composant oxydant inorganique).
Il est, de manière générale, très avantageux que le(s)dit(s) composé(s) pyrotechnique(s) renferme(nt) plus de 50% en masse de composant(s) réducteur(s) hydrogéné(s), encore plus avantageux que le(s)dit(s) composé(s) pyrotechnique(s) renferme(nt) plus de 70% en masse de composant(s) réducteur(s) hydrogéné(s). On a compris que le(s)dit(s) composant(s) réducteur(s) hydrogéné(s) présent(s) constitue(nt) la réserve d'hydrogène.
On rappelle ici, à toutes fins utiles, que le chargement pyrotechnique utilisé pour la génération des gaz de pressurisation (= essentiellement de l'hydrogène, selon l'invention) est constitué d'au moins un produit pyrotechnique (généralement plusieurs) se présentant sous la forme de grains, de pastilles, de disques ou de blocs. Ces grains, pastilles et blocs ont une forme quelconque, par exemple sphérique, ovoïde ou cylindrique. Les grains ont généralement une masse de quelques milligrammes, les pastilles une masse de quelques dixièmes de grammes à quelques grammes, les disques de quelques dizaines de grammes à quelques centaines de grammes et les blocs d'une centaine de grammes à quelques kilogrammes.
Les procédés d'obtention de ces produits pyrotechniques solides sont des procédés connus, décrits notamment dans les demandes de brevet EP identifiées en amont du présent texte.
On a compris que le chargement pyrotechnique utilisé renferme généralement plusieurs produits pyrotechniques (bien que l'utilisation d'un unique produit, tel un bloc, ne soit nullement exclue). Dans un tel contexte, tous les produits constituant ledit chargement ne présentent pas forcément la même composition.
L'homme du métier a d'ores et déjà saisi tout l'intérêt de la présente invention qui s'analyse donc comme l'utilisation de « précurseurs pyrotechniques solides d'hydrogène » pour pressuriser « à l'hydrogène » des réservoirs d'ergols. Le refroidissement de l'hydrogène n'entraînant aucune condensation, le pouvoir gonflant desdits « précurseurs pyrotechniques solides d'hydrogène » ne chute pas drastiquement lors d'un tel refroidissement (il reste proportionnel à la température). Par ailleurs, les stipulations requises sur le pouvoir gonflant et la température de combustion sont respectées. Les produits pyrotechniques dont la combustion génère essentiellement de l'hydrogène, et tout particulièrement ceux convenant pour l'alimentation en hydrogène des piles à combustible, présentent une température de combustion plus faible que celle des produits de type Butalite® et un pouvoir gonflant supérieur à celui desdits produits de type Butalite® (voir notamment le tableau 3 ci- après).
En référence à la mise en œuvre du procédé de l'invention, on peut encore ajouter ce qui suit.
. La délivrance, dans le moteur du missile, de l'ergol stockable pressurisé (sous l'action de l'hydrogène, essentiellement généré par la combustion du chargement pyrotechnique) est avantageusement mise en œuvre avec contrôle du débit. A cette fin, on prévoit une vanne dans le dispositif.
. De manière plus générale, on peut indiquer que le procédé de l'invention peut tout à fait être mis en œuvre dans un dispositif de l'art antérieur comprenant un réservoir, du type précisé dans l'introduction du présent texte, relié au moteur de missile. Ledit réservoir comprend deux chambres séparées par un piston ou une membrane déformable :
- une chambre, dite de stockage, convenant au stockage de l'ergol stockable, pourvue d'un orifice de communication avec le moteur du missile, reliée audit moteur de missile via des moyens d'injection, convenant à l'injection, avantageusement contrôlée, de l'ergol pressurisé dans le moteur ; et
- une chambre, dite d'expansion, convenant au stockage et à la combustion du chargement pyrotechnique générateur de gaz par combustion.
. L'homme du métier connaît par ailleurs des architectures de générateurs de gaz incluant un chargement pyrotechnique adaptées pour pressuriser un réservoir. La demande de brevet EP 2 057 436 décrit une telle architecture.
. L'ergol stockable en cause est par exemple un hydrocarbure liquide du type kérosène, de l'eau oxygénée ou de l'hydrazine éventuellement gélifié. De manière générale, l'ergol à injecter est liquide ou gélifié.
. Le moteur de missile à alimenter en ergol peut notamment être un moteur statoréacteur, un moteur turboréacteur, un moteur hybride, un moteur à onde de détonation puisée, ou un moteur bi-liquide (alimenté en l'un des deux ergols, selon le procédé de l'invention ou en les deux ergols, selon le procédé de l'invention ; i.e. en utilisant essentiellement de l'hydrogène comme gaz de pressurisation).
On a vu ci-dessus que la présente invention peut tout à fait s'analyser en termes d'utilisation.
Selon son second objet, la présente invention concerne donc l'utilisation d'un chargement pyrotechnique dont les gaz de combustion sont essentiellement constitués d'hydrogène pour la pressurisation et l'injection d'un ergol dans un moteur de missile. Pour la quantification du terme « essentiellement », on se réfère aux propos tenus en amont dans le présent texte. Dans le cadre de ce second objet, la présente invention concerne plus particulièrement l'utilisation, à cette fin, des produits pyrotechniques générateurs d'hydrogène tels que précisés ci-dessus (dédiés dans l'art antérieur à l'alimentation de piles à combustible).
L'invention est illustrée par les exemples ci-après. Ces exemples montrent la grande efficacité du procédé de l'invention utilisant des produits pyrotechniques originaux (générateurs d'hydrogène). Les performances du procédé de l'invention sont comparées à celles du procédé de l'art antérieur utilisant des produits pyrotechniques classiques (de type Butalite®).
. Le Tableau 3 ci-après indique le rendement gazeux et le pouvoir gonflant (les définitions de ces paramètres ont été rappelées dans l'introduction du présent texte) en fonction de la température des gaz, calculés à partir de la température de combustion, de deux produits pyrotechniques NfH2® (1) et NfH2® (2), dont l'utilisation est préconisée selon l'invention et d'un propergol composite de type Butalite®(réf.), utilisé selon l'art antérieur.
Les compositions en pourcentage massique de ces produits sont données ci-dessous :
NfH2® (1) : 60 % de NH3BH3 + 40 % de Sr(N03)2.
NfH2® (2) : 70 % de NH3BH3 + 30 % de Sr(N03)2.
Réf. : 18 % liant polyuréthane + 82 % NH4CI04.
Tableau 3
Figure imgf000019_0001
RG : rendement gazeux (mol/kg)
PG : pouvoir gonflant (mol/kg.T).
*Température de combustion du composé NfH2 (1)
**Température de combustion du composé NfH2 (2) Les produits NfH2® (1) et NfH2® (2) présentent un pouvoir gonflant supérieur à celui du composé de l'art antérieur, à leur température de combustion et aussi à plus basse température, même à la température ambiante.
. Le Tableau 4 ci-après présente la masse de produit pyrotechnique nécessaire selon le procédé de l'invention (utilisant le produit NfH2® (2)) par rapport à celle nécessaire selon le procédé de l'art antérieur (utilisant le composé réf.) (voir ci-dessus) pour pressuriser un réservoir de 1,5 m3 à une pression de 10 bars (1.106 Pa) avec des gaz de combustion refroidis à 873 K.
. Le Tableau 5 ci-après présente de la même façon la masse de produit pyrotechnique nécessaire selon le procédé de l'invention (utilisant le produit NfH2® (2)) par rapport à celle nécessaire selon le procédé de l'art antérieur (utilisant le composé réf.) (voir ci-dessus) pour pressuriser un réservoir de 1,5 m3 à une pression de 10 bars (1.106 Pa) avec des gaz de combustion refroidis à 293 K.
Tableau 4
Pressurisation d'un réservoir de 1,5 m3 à 10 bars à une température de 873 K
Produit Réf. NfH2® (2)
Nombre de moles à fournir 206
Pouvoir gonflant à 873 K 35138 86685
Masse de produit (kg) 5,1 2,1 Tableau 5
Figure imgf000021_0001
Le procédé de l'invention est donc particulièrement performant en termes de masse de produit pyrotechnique nécessaire pour pressuriser un réservoir avec des gaz de combustion susceptibles de se refroidir. Ceci est particulièrement intéressant en référence à l'optimisation de la masse de produit pyrotechnique embarquée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'alimentation d'un moteur de missile en un ergol stockable, comprenant les étapes successives ci-après :
1) la génération de gaz de combustion par combustion d'un chargement pyrotechnique, et la pressurisation dudit ergol stockable sous l'action desdits gaz de combustion, puis
2) la délivrance, à volonté, dudit ergol stockable pressurisé dans ledit moteur,
caractérisé en ce que ledit chargement pyrotechnique génère des gaz de combustion essentiellement constitués d'hydrogène.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chargement pyrotechnique génère des gaz de combustion constitués, pour au moins 75 % en mole, avantageusement pour au moins 80 % en mole, très avantageusement pour au moins 95 % en mole, d'hydrogène.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit chargement pyrotechnique est un chargement pyrotechnique constitué d'au moins un produit pyrotechnique renfermant, pour au moins 90 %, avantageusement 96 %, de sa masse, au moins un composant oxydant inorganique et au moins un composant réducteur hydrogéné choisi parmi les hydrures inorganiques, le borazane et les polyaminoboranes.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un composant réducteur hydrogéné choisi parmi les hydrures inorganiques est choisi parmi les borohydrures inorganiques, avantageusement les borohydrures alcalins et alcalino-terreux, très avantageusement les borohydrures de sodium, de lithium et de magnésium.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un composant réducteur hydrogéné est choisi parmi le borazane et les polyaminoboranes ; en ce que ledit au moins un composant réducteur hydrogéné consiste avantageusement en le borazane.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit au moins un composant oxydant inorganique est choisi parmi les sels d'ammonium, les dinitramides et les nitrates ; avantageusement parmi le perchlorate d'ammonium, l'ammonium dinitramide et le nitrate de strontium.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ledit au moins un produit pyrotechnique renferme :
- de 40 à 80 % en masse dudit au moins un composant réducteur hydrogéné (généralement d'un tel composant réducteur hydrogéné), et
- de 20 à 60 % en masse dudit au moins un composant oxydant inorganique (généralement d'un tel composant oxydant inorganique) ;
en ce que ledit au moins un produit pyrotechnique renferme avantageusement :
- de 55 à 75 % en masse dudit au moins un composant réducteur hydrogéné (généralement d'un tel composant réducteur hydrogéné), et - de 25 à 45 % en masse dudit au moins un composant oxydant inorganique (généralement d'un tel composant oxydant inorganique).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ledit au moins un produit pyrotechnique renferme plus de 50%, avantageusement plus de 70%, en masse dudit au moins un composant réducteur hydrogéné.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la délivrance dudit ergol stockable pressurisé dans ledit moteur est mise en œuvre avec contrôle du débit.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au sein d'un dispositif comprenant un réservoir comprenant deux chambres séparées par un piston ou une membrane déformable :
- une chambre, dite de stockage, convenant au stockage dudit ergol stockable, pourvue d'un orifice de communication avec le moteur du missile, reliée audit moteur de missile via des moyens d'injection, convenant à l'injection, avantageusement contrôlée, dudit ergol pressurisé dans ledit moteur ; et
- une chambre, dite d'expansion, convenant au stockage et à la combustion du chargement pyrotechnique générateur de gaz par combustion.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit ergol est un hydrocarbure liquide du type kérosène, de l'eau oxygénée ou de l'hydrazine éventuellement gélifiée.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit moteur de missile est un moteur statoréacteur, un moteur turboréacteur, un moteur hybride, un moteur à onde de
5 détonation puisée, ou un moteur bi-liquide.
13. Utilisation d'un chargement pyrotechnique dont les gaz de combustion sont essentiellement constitués d'hydrogène pour la pressurisation et l'injection d'un ergol dans un moteur de missile.
o
14. Utilisation selon la revendication 13 d'un chargement pyrotechnique tel que précisé à l'une quelconque des revendications 3 à 8.
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