PERTHUIS, Claude (14 rue des Blossières, Orleans, F-45000, FR)
BOUET, Thierry (1 rue du Baron, Orleans, F-45000, FR)
BARAS, Christian (3 rue Etoile, Saint Louis, F-68300, FR)
SPITZER, Denis (2 Impasse Tilleuls, Oberschaeffolsheim, F-67203, FR)
COMET, Marc (18 rue Briand, Huningue, F-68330, FR)
SALIGNON, Denis (28 rue de la République, Orleans, F-45000, FR)
PERTHUIS, Claude (14 rue des Blossières, Orleans, F-45000, FR)
BOUET, Thierry (1 rue du Baron, Orleans, F-45000, FR)
BARAS, Christian (3 rue Etoile, Saint Louis, F-68300, FR)
SPITZER, Denis (2 Impasse Tilleuls, Oberschaeffolsheim, F-67203, FR)
COMET, Marc (18 rue Briand, Huningue, F-68330, FR)
| REVENDICATIONS 1. Propulseur comportant une enveloppe (6) équipée d'une tuyère (5), et un chargement de matériau énergétique, constitué d'au moins un bloc de matériau énergétique (2), caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) est une thermite dopée, ladite thermite étant le mélange d'une phase oxydante, nano-structurée et dopée par au moins un composé réducteur nano-structuré générant des gaz lors de son oxydation et d'une phase réductrice métallique nano-structurée. 2. Propulseur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) est constitué d'un oxydant, correspondant à la phase oxydante de la thermite, tel que le trioxyde de tungstène WCb, nano- structuré, et dopé par infiltration ou par tout autre procédé industriel par au moins un composé nano-structuré inerte et réducteur, de formule générique CxHyOzNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque, correspondant audit composé réducteur nano- structuré générant des gaz, et d'un réducteur nanométrique métallique ou d'un mélange de réducteurs nanométriques métalliques en proportions stœchiométriques, correspondant à ladite phase réductrice métallique nano-structurée, de type aluminium Al, magnésium Mg, phosphore P. 3. Propulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que : • l'oxydant est le trioxyde de tungstène WO3 ; • le composé nano-structuré inerte et réducteur, et générant des gaz lors de son oxydation, est du sucre, ou de la cellulose, ou de l'hexogène ; • le réducteur métallique est l'aluminium Al, ou le magnésium Mg, ou le phosphore P, ou un mélange de ces derniers en proportions stœchiométriques. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que • l'oxydant est l'oxyde de chrome Cr2θ3, ou l'oxyde de fer FeO, ou Fe2Û3 ou Fe3Û4, ou l'oxyde de manganèse MnC>2, ou d'autres oxydes, ou un mélange desdits oxydants ; • le composé nano-structuré inerte et réducteur, et générant des gaz lors de son oxydation, est du sucre, ou de la cellulose, ou de l'hexogène ; • le réducteur métallique est l'aluminium Al, ou le magnésium Mg, ou le phosphore P, ou un mélange de ces derniers en proportions stcechiométriques. 5. Propulseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau énergétique (2) présente une vitesse de combustion supérieure à environ un centimètre par seconde. 6. Propulseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit chargement de matériau énergétique (2) comprend plusieurs blocs de matériau énergétique imbriqués. 7. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) présente une vitesse de combustion comprise entre un centimètre par seconde et sept mètres par seconde. 8. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) présente une densité comprise entre 1 gramme par centimètre cube et treize grammes par centimètre cube. 9. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) dudit propulseur présente un mode de combustion en « cigarette ». 10. Procédé d'initiation d'un propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique (2) est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds. 11. Procédé d'initiation d'un propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique (2) est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser. |
La présente invention concerne le domaine des propulseurs à propergols solides, notamment les propulseurs utilisés dans des systèmes d'armes ou dans des lanceurs civils.
Aujourd'hui, une des principales limitations à la mise au point de propulseurs plus performants réside dans les propriétés des matériaux énergétiques disponibles. En effet, actuellement, on dispose de matériaux énergétiques présentant des vitesses de combustion allant de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres par seconde. L'objectif d'un propulseur étant de fournir une impulsion maximale dans un calibre donné, on va classiquement chercher à augmenter la surface de brûlage du pain énergétique au sein d'un propulseur. En effet, le débit massique D m d'un matériau présentant une vitesse de combustion V c , une masse volumique p et une surface de brûlage S, vérifie la relation suivante : D m = V c χ p χ S . La force engendrant le déplacement de la munition est directement proportionnel à ce débit massique D m . L'impulsion est alors l'intégrale de cette force sur la durée pendant laquelle elle s'exerce. Pour augmenter l'impulsion, il faut donc augmenter la surface S de brûlage du matériau énergétique.
Pour augmenter la surface de brûlage du pain énergétique du propulseur, on aménage généralement un canal central au coeur du pain énergétique du propulseur ; ce canal central permet d'augmenter de façon substantielle la surface de brûlage du pain énergétique, comme l'illustre la figure 1.
Cependant, cette technique actuelle présente des inconvénients importants. Tout d'abord, le canal central aménagé au cœur du pain énergétique rend le propulseur fragile devant des agressions extérieures accidentelles. Cette sensibilité des propulseurs, et donc potentiellement des munitions dont ils font partie, est bien connue, particulièrement vis-à-vis d'agressions dues à des impacts d' « éclats lourds » ou de fragments légers. Ces agressions et les réactions associées sont modélisées et regroupées sous l'appellation « d'effet canal ».
Il existe par ailleurs des normes classifïant la violence des réactions des propulseurs et des munitions à des agressions extérieures accidentelles. Un objectif primordial lors de la conception de nouveaux propulseurs est donc de minimiser le risque d'une réaction violente de ces propulseurs vis-à-vis d'une agression extérieure accidentelle. L'effet canal a tendance à augmenter la violence des réactions vis-à-vis de ces agressions, ce qui constitue un problème majeur.
La faiblesse du rendement énergétique volumique en est un autre. En effet, de toute évidence, l'aménagement d'un canal central dans un propulseur, s'il permet bien d'en augmenter l'impulsion, en augmente aussi le volume par accroissement de la hauteur pour une masse de propergol donnée.
Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients majeurs précités. En effet, l'apparition de nouveaux matériaux, nano-structurés, présentant simultanément une gamme de vitesses de combustion allant de 1 à 1000 fois celle des matériaux énergétiques classiques (propergols) et une gamme de densité allant de 0.5 à 10 fois celle des matériaux énergétiques usuellement utilisés rend possible la conception de propulseurs intégrant des chargements fonctionnant sans canal central et permettant d'obtenir un débit massique conforme aux spécifications requises.
Ainsi, l'absence de canal central permet à la fois de supprimer de facto l'effet canal et de maximiser le rendement énergétique volumique.
A cet effet, l'invention a pour objet un propulseur comportant une enveloppe équipée d'une tuyère, et un chargement de matériau énergétique, constitué d'au moins un bloc de matériau énergétique, caractérisé en ce que le matériau énergétique est une thermite dopée, ladite thermite étant le mélange d'une phase oxydante, nano-structurée et dopée par au moins un composé réducteur nano-structuré générant des gaz lors de son oxydation et d'une phase réductrice métallique nano-structurée.
Selon l'invention, le matériau énergétique peut être constitué d'un oxydant, correspondant à la phase oxydante de la thermite, tel que le trioxyde de tungstène WO 3 , nano-structuré, et dopé par infiltration ou par tout autre procédé industriel par au moins un composé nano-structuré inerte et réducteur, de formule générique CxHyOzNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque, correspondant audit composé réducteur nano- structuré générant des gaz, et d'un réducteur nanométrique ou d'un mélange de réducteurs nanométriques en proportions stœchiométriques, correspondant à ladite phase réductrice métallique nano-structurée, de type aluminium Al, magnésium Mg, phosphore P.
Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention : • l'oxydant est le trioxyde de tungstène VVO 3 ;
• le composé nano-structuré inerte et réducteur, et générant des gaz lors de son oxydation, est du sucre, ou de la cellulose, ou de l'hexogène ;
• le réducteur est l'aluminium Al, ou le magnésium Mg, ou le phosphore P, ou un mélange de ces derniers en proportions stcechiométriques.
Dans d'autres modes de réalisation particuliers de l'invention :
• l'oxydant est l'oxyde de chrome Cr 2 O 3 , ou l'oxyde de fer FeO, ou Fβ2θ3 ou Fe3U 4 , ou l'oxyde de manganèse Mnθ 2 , ou d'autres oxydes, ou un mélange desdits oxydants ;
• le composé nano-structuré inerte et réducteur, et générant des gaz lors de son oxydation, est du sucre, ou de la cellulose, ou de l'hexogène ; • le réducteur est l'aluminium Al, ou le magnésium Mg, ou le phosphore P, ou un mélange de ces derniers en proportions stœchiométriques.
Avantageusement, ledit matériau énergétique présente une vitesse de combustion supérieure à environ un centimètre par seconde. Avantageusement, ledit chargement de matériau énergétique peut comprendre plusieurs blocs de matériau énergétique imbriqués.
Avantageusement le matériau énergétique présente une vitesse de combustion comprise entre un centimètre par seconde et sept mètres par seconde.
Avantageusement, le matériau énergétique présente une densité comprise entre 1 gramme par centimètre cube et treize grammes par centimètre cube.
Avantageusement, le matériau énergétique dudit propulseur peut présenter un mode de combustion en « cigarette ».
Avantageusement, l'initiation du pain énergétique est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds.
Avantageusement, l'initiation du pain énergétique est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : • la figure 1 : le schéma d'une section d'un pain énergétique dans un propulseur de l'art connu ;
• la figure 2 : le schéma simplifié d'un propulseur selon l'art connu ;
• la figure 3 : le schéma simplifié d'un propulseur selon l'invention.
La figure 1 présente schématiquement le principe de maximisation de la surface de brûlage d'un pain énergétique et de mise en œuvre d'une constance de cette surface. En effet, comme cela a été expliqué précédemment, l'impulsion maximale que l'on cherche à produire, est directement proportionnelle au débit massique de matériau énergétique brûlé et donc à la surface de brûlage dudit matériau énergétique. D'autre part, l'impulsion doit respecter certains critères, en termes de stabilité notamment, afin être conforme à la spécification des exigences concernant le propulseur. L'ajustement du débit massique qui en découle se fait par ajustement de la surface de brûlage. Sur la figure 1 , on constate qu'à cet effet, dans l'art connu, on conçoit des pains énergétiques présentant un canal central sous une forme d'« étoile extrudée ». Ainsi, la surface de brûlage S1 , devient la surface de brûlage S2 d'aire égale. De même, au fur et à mesure du brûlage du matériau énergétique, la surface de brûlage devient Sn, toujours de même aire que S1 et S2 et ainsi de suite.
C'est de cette façon qu'on assure généralement, dans l'état de l'art, l'impulsion maximale et le débit massique de matériau énergétique brûlé constant dans les propulseurs.
La figure 2 illustre de façon très schématique, un propulseur de l'art connu. Ce dernier, de forme cylindrique, présente une enveloppe 6 équipée d'une tuyère 5. Il comprend un pain énergétique 1 périphérique au cœur duquel est aménagé un canal central 3. Ce pain énergétique 1 peut typiquement être constitué de propergol double-base SD 1136. Le pain énergétique 1 brûle sur une surface constante, selon le principe décrit en figure 1. Le débit massique s'échappant du cylindre énergétique via le col 4 est donc constant. Ainsi, l'impulsion générée est élevée du fait de l'importance de la surface de brûlage, et stable du fait de sa constance.
Cependant, le vide du canal central 3 aménagé au centre du pain énergétique 1 induit une fragilité accrue du cylindre énergétique du propulseur notamment vis-à-vis d'impacts d' « éclats lourds » ou de fragments légers. Ce type de réaction fait partie de ce que l'on appelle l'effet canal, déjà mentionné précédemment.
La figure 3 représente une illustration schématique du principe de l'invention. Celle-ci est rendu possible par l'apparition de matériaux énergétiques présentant des vitesses de combustion bien supérieures à celles des matériaux énergétiques actuels. Ces nouveaux matériaux, que l'on appellera matériaux nano-énergétiques dans la suite de la présente demande de brevet, ne sont pas basés, comme le sont les matériaux énergétiques actuels, sur un mélange micronique d'un oxydant, du type perchlorate d'ammonium NH 4 CIO 4 , avec un premier réducteur, générateur de gaz, du type « liant PBHT » (Polybutadiène), assurant par ailleurs la cohésion du mélange, et un second réducteur, générateur d'énergie, du type aluminium Al.
Les matériaux nano-énergétiques sont en effet des mélanges basés sur deux réactions chimiques simultanées : • une réaction de type « thermite » entre un métal et un oxyde d'un autre métal, au cours de laquelle le réducteur métallique, du type aluminium Al, et / ou magnésium Mg, ou un autre réducteur ou un autre mélange réducteur, est oxydé par l'oxyde d'un autre métal : fer ; chrome ; tungstène, ...etc.
• une réaction de type oxydo-réduction, basée sur l'oxydation un réducteur, générateur de gaz, de formule générique CxHyOzNw, tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque ...etc. Ils permettent, en jouant sur le pourcentage relatif de chaque constituant ou sur le taux de compaction, de régler les conditions de fonctionnement du propulseur en pression interne de chambre et en débit massique de façon quasi indépendante
De tels matériaux nano-énergétiques sont mis au point et produits notamment par l'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL), institut de recherche situé à Saint-Louis (France).
On peut citer comme exemples particuliers de matériaux nano- énergétiques permettant de mettre en oeuvre l'invention ceux cité ci après :
• un composé ternaire constitué de trioxyde de tungstène WO 3 , oxydant, nano-structuré et dopé par de l'hexogène nano-structuré, et mélangé à de l'aluminium Al nanométrique. Ce composé se présente sous la forme initiale de poudre. Il est densifiable, ou compactable, à la demande, suivant les exigences de l'impulsion à fournir. • Idem si l'oxydant est de l'oxyde de chrome 0^0 3 ,
Selon l'invention, les composés cités ci-dessus sont utilisés comme matériaux structurant et sont dopés par :
• un explosif nano-structuré, générateur de gaz, tel que de l'hexogène (également connu sous la terminologie de RDX) 03HeNeOe 1 des sucres (Fructose, Lactose), des celluloses ou, de façon générale, toute molécule à faible enthalpie de formation permettant de générer des produits de réaction gazeux du type monoxyde de carbone CO, oxydes d'azote NOx, vapeur d'eau H2O etc., « un réducteur métallique nano-structuré, tel que de l'aluminium Al.
Ce dernier point est essentiel. Ainsi, en dopant des matériaux énergétiques nanométriques adaptés par des matériaux nano-structurés générateurs de gaz, l'invention permet de réaliser des propulseurs aux performances inédites en terme de poussée. En effet, la vitesse de combustion des matériaux nano-énergétiques, couplée à la grande plage de densité possible, permet d'obtenir des débits massiques très élevés.
Qui plus est, il faut noter que lesdits matériaux nano-structurés générateurs de gaz utilisé dans le cadre de l'invention peuvent, comme le Fructose et le Lactose par exemple, ne plus comporter de molécules explosophores. Cela signifie que ces matériaux générateurs de gaz ne produisent plus de détonation, ce qui confère une sécurité d'utilisation supplémentaire.
Ces matériaux nano-énergétiques présentent des vitesses de brûlage en combustion stable de l'ordre de 0.1 centimètre par seconde à 7 mètres par seconde, alors que les matériaux énergétiques actuels présentent des vitesses de brûlage en combustion stable de l'ordre de quelques millimètres par seconde à quelques dizaines de millimètres par seconde.
Ces mêmes matériaux nano-énergétiques sont par ailleurs capables de se densifier à des valeurs comprises entre 0.5 gramme par centimètre cube et 13 grammes par centimètre cube tandis que les matériaux énergétiques actuels peuvent se densifier de 1 à 2 grammes par centimètre cube. Les matériaux nano-énergétiques conservent pourtant des propriétés mécaniques comparables, voire parfois meilleures, que les matériaux énergétiques actuels.
Ainsi, l'utilisation des ces matériaux nano-énergétiques dans des propulseurs permet de s'affranchir du canal central 3 obligatoire dans les propulseurs actuels nécessitant une impulsion forte et un temps de combustion très court.
L'invention présente donc le double avantage de permettre une augmentation importante de l'impulsion des propulseurs à volume constant, ou réciproquement une réduction importante du volume des propulseurs, en supprimant tout risque d'effet canal et d' utiliser un matériau énergétique de base n'incorporant plus nécessairement de l'explosif.