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Nitrocellulose
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Chemical Role
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adhesive
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PROPELLANT
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Molecule
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DES
(2)
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nitroglycerin
(1)
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Generic
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metal
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2515736A1
Family ID 8042360
Probable Assignee Thomson Brandt
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PROCEDE DE FABRICATION D'UN CHARGEMENT DE PROPERGOL ET CHARGE
PROPULSIVE COMPRENANT UN TEL CHARGEMENT
EN Title FORMING PROPERGOL ROCKET CHARGE - USING PLASTICS STRIP TO
RETAIN PLATES OF PROPELLANT MATERIAL
Abstract
_________________________________________________________________
PROCEDE DE FABRICATION D'UN CHARGEMENT DE PROPERGOL COMPRENANT DES
LAMELLES DE PROPERGOL, PROCEDE CONSISTANT A REALISER PAR MOULAGE UNE
BANDE PLASTIQUE, EN UN MATERIAU POLYMERISABLE, DANS LAQUELLE LA BASE
DES LAMELLES SE TROUVE EMPRISONNEE AVEC UN PAS DETERMINE, ET CHARGE
PROPULSIVE 32 DESTINEE A UN PROPULSEUR 30, DANS LAQUELLE UN TRONCON 11
DE LA BANDE PLASTIQUE MUNIE DE SES LAMELLES DE PROPERGOL 10, EST
ENROULEE SUR ELLE-MEME, INTRODUITE DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION 32
PUIS COLLEE SUR LA FACE INTERNE DE LA PAROI 34 DU PROPULSEUR.
L'INVENTION TROUVE SON APPLICATION DANS LES PROPULSEURS D'ACCELERATION
EQUIPANT LES PROJECTILES AUTOPROPULSES.
Method of forming a lamellar charge for a propergol rocket engine has
a plastics strip with a thickness equal to the length of the propergol
dates to retain the base of the plates. The plates are placed in a
gutter to retain them horizontal. A plastics fluid is fed into the
gutter to form the plastics strip of uniform thickness. The gutter is
then extracted and the plastics strip anchors the plates. Pref. the
plastics is a polyurethane called 'Adiprene' (RTM).
Description
_________________________________________________________________
PROCEDE DE FABRICATION D'UN CHARGEMENT
DE PROPERGOL ET CHARGE PROPULSIVE COMPRENANT
UN TEL CHARGEMENT.
L'invention concerne un procede de fabrication d'un chargement de
propergol comprenant des elements de propergol se presentant sous la
forme de lamelles; elle concerne egalement une charge propulsive et
plus precisement une charge propulsive a courte duree de propulsion
comprenant un tel chargement.
Les chargements de propergol a courte duree de fonctionnement mis en
oeuvre dans les propulsions d'acceleration destines aux projectiles
autopropulses doivent etre constitues d'elements de propergol ayant
une surface effective de combustion importante et fournir un debit
interne du flux de gaz resultant de la combustion des elements de
propergol afin d'obtenir une forte poussee impulsionnelle, d'une duree
de l'ordre de la dizaine de millisecondes, par exemple. Ces
caracteristiques peuvent etre atteintes en utilisant, notamment, des
lamelles de propergol disposees longitudinalement en couronne. En
effet, de telles lamelles de propergol sont fabriquees couramment,
sous faible epaisseur, avec des dimensions geometriques parfaitement
reproductibles.
Une charge propulsive comprend essentiellement un chargement de
propergol maintenu en place a l'interieur d'une chambre de combustion
et des dispositifs auxiliaires tels que les dispositifs pyrotechniques
d'ignition du chargement de propergol.
On connait deja une charge propulsive lamellaire realisee suivant un
procede s'apparentant a la technique de fonderie sous pression d'un
metal en fusion. Selon ce procede de fabrication, les lamelles ou
plaquettes de propergol sont rangees axialement sur un montage qui
peut recevoir la chambre de combustion avec un certain jeu entre la
partie peripherique des plaquettes et la paroi interne de la chambre
de combustion. Ce montage ainsl equipe est mis en autorotation rapide
autour de son axe longitudinal puis une quantite predeterminee d'une
resine polymerisable, preferentiellement a temperature ambiante, est
introduite a l'interieur de la chambre pour etre repartie uniformement
par centrifugation sur la paroi interne de la chambre de combustion
jusqu'a emprisonner le bord peripherique de chacune de ces plaquettes
de propergol.Apres polymerisation de la resine, la charge propulsive
peut etre extraite du montage. Dans la pratique, la duree de
fabrication d'une telle charge s'avere relativement longue et les
operations de controle presentent des difficultes.
Pour pallier les inconvenients inherents au procede de fabrication par
centrifugation, on a propose de realiser separement le chargement de
poudre, puis de placer celui-ci a l'interieur de la chambre de
combustion. Selon ce procede, le moyen d'ancrage des plaquettes est
fourni par une plaque metallique souple munie de saillies
longitudinales dans lesquelles la base des plaquettes de propergol est
inseree et fixee par collage. Par une operation de cambrage, on
confere a cette plaque d'ancrage equipee de ces plaquettes, une forme
cylindrique qui permet son insertion a l'interieur de la chambre de
combustion. L'elasticite de la plaque d'ancrage permet d'assurer un
certain contact entre la surface externe de la plaque et la paroi
interne de la chambre.Ce procede de fabrication presente certains
inconvenients, notamment son cout de realisation et surtout la
difficulte pour obtenir un contact parfait chargement-chambre et
resorber les contraintes resultantes de l'enroulement de la plaque
d'ancrage.
Le but de la presente invention est de remedier a l'ensemble des
inconvenients precites, notamment par la fabrication d'un chargement
de propergol lineaire souple qui peut etre enroule sur luimeme et
place en contact intime sur la face interne de la paroi de la chambre
de combustion pour constituer une charge propulsive fiable et de
construction simplifiee.
Pour atteindre ce but, le procede de fabrication d'un chargement
lamellaire de propergol consiste a ranger des lamelles de propergol
dans une gouttiere, puis, a verser dans cette gouttiere une quantite
predeterminee d'un materiau fluide polymerisable, ayant
preferentiellement des propriete inhibitrices, pour obtenir une bande
souple dans laquelle la base des lamelles de propergol se trouve,
apres polymerisation du materiau, solidement ancree.
Une charge propulsive, realisee conformement a l'invention; comprend
un troncon de chargement de propergol qui est enroule sur lui-meme
puis plaque intimement sur la face interne de la paroi de la chambre
de combustion et fixee par un materiau adhesif.
D'autres caracteristiques et avantages fournir par l'invention
apparaitront dans la description detaillee du procede de fabrication
et d'un mode de realisation d'une charge propulsive, faite en regard
de dessins annexes; sur ces dessins:
- la figure la se rapporte a l'art anterieur et represente un moyen
d'ancrage de plaquettes de propergol;
- la figure lb represente, selon une vue en coupe partielle, une
charge propulsive cornprenant un chargement de propergol comportant le
moyen d'ancrage de la figure precedente;
- la figure 2 represente une lamelle de propergol;
- la figure 3a est une vue en coupe longitudinale de la semelle
d'ancrage des lamelles de propergol;
- la figure 3b est une vue en coupe transversale de la semelle
d'ancrage des lamelles de propergol;;
- la figure 4 illustre le procede de fabrication d'un chargement
lamellaire conformement a l'invention;
- la figure 5 illustre une variante du procede de fabrication decrit
dans la figure 3a;
- la figure 6a est une vue en coupe longitudinale partielle d'un
propulseur comprenant une charge propulsive conforme a l'invention;
- la figure 6b est une vue en coupe transversale de la charge
propulsive de la figure 6a;
- la figure 7a est une vue en coupe longitudinale representant une
variante de realisation de la charge propulsive decrite sur la figure
Ga;
- la figure 7b est une vue en coupe transversale de la charge
propulsive de la figure 7a.
Les figures la et lb se rapportent a l'art anterieur et representent,
respectivement, selon une vue en coupe, un mode de realisation d'un
moyen d'ancrage de plaquettes de propergol pour constituer un
chargement de propergol et un tel chargement dispose a l'interieur
d'une chambre de combustion.
Sur la figure la, on voit que le moyen d'ancrage des lamelles de
propergol l est constitue par une plaque metallique 2 comportant des
saillies 3 regulierement distribuees et obtenues par une opera- tion
de double pliage de la plaque metallique. Les lamelles de propergol
sont encastrees entre deux saillies consecutives, apres que leur base
ait ete recouverte d'une mince couche de colle. Ensuite, une operation
consistant a recouvrir la face interne d!une mince couche d'un
materiau inhibiteur complete la fabrication du chargemment.
Sur la figure lb, a l'aide d'un outillage specifique, on a cambre le
chargement de la figure la pour lui conferer une forme polygonale et
permettre son insertion a l'interieur d'une chambre de combustion 4.
Les points de contact entre la face exterieure du chargement et la
face interne de la paroi de la chambre sont fournis par l'elasticite
de la plaque metallique 2 due a sa structure en soufflet qui permet
conjointement de resorber, tout au moins partiellement, les
contraintes mecaniques sur la base des plaquettes de propergol.
On decrira ci-apres le procede de fabrication d'un chargement de
propergol selon l'invention, en considerant plus particulierement la
fabrication simultanee-d'un nombre N de chargements.
Sur la figure 2, on a represente un des elements de propergol qui se
presente sous la forme d'une lamelle rectangulaire. Les surfaces
effectives de combustion de la lamelle de propergol 10 sont definies
par leur longueur 1 et leur hauteur h, et, la duree de combustion pour
un type de propergol donne, par l'epaisseur e de la lamelle. La
longueur des lamelles de propergol est sensiblement egale a la
longueur de la chambre de combustion du propulseur destine a recevoir
ce chargement et la hauteur h est fonction du diametre de cette
chambre de combustion et de l'epaisseur des lamelles. La partie non
active ou base b de la lamelle est destinee a fournir le moyen
d'ancrage de celle-ci dans une semelle qui sera decrite
ulterieurement. Les lamelles peuvent etre obtenues a partir de
feuilles de propergol disponibles commercialement sous des epaisseurs
variees.L'obtention de ces lamelles fait appel aux techniques
classiques de laminage pour amener l'epaisseur de ces feuilles a la
valeur e et de decoupage d'elements rectangulaires de dimensions
geometriques parfaitement calibrees. Le propergol utilise peut etre,
par exemple, un propergol double base (nitrocellulose, nitroglycerin
et des additifs classiques).
La figure 3a represente, selon une vue en coupe longitudinale, des
lamelles de propergol 10 dont la base b est moulee dans une semelle
d'ancrage 11. Ces lamelles de propergol sont rangees regulierement
avec un pas constant P determine par les car acte- ristiques de la
charge, notamment son impulsion totale. La longueur totale Lr de la
semelle est preferentiellement egale a un multiple de la longueur Lo
d'un chargement elementaire, cette longueur Lo etant donnee par la
relation suivante:
L0= Dc dans laquelle Dc est le diametre de la paroi sur laquelle doit
etre fixe le chargement de propergol.L'epaisseur A de la semelle
d'ancrage Il est determinee par la resistance d'ancrage, tandis que la
profondeur d'ancrage (A-B) est fonction de la resistance a la traction
de la semelle. La semelle doit posseder des caracteristiques
inhibitrices et peut etre realisee a partir d'une resine polymerisable
telle que le polyurethane "adiprene" type L 100 fabrique par la firme
"DUPONT de NEMOURS" qui, apres polymerisation, possede des proprietes
elastiques permettant son enroulement avec des rayons de courbures
compatibles de ceux rencontres dans les chambres de combustion visees
par l'invention.
La figure 3b est une vue en coupe transversale du chargement de
propergol de la figure 3a, montrant plus particulierement Pan crage de
la base b des lamelles de propergol 10 dans la semelle d'ancrage 11.
La largeur LN de cette semelle est sensiblement superieure a la
largeur I des semelles pour fournir un rebord d'epaisseur c.
La figure 4 illustre le procede de fabrication du chargement de
propergol decrit aux figures 3a et 3b. Les lamelles de propergol 10
etant obtenues comme indique precedemment, c'est-a-dire a la suite des
operations de laminage et de decoupage de feuilles de propergol sont
rangees regulierement dans une gouttiere de moulage 20 de section en
"U", la longueur et la largeur de cette gouttiere de moulage etant
sensiblement egales, respectivement, aux grandeurs
LT et LN deja definies. La profondeur D de la gouttiere etant au moins
egale a l'epaisseur A de la semelle d'ancrage des lamelles. Le moyen
de maintien dans la gouttiere des lamelles de propergol peut etre
fourni, par exemple, par un jeu de rails 21a et 21b comportant des
encoches equidistantes de la quantite P, ou pas d'ancrage deja defini,
et ces rails sont articules sur la gouttiere autour d'un axe 22.
A cet effet, les cotes des lamelles de propergol 10 comportent une
empreinte 10a qui assure le positionnement correct en hauteur audessus
du fond de la gouttiere pour laisser un jeu egal a la quantite B
precedemment definie.
L'operation de rangement des lamelles de propergol dans la gouttiere
de moulage etant executee, et la gouttiere placee horizontalement, on
verse par, unite de longueur, une quantite predeterminee d'une resine
polymerisable pour obtenir une semelle ou bande d'ancrage d'epaisseur
e.
L'etape suivante consiste a accelerer la vitesse de polymerisation de
la resine en elevant la temperature de celle-ci, l'ete vation de
temperature necessaire a une polymerisation correcte de la resine
etant donnee par le fournisseur de la resine. Lorsque la
polymerisation de la semelle d'ancrage est suffisamment avancee, on
degage les rails de maintien des lamelles et on extrait la bande
d'ancrage dans laquelle se trouvent emprisonnees les lamelles de
propergol. L'operation de polymerisation de la bande d'ancrage peut
etre completee si necessaire a l'exterieur de la gouttiere. Enfin, la
derniere operation consiste a tronconner la bande pour fournir des
segments de chargement de longueur L0.
La figure 5 illustre une variante du procede de fabrication decrit
ci-dessus, le procede differant essentiellement par la methode de
rangement des lamelles de propergol et, par voie de consequence, des
moyens de maintien des lamelles au dessus de la gouttiere de moulage
20 comportant des bossages 23 d'encastrement des lamelles de propergol
10, ces bossages etant distants relativement de la quantite P egale au
pas de rangement. De plus, la profondeur de ces bossages
d'encastrement est limitee afin de menager un jeu entre le bord de la
barre b de la lamelle et le fond de la gouttiere.
D'autres methodes de rangement des plaquettes de propergol demeurent
envisageables, selon que l'on considere une operation de rangement
plus ou moins automatisee.
Des chargements de propergol fabriques conformement a l'invention
peuvent avoir des caracteristiques geometriques variees qui dependent
des parametres de construction du propulseur, notamment des dimensions
de la chambre de combustion, de l'impulsion totale, de la duree de
combustion, etc... Generalement, l'epaisseur,e des lamelles de
propergol est de l'ordre des millimetres, leur longueur pouvant varier
de quelques centimetres a plusieurs decimetres, tandis que l'epaisseur
A de la semelle d'ancrage, dans la pratique, est de l'ordre de
quelques millimetres. Le nombre des lamelles de propergol par
chargement unitaire peut atteindre plusieurs dizaines d'unites. Les
chargements consideres ici peuvent etre utilises dans des propulseurs
d'acceleration dont la duree de combustion est de l'ordre de la
dizaine de millisecondes et le diametre de ces propulseurs se situant
entre quelques centimetres et plusieurs dizaines de centimetres.
Dans ce qui suit, on decrira un mode de realisation conformement a
l'invention, d'une charge propulsive comprenant un chargement de
propergol fabrique suivant le procede qui vient d'etre expose.
La figure 6a est une vue en coupe longitudinale partielle d'un
propulseur d'acceleration 30 comprenant une chambre de combustion
31 a l'interieur de laquelle est dispose un chargement lamellaire 32
de propergol. La chambre de combustion, de forme cylindrique, est
couplee a une tuyere d'ejection 33. Cette chambre de combustion est
delimitee par une paroi metallique 34, realisee en un materiau capable
de resister aux forces de pression et aux temperatures elevees
rencontrees pendant la duree de fonctionnement du char gement de
propergol.
Le chargement de propergol, disponible sous la forme d'une bande
plastique elastique dans laquelle sont ancrees les lamelles de
propergol, est sectionnee pour obtenir une longueur Lo egale a la
circonference interne de la paroi de la chambre de combustion, puis
enroulee sur elle-meme pour etre introduite a l'interieur de la
chambre et plaquee contre la face interne de la paroi prealablement
recouverte d'un materiau adhesif. Le calage longitudinal du char
gement de propergol est obtenu par decrochement 35 de la paroi 34.
Le materiau adhesif permettant de coller le chargement de pro pergol
sur la face interne de la chambre de combustion peut etre une resine
polymerisable identique a celle deja utilisee pour realiser la semelle
d'ancrage 1 1 des lamelles de propergol 10. Les moyens d'ignition du
chargement de propergol, qui ne font par partie de
Invention, ne seront pas decrits; ces moyens d'ignition peuvent etre
places en amont du chargement et constitues par des dispositifs
pyrotechniques classiques. Le volume libre, laisse par les lamelles de
propergol, coaxial a l'axe longitudinal X,X' du propulseur peut etre
utilise pour disposer un propulseur de croisiere afin de realiser un
propulseur composite.
La figure 6b est une vue en coupe transversale de la charge propulsive
dans laquelle un nombre reduit de lamelles de propergol
10 ont ete representees dans un but de simplification du dessin. Sur
cette figure, on voit plus clairement la coupure 12 de la semelle
d'ancrage Il des lamelles de propergol. Cette coupure peut etre droite
ou biseautee dans le but de faciliter le plaquage de la semelle
d'ancrage sur la chambre de combustion. Enfin, la couche adhesive 35 a
ete representee.
La figure 7a est une vue en coupe longitudinale d'une variante de
realisation du propulseur decrit sur la figure 6a. Selon cette
variante de realisation, le propulseur 40 comprend un mandrin coaxial
41 porte par un element annulaire 42 solidaire de la paroi 34 du
propulseur; la fonction de ce mandrin est de recevoir un propulseur de
croisiere 50. Le chargement de propergol du propulseur d'acceleration
comprend la semelle d'ancrage 11 des lamelles de propergol 10. Selon
cette variante de realisation, la semelle d'ancrage 11 est plaquee et
collee sur la face externe du mandrin et.l.
Le moyen de calage longitudinal du chargement de propergol est fourni,
d'une part, par un flasque 43 et une grille circulaire 44.
Cette grilie circulaire 44 et l'element 42 du support du mandrin 41
delimitent un logement torique 45 a l'interieur duquel il est possible
de placer une charge pyrotechnique d'ignition du chargement de
propergol. En outre, si necessaire, la paroi interne de la chambre de
combustion 34 peut recevoir une couche 46 d'un materiau inhibiteur.
La figure 7b est une vue en coupe transversale du propulseur decrit a
la figure 7a, le nombre des lamelles de propergol 10 representees
ayant ete reduit dans un but de simplification du dessin. Sur cette
figure, on voit plus clairement la coupure 12 de la semelle 11, le
revetement inhibiteur 46 et la couche adhesive 47 entre le mandrin 41
et la semelle d'ancrage 11.
Une caracteristique importante des charges propulsives fabriquees et
realisees conformement a l'invention est, comme l'ont confirme des
essais, la forme quasi rectangulaire de la poussee fournie en fonction
du temps de combustion. L'analyse des resultats de ces essais semble
indiquer que la geometrie tres pure de la charge propulsive se
conserve pendant la duree de combustion des lamelles de propergol.
Les avantages que procure l'invention apparaissent maintenant plus
clairement, notamment: les outillages de fabrication n'exigent pas
d'investissements importants, les controles de fabrication du
chargement de propergol sont facilites par la forme developpee de
celui-ci, ces chargements de propergol peuvent etre stockes sous un
volume reduit et la duree de fabrication par unite est notablement
reduite. De plus, I'operation de montage d'un tel chargement de
propergol a l'interieur d'une chambre de combustion est facilite par
la souplesse de la semelle d'ancrage des lamelles de propergol, et
cette semelle d'ancrage en contact intime avec la surface interne de
la paroi de la chambre de combustion confere une resistance mecanique
elevee a la charge propulsive necessaire notamment au moment de
l'acceleration.
L'invention n'est pas strictement limitee aux exemples de realisation
decrits, notamment: l'operation d'introduction du materiau
polymerisable dans la gouttiere de moulage peut preceder l'operation
de rangement des lamelles de propergol dans cette gouttiere; les
moyens de rangement des lamelles de propergol dans la gouttiere
peuvent etre varies en fonction de la capacite de production a mettre
en place et la forme geometrique des lamelles de propergol peut etre
modifiee en fonction d'applications specifiques.
D'une facon generale, l'invention est applicable dans les cas ou la
surface de fixation de la semelle d'ancrage des lamelles de propergol
est une surface developpable.
L'invention trouve son application dans la construction des
propulseurs destines aux projectiles autopropulses.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Procede de fabrication d'une charge lamellaire d'un propergol,
caracterise en ce que, disposant de lamelles de propergol (10)
calibrees, il consiste a realiser une bande plastique (11) de largeur
(LN), sensiblement egale a la longueur (I) des lamelles de propergol,
et d'epaisseur (A) suffisante pour emprisonner la base (b) de ces
lamelles.
2. Procede selon la revendication 1, caracterise -en ce qu'il comporte
les operations suivantes: a) le rangement des lamelles de propergol
(10) dans une gouttiere de moulage (20) maintenu a l'horizontale, b)
l'introduction dans cette gouttiere de moulage d'une quantite
predeterminee, par unite de longueur, d'un materiau fluide
polymerisable, pour former une bande plastique d'epaisseur (e)
uniforme, c) la polymerisation, tout au moins partielle, de la bande
plastique, d) l'extraction de la gouttiere de moulage de la bande
plastique et des lamelles, e) la polymerisation complete, si
necessaire, de la bande plastique.
3. Procede de fabrication selon la revendication 2, caracterisee en ce
que l'ordre des operations de rangement (a) et d'intro- duction de la
resine (b) est inverse.
4. Procede de fabrication selon l'une des revendications 1 a
3,caracterise en ce que le materiau fluide polymerisable utilise pour
obtenir une bande plastique (11) est un polyurethane "adiprene".
5. Charge propulsive comprenant une chambre de combustion a
l'interieur de laquelle est disposee un chargement lamellaire de
propergol, caracterise en ce qu'elle comprend un troncon d'un
chargement de propergol comportant une semelle plastique (ll) dans
laquelle sont ancrees des lamelles de propergol (10) et en ce que
cette semelle d'ancrage est en contact intime avec une paroi (34, 41)
de la chambre de combustion (34) et fixee par une couche adhesive (35,
47) a cette paroi.
6. Charge propulsive selon la revendication 5, caracterisee en ce que
la semelle d'ancrage (11) des lamelles de propergol (10) est en
contact intime et collee a la surface interne de la paroi (34) de la
chambre de combustion.
7. Charge propulsive selon la revendication 6, caracterisee en ce que
la semelle d'ancrage (11) de la lamelle de propergol (10) est en
contact intime et collee a la surface externe d'un mandrin (41)
coaxial a la paroi (34) de la chambre de combustion.
8. Charge propulsive selon l'une des revendications 5 a 7,
caracterisee en ce que les extremites du troncon d'un chargement de
propergol sont biseautees.
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