WO2018065703A1 - Dispositif d'accrochage de propulseur d'appoint - Google Patents

Dispositif d'accrochage de propulseur d'appoint Download PDF

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WO2018065703A1 PCT/FR2017/052673 FR2017052673W WO2018065703A1 WO 2018065703 A1 WO2018065703 A1 WO 2018065703A1 FR 2017052673 W FR2017052673 W FR 2017052673W WO 2018065703 A1 WO2018065703 A1 WO 2018065703A1
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pivot
fastener
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Matthieu ESTEVES
Davy BELIN
Toufik SALHIOUI
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Arianegroup Sas
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    • B64G1/645—Separators

Definitions

  • the present invention relates to space launchers and relates to an attachment device between a main body of a space launcher and an accelerator stage or boost booster (booster in English) hooked laterally on this main body, along the main body and proposes for this purpose a fastener for the attachment of this booster.
  • boost booster boost in English
  • the thrust provided by the booster thrusters is transmitted by a fastener at the top of the booster.
  • the link solutions at the top and bottom of the acceleration stage can not have identical designs depending on whether the thrust passes through the top or bottom of the accelerator.
  • the specifications of the high and low link being different, one solution in one case can not be directly adaptable to the other.
  • the acceleration stages are most often powdered, even if liquid propulsion stages are known.
  • the stages with powder propulsion are more restrictive during the separation phases. Indeed, it is not possible to instantly stop a powder propellant and there is always a "push tail", which is also different from one propeller to another, even if they are theoretically identical . It is therefore necessary to separate "energetically" the acceleration stages of the main body during propulsion and therefore in a very short time.
  • This configuration where the ring 41 is rotatable and slidable on the axis 40 allows a natural uncoupling of the elements of the fastener during the separation of the main body and the booster booster without requiring a pyrotechnic separation device.
  • the sphere-type connection 43 in cylinder 41 which allows a limited angular displacement of the axis of the second pivot with respect to the axis of the first pivot aid the disengagement of the axis of the ring and gives a freedom of rotation at the level of the linear connection ..
  • This pivoted connection 60 blocks three degrees of freedom to know the three translations x, y, z and transmits the thrust of the booster;
  • This configuration makes it possible to take up heavy loads while retaining the necessary functional mobilities and allowing a natural separation between the acceleration stage and the main body of the launcher at the level of the point link of the invention.
  • the ball 60 at the level of the front skirt aims to transmit the longitudinal forces from the front of the booster.
  • the longitudinal forces result from the thrust, particularly in the context of the use of a solid powder booster of more than 100 tons.
  • the two rods 50 rotated at the ends take up the pairs of roll and yaw and work in tension-compression.
  • the point link 1 blocks the pitching torque of the booster.
  • the angulation of the connecting rods and the point connection make it possible to compensate for the dilation of the stages by minimizing the over-stresses at the level of the structures.
  • the system has three pyrotechnic active separations and a passive separation at the point link.
  • the solution can be likened to a rod adjustable in length.
  • the combination of the rotation of the connecting rod and its elongation makes it possible to perform a perfect translation along x and thus to relax the forces due to the differential expansion of the stages.
  • the solution of the invention may in particular be sized to hang boosters with solid propulsion of 100 tons, 15 m high, 3m in diameter, exerting a thrust of 1000 KN.
  • booster propellants may be different from two while remaining within the scope of the invention.

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Abstract

L'objet de l'invention est une attache (1) pour l'accrochage d'un propulseur d'appoint (200) le long d'un corps principal (100) d'un lanceur spatial qui comporte une combinaison de deux pivots (2, 3) et d'une liaison linéaire annulaire (4) et un lanceur spatial comportant au moins un propulseur d'appoint fixé à un corps principal avec une telle attache.

Description

DISPOSITIF D ' ACCROCHAGE DE PROPULSEUR D ' APPOINT
Domaine de l'invention
La présente invention concerne les lanceurs spatiaux et porte sur un dispositif d'accrochage entre un corps principal d'un lanceur spatial et un étage d'accélération ou propulseur d'appoint (booster en anglais) accroché latéralement sur ce corps principal, le long du corps principal et propose pour ce faire une attache pour l'accrochage de ce propulseur d ' appoint .
Arrière plan technologique
De façon générale, le système d'attache entre un propulseur d'appoint de lanceur spatial (boosters) et le corps central du lanceur spatial a pour objectif de bloquer tous les degrés de liberté entre ces deux éléments.
Pour certains lanceurs, la poussée fournie par les propulseurs d'appoint est transmise par une attache en partie haute du propulseur d'appoint.
L'attache en partie haute est une fixation supérieure qui passe la poussée constituée par une ferrure, éventuellement rotulée.
Pour la fixation de l'étage d'accélération ou propulseur d'appoint en partie basse il est connu notamment pour la navette spatiale et pour la fusée Ariane 5 d'utiliser trois bielles et donc de réaliser un dispositif isostatique mais qui ne permet pas de compenser des dilatations différentielles entre le corps principal et l'accélérateur.
La fusée Energia a un système d'accrochage hyperstatique comportant quatre bielles et deux ferrures dont une est à glissière orientée perpendiculairement à l'axe du lanceur.
Le lanceur Soyuz comporte un système d'attache isostatique .
Dans d'autres lanceurs, pour lesquels la poussée est appliquée en partie basse, comportent une ferrure éventuellement rotulée ou avec glissière en général complétée par des bielles. Ces lanceurs comportent en partie haute une ferrure ou pivot, complétée éventuellement par des bielles.
Il existe ainsi deux façons de faire passer les efforts du propulseur d'appoint vers le corps principal, par le haut ou par le bas de l'étage d'accélération.
Les efforts sont transmis essentiellement par des ferrures au niveau d'une liaison, la seconde liaison étant destinée plutôt à assurer le bon positionnement de l'accélérateur, en maîtrisant les translations et rotation parasites.
Par ailleurs, les solutions de liaisons en haut et en bas de l'étage d'accélération ne peuvent avoir des conceptions identiques selon que la poussée passe par le haut ou le bas de l'accélérateur. Les cahiers des charges des liaison haute et basse étant différents, une solution dans un cas ne peut pas être adaptable directement à l'autre.
La présente invention se place dans le cadre où la poussée passe par la liaison haute c'est à dire dans un cadre similaire aux lanceurs Ariane 5, Navette Spatiale, Soyuz et Energia.
De façon générale, les assemblages hyperstatique sont à éviter autant que possible : l'assemblage est plus contraint que ce qui est strictement nécessaire pour le maintenir, au moins un degré de mobilité d'une pièce étant supprimé plusieurs fois. On aboutit alors à des solutions éventuellement plus robustes, mais sûrement plus complexes, plus lourdes et nécessitant des réglages complexes lors des opérations d'intégration.
Il y a lieu de considérer les dilatations différentielles notamment dans le cas d'ergols cryogéniques.
De façon fréquente, les ergols utilisés dans le corps principal d'un lanceur et les étages d'accélération sont différents : souvent le corps principal est à propulsion cryogénique (02 et H2 liquides) et l'étage ou les étages d'accélération sont à poudre.
Cela se traduit par le fait qu'au moment du remplissage de l'étage cryogénique, celui-ci se contracte : les systèmes de liaison doivent être compatibles de cette déformation selon l'axe longitudinal du lanceur. Or les systèmes de liaison des lanceurs précités ne sont pas compatibles avec cette déformation.
Ceci crée des contraintes mécaniques au niveau de ces étages qui impliquent de dimensionner plus fortement les liaisons, et donc d'augmenter la masse des liaisons et étages .
Les étages d'accélération sont le plus souvent à poudre, même si l'on connaît des étages à propulsion liquide. Les étages à propulsion à poudre sont plus contraignants lors des phases de séparation. En effet, il n'est pas possible d'arrêter instantanément un propulseur à poudre et il y a toujours une « queue de poussée », qui de plus est différente d'un propulseur à l'autre, même s'ils sont théoriquement identiques. Il est donc nécessaire de séparer « énergiquement » les étages d'accélération du corps principal en cours de propulsion et donc en un temps très bref. On utilise pour se faire des dispositifs pyrotechniques complexes. Plus le nombre d'éléments de liaison est grand, plus la séparation est complexe et risquée.
Pour une propulsion liquide, on peut arrêter la propulsion de façon maîtrisée en fermant les vannes d'alimentation et utiliser des dispositifs séparation passifs. Selon la solution d'accrochage choisie il y aura plus ou moins de dispositifs pyrotechniques.
Brève description de l'invention
L'invention vise à obtenir un système d'attache entre le corps central d'un lanceur et un étage d'accélération qui réponde aux objectifs d'être isostatique, c'est à dire qu'il ne contraint les étages qu'au strict besoin et ne bloque qu'une seule fois les degrés de mobilité; de transmettre la poussée d'un booster solide de plus de 100 tonnes par l'avant; d'accepter une dilatation des étages en minimisant les surcontraintes au niveau des structures; de permettre de simplifier l'opération de séparation en nécessitant peu de pyrotechnie et bien entendu d'être compatible des ambiances sol et vol, en termes de thermique, mécanique et dynamique.
Dans ce cadre l'invention propose d'une part une attache pour l'accrochage d'un propulseur d'appoint le long d'un corps principal d'un lanceur spatial, qui comporte une combinaison de deux pivots et d'une liaison linéaire annulaire .
La liaison annulaire comporte avantageusement une liaison coulissante reliant lesdits pivots.
Préférablement , la liaison linéaire annulaire comporte un axe à terminaison libre sur lequel est montée une bague annulaire coulissante.
Selon un mode de réalisation particulier, l'axe à terminaison libre comporte un renflement pour former avec la bague annulaire une liaison de type sphère dans cylindre. La combinaison comporte avantageusement un premier pivot, côté propulseur d'appoint autour d'une direction Zi parallèle à la tangente au propulseur d'appoint au niveau de l'attache côté propulseur d'appoint et un second pivot côté corps principal autour d'une direction Z2 parallèle à la tangente au corps principal au niveau de l'attache côté corps principal .
Avantageusement, le premier pivot comporte un axe, fixé sur une ferrure solidaire du propulseur d'appoint, et un alésage, l'axe du premier pivot et l'alésage formant une liaison cylindre/cylindre selon la direction Zi parallèle à la tangente au propulseur d'appoint, l'alésage étant bloqué en translation sur l'axe du premier pivot et libre en rotation autour de cet axe.
Avantageusement le second pivot côté corps principal comporte, selon la direction Z2 parallèle à la tangente au corps principal , deux pions formant un axe du second pivot côté corps principal et la bague annulaire comporte sur son pourtour deux logements diamétralement opposés de réception desdits pions.
La liaison de type sphère dans cylindre autorise avantageusement un débattement angulaire limité de l'axe du second pivot autour de l'axe du premier pivot.
L'invention propose en outre un lanceur spatial comportant un corps principal et au moins un propulseur d'appoint, qui comporte, en partie basse du propulseur d'appoint, une attache selon l'invention.
Le lanceur spatial peut notamment comporter, en complément de l'attache, une paire de bielles entre le corps principal et ledit propulseur d'appoint, de part et d'autre de l'attache dans un plan perpendiculaire à la direction principale du lanceur. Le lanceur spatial peut en outre comporter en partie haute du propulseur d'appoint une liaison à rotule reliant le haut du propulseur d'appoint au flanc du corps principal.
L'attache forme avantageusement pour ce lanceur un système de liaison ponctuelle entre le corps principal et le propulseur d'appoint.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent:
en figure 1: une vue en perspective d'une attache selon l'invention;
en figure 2: une vue perspective éclatée de l'attache de la figure 1 ;
en figure 3: une vue de dessus d'une attache selon l'invention en situation entre un corps principal et un propulseur d'appoint de lanceur spatial;
en figure 4: un détail en coupe d'un mode de réalisation d'une liaison linéaire annulaire de l'invention; en figure 5: une vue schématique d'un principe de réalisation d'une attache de l'invention;
en figure 6: une vue de côté d'une bielle d'un système de fixation de propulseur d'appoint sur un corps principal de lanceur;
en figure 7: une vue en perspective de la partie inférieure d'un propulseur d'appoint et de son système de fixation inférieure;
en figure 8: une vue schématique d'un lanceur équipé de l'attache de l'invention;
en figure 9: une vue en coupe d'une liaison rotulée, de fixation supérieure d'un propulseur d'appoint sur le corps principal d'un lanceur. Description détaillée de modes de réalisation de
1 ' invention
Dans le cadre de l'invention est définie une attache particulière qui se positionne en partie basse du corps d'un étage d'accélération, propulseur d'appoint ou booster d'un lanceur spatial et qui permet de le fixer sur le corps principal de ce lanceur.
La figure 1 représente un exemple de réalisation d'une attache conforme à l'invention. L'attache comporte deux ferrures, la ferrure 201 fixée sur le propulseur d'appoint 200 et la ferrure 101 fixée sur le corps principal 100.
L'attache de l'invention comporte une combinaison de deux pivots 2, 3 et d'une liaison linéaire annulaire 4 qui comporte selon l'exemple une liaison coulissante reliant lesdits pivots.
Les liaisons pivot comportent une première liaison pivot 2 côté ferrure 201 du propulseur d'appoint 200 et une seconde liaison pivot 3 côté ferrure du corps principal 101.
L'attache est vue en perspective éclatée à la figure 2. Le premier pivot 2 comporte un axe 21 reçu dans un logement ouvert de la ferrure 201. Le premier pivot comporte en outre un alésage 22 formé dans un tube disposé à l'extrémité opposée de la terminaison libre de l'axe 40 à terminaison libre et perpendiculaire à l'axe 40 à terminaison libre.
Le premier pivot 2, côté propulseur d'appoint 200 permet une rotation de l'axe 40 à terminaison libre autour d'une direction Z i parallèle à la tangente au propulseur d'appoint au niveau de l'attache côté propulseur d'appoint et l'axe 21 du premier pivot et l'alésage 22 forment une liaison cylindre/cylindre selon la direction Z i parallèle à la tangente au propulseur d'appoint. Le pivot représenté à la figure 2 est tel que l'axe 21 comporte un filetage 21a et reçoit une bague ou chemise 24 sur laquelle est monté le tube pourvu de l'alésage 22. Des écrous 23a, 23b bloquent l'alésage 22 en translation sur l'axe 21. L'alésage 22 reste libre en rotation autour de 1 ' axe 21.
La liaison linéaire annulaire comporte l'axe 40 à terminaison libre qui reçoit la bague annulaire 41. la bague annulaire peut coulisser longitudinalement sur l'axe et tourner autour de l'axe. La bague annulaire 41 comporte deux logements 42a, 42b de réception de pions 31a, 31b qui forment l'axe de la liaison pivot côté corps principal .
Pour donner une liberté angulaire à la bague 41 autour de l'axe 40, ce dernier comporte un renflement 43 comme représenté en figure 4. Ce renflement réalise une liaison de type sphère dans cylindre au niveau de la liaison linéaire annulaire ce qui donne une certaine liberté angulaire à l'axe géométrique de la bague par rapport à l'axe géométrique de l'axe 40 à terminaison libre.
Le second pivot 3 côté corps principal tourne autour d'une direction Z2 parallèle à la tangente au corps principal au niveau de la ferrure 101 de l'attache côté corps principal 100.
Comme vu plus haut, les pions 31a, 31b forment un axe du second pivot selon la direction Z2 côté corps principal . Ces pions sont reçus dans les deux logements 42a, 42b diamétralement opposés de la bague 41 qui peut ainsi tourner autour de la direction Z2.
Cette configuration où la bague 41 est rotative et susceptible de coulisser sur l'axe 40 permet un désaccouplement naturel des éléments de l'attache lors de la séparation du corps principal et du propulseur d'appoint sans nécessiter de dispositif de séparation pyrotechnique. La liaison de type sphère 43 dans cylindre 41 qui autorise un débattement angulaire limité de l'axe du second pivot par rapport à l'axe du premier pivot aide au dégagement de l'axe de la bague et donne une liberté en rotation au niveau de la liaison linéaire..
La figure 3 représente schématiquement l'attache 1 entre le corps principal 100 du lanceur et l'étage accélérateur propulseur 200 en vue de dessus. L'attache 1 constitue, au regard des dimensions du lanceur, un système de liaison ponctuelle entre le corps principal et l'étage accélérateur ou propulseur d'appoint.
La figure 7 représente la partie basse du propulseur d'appoint au dessus de sa tuyère 210 et permet de représenter de manière complète la fixation basse du propulseur 200 sur le corps principal. Cette fixation basse comprend, en complément de l'attache 1, une paire de bielles 50 de part et d'autre de l'attache dans un plan perpendiculaire à la direction principale (X) du lanceur.
Une bielle 50 est représentée en figure 6. Elle comprend deux extrémités 51, 52 pourvues d'articulations rotule. Les deux bielles 50 sont rotulées aux extrémités donc travaillent en traction-compression. La bielle est ajustable en longueur par un principe de ridoir, l'embout 51 est fileté, l'embout 52 est fileté avec un pas « gauche ». l'alésage 50a est taraudé à une extrémité avec un taraudage classique et a l'autre extrémité avec un taraudage « gauche ». Ainsi en tournant 50a dans un sens on rapproche les embouts 51 et 52 ; en tournant dans l'autre sens on éloigne les embouts 51 et 52.
La solution complète mise en œuvre comporte les éléments suivants :
- une liaison rotule à l'avant du booster et représentée en figure 9. Cette liaison rotulée 60 bloque trois degrés de liberté à savoir les trois translations x,y,z et transmet la poussée du booster;
- une fixation basse comportant deux bielles rotulées à leurs extrémités en sorte de bloquer les rotations en roulis et en lacet du booster et d'une troisième liaison de type ponctuelle bloquant le tangage conforme à l'attache de 1 ' invention .
Ainsi chaque degrés de liberté n'est bloqué qu'une seule fois, ce qui rend le système isostatique.
Cette configuration permet de reprendre de fortes charges tout en conservant les mobilités fonctionnelles nécessaires et en permettant une séparation naturelle entre l'étage d'accélération et le corps principal du lanceur au niveau de la liaison ponctuelle de l'invention.
L'attache de l'invention est notamment utilisable dans un milieu ambiant exigeant en terme thermique, mécanique et dynamique .
La figure 8 schématise un lanceur à deux boosters 200 et corps principal 100 pour lequel les boosters sont fixés au corps principal par les liaisons rotules 60 en partie haute et les liaisons attache 1 et bielles 50 en partie basse.
Comme vu plus haut, la rotule 60 au niveau de la jupe avant a pour objectif de transmettre les efforts longitudinaux par l'avant du propulseur d'appoint. Les efforts longitudinaux résultent de la poussée notamment dans le cadre de l'utilisation d'un booster à poudre solide de plus de 100 tonnes. Les deux bielles 50 rotulées aux extrémités reprennent les couples de roulis et lacet et travaillent en traction-compression. La liaison ponctuelle 1 bloque le couple de tangage du booster.
L'angulation des bielles et de la liaison ponctuelle permettent de compenser la dilatation des étages en minimisant les sur-contraintes au niveau des structures. Le système possède trois séparations actives pyrotechniques et une séparation passive au niveau de la liaison ponctuelle.
La liaison ponctuelle telle que schématisée à la figure 5_ est conçue pour autoriser une translation selon l'axe X axe principal du lanceur en combinant deux pivots 2, 3 d'axe Z (axe tangent au corps principal au point de liaison) et une liaison à translation linéaire annulaire 4 selon l'axe Y (axe radial au point de liaison) ce qui permet de compenser la dilatation différentielle entre l'étage d'appoint et le corps principal. Elle est en outre conçue pour bloquer la translation selon l'axe Z.
Enfin, la translation selon l'axe Y n'est pas limitée dans une direction de séparation du booster et du corps principal pour permettre la séparation naturelle de ces derniers du fait de l'utilisation de l'axe 40 à terminaison libre de la figure 4.
Pour les rotations, une rotation est possible sur les pivots 2 et 3 d'axe Z, la rotation selon l'axe X est bloquée par la liaison linéaire annulaire 4 d'axe Y . Cette liaison linéaire permet par contre une rotation autour de l'axe Y.
Pour simplifier, la solution peut s'apparenter à une bielle ajustable en longueur. Ainsi la combinaison de la rotation de la bielle et de son allongement permet d'effectuer une translation parfaite suivant x et ainsi de relâcher les efforts dus à la dilatation différentielle des étages .
A titre indicatif, la solution de l'invention peut notamment être dimensionnée pour accrocher des boosters à propulsion solide de 100 Tonnes, 15 m de haut, 3m de diamètre, exerçant une poussée de 1 000 KN.
L'ensemble des pièces peuvent être réalisées en usinage dans un acier à haute résistance. Les possibilités de réglage de la solution permettent le rattrapage des jeux de conception/fabrication, et donc la faisabilité de l'assemblage.
L'attache basse devant s'adapter par rapport à l'attache haute, un système de mise à longueur des bielles et un réglage suivant z de la liaison ponctuelle sont nécessaires pour l'intégration. Par exemple par un réglage continu par les écrous à encoche 23 de la figure 2.
L'invention n'est pas limitée à l'exemple représenté et notamment le nombre de propulseurs d'appoint peut être différent de deux tout en restant dans le cadre de 1 ' invention .

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 - Attache (1) pour l'accrochage d'un propulseur d'appoint (200) le long d'un corps principal (100) d'un lanceur spatial, caractérisée en ce qu'elle comporte une combinaison de deux pivots (2, 3) et d'une liaison linéaire annulaire ( 4 ) .
2 - Attache selon la revendication 1, pour laquelle ladite liaison annulaire (4) comporte une liaison coulissante reliant lesdits pivots.
3- Attache selon la revendication 2, pour laquelle la liaison linéaire annulaire comporte un axe (40) à terminaison libre sur lequel est montée une bague annulaire (41) coulissante .
4 - Attache selon la revendication 3, pour laquelle l'axe (40) à terminaison libre comporte un renflement (43) pour former avec la bague annulaire (41) une liaison de type sphère dans cylindre.
5 - Attache selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la combinaison comporte un premier pivot (2), côté propulseur d'appoint (200) autour d'une direction Zi parallèle à la tangente au propulseur d'appoint au niveau de l'attache côté propulseur d'appoint et un second pivot (3) côté corps principal autour d'une direction Z2 parallèle à la tangente au corps principal au niveau de l'attache côté corps principal .
6 - Attache selon la revendication 5, pour laquelle le premier pivot (2) comporte un axe (21), fixé sur une ferrure (201) solidaire du propulseur d'appoint (200), et un alésage (22), l'axe (21) du premier pivot et l'alésage (22) formant une liaison cylindre/cylindre selon la direction Zi parallèle à la tangente au propulseur d'appoint, l'alésage (22) étant bloqué en translation (23a, 23b) sur l'axe (21) du premier pivot et libre en rotation autour de cet axe.
7 - Attache selon la revendication 3 et la revendication 5 ou 6, pour laquelle le second pivot (3) côté corps principal comporte, selon la direction Z2 parallèle à la tangente au corps principal , deux pions (31a, 32b) formant un axe du second pivot côté corps principal et pour laquelle la bague annulaire (41) comporte sur son pourtour deux logements (42a, 42b) diamétralement opposés de réception desdits pions.
8 - Attache selon les revendications 4 et 5, pour laquelle la liaison de type sphère (43) dans cylindre (41) autorise un débattement angulaire limité de l'axe du second pivot autour de l'axe du premier pivot.
9 - Lanceur spatial comportant un corps principal et au moins un propulseur d'appoint, caractérisé en ce qu'il comporte, en partie basse du propulseur d'appoint, une attache (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10 - Lanceur spatial selon la revendication 9, comportant, en complément de l'attache (1), une paire de bielles (50) entre le corps principal et ledit propulseur d'appoint, de part et d'autre de l'attache dans un plan perpendiculaire à la direction principale (X) du lanceur.
11 - Lanceur spatial selon la revendication 9 ou 10, comportant en partie haute du propulseur d'appoint une liaison à rotule (60) reliant le haut du propulseur d'appoint au flanc du corps principal.
12 - Lanceur spatial selon la revendication 9, 10 ou 11, pour lequel l'attache forme un système de liaison ponctuelle entre le corps principal et le propulseur d'appoint.
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