Titre de l'invention : Dispositif de séparation à goujon d'arrimage amorti

Domaine Technique

La présente invention se rapporte aux systèmes de séparation entre deux parties ou éléments structurels et plus particulièrement à ceux munis de goujons d'arrimage dont la rupture pyrotechnique ou non des écrous de séparation permet leur rétractation dans une des deux parties.

Technique antérieure

Dans les systèmes de séparation actuels, le choc résultant de la séparation nécessite d'être absorbé pour éviter que le goujon ne transperce la coiffe (bolt catcher) dans laquelle il est enfermé. Une solution classique consiste à prévoir dans cette coiffe une sorte de cage crantée pour réduire la vitesse du goujon au fur et à mesure de son avancée et interdire son retour en arrière.

Si une telle solution donne globalement satisfaction, elle s'avère inadaptée aux constellations de satellites qui, pour assurer des liaisons HRS ponctuelles (Hold down and Release System) qu'impliquent de telles constellations, nécessitent des goujons de fort diamètre (supérieur à 20 mm) et de masse conséquente (supérieur à 1 Kg) et surtout devant se rétracter très rapidement (en moins de 20ms), tous critères de performance inatteignables à ce jour avec les dispositifs de séparation de l'état de l'art. On connaît également US 6 939 073, US 5 603 595 et US 2021/094707 qui divulguent des dispositifs de séparation.

Exposé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de répondre aux critères de performance précités en proposant un dispositif de séparation d'une seconde partie d'une première partie, comportant une première interface destinée à être fixée à la première partie et une seconde interface destinée à être fixée à la seconde partie, un goujon d'arrimage traversant les première et seconde interfaces et étant maintenu à la première interface par un écrou de séparation et à la seconde interface par un premier ensemble écrou/contre-écrou, le goujon d'arrimage étant recouvert d'une coiffe solidaire de la seconde interface et destinée à le recevoir une fois l'écrou de séparation rompu et les premières et seconde interfaces séparées, caractérisé en ce qu'il comporte un ressort de rétractation pour extraire le goujon d'arrimage de la première interface, le propulser vers un matériau amortisseur disposé en fond de coiffe et l'y maintenir par sa seule force de maintien résiduelle.

Ainsi, le goujon d'arrimage est parfaitement amorti en fond de coiffe et dans un temps particulièrement réduit et peut y rester pendant toute la durée de vie de la partie séparée.

De préférence, le ressort de rétractation est précontraint entre la seconde interface et un capot métallique en butée sur une rondelle solidaire du goujon d'arrimage par un second ensemble écrou/contre-écrou.

Avantageusement, le ressort est en inox et le capot métallique en aluminium.

De préférence, le matériau amortisseur est un matériau élastoplastique ou viscoélastique.

Avantageusement, le matériau amortisseur est une mousse métallique ou polyuréthane.

De préférence, le goujon d'arrimage est en Inconel et présente un diamètre supérieur à 20 mm.

Avantageusement, la coiffe est solidarisée à la seconde interface par vissage ou collage.

De préférence, l'écrou du premier ensemble écrou/contre-écrou intègre une rondelle à sa base.

Avantageusement, chacune des première et seconde interfaces peut aligner 1 à 3 goujons d'arrimage.

De préférence, la première partie est un lanceur et la seconde partie au moins un satellite. Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels :

[Fig. 1] la figure 1 illustre un dispositif de séparation à goujon d'arrimage conforme à l'invention avant la séparation,

[Fig. 2] la figure 2 montre illustre un dispositif de séparation à goujon d'arrimage conforme à l'invention après la séparation,

[Fig. 3] la figure 3 montre la variation d'énergie cinétique dans le goujon d'arrimage en fonction du temps, et

[Fig. 4] la figure 4 montre la variation de la vitesse du goujon d'arrimage en fonction du temps.

Description des modes de réalisation

Le principe de l'invention repose sur la conversion de l'énergie cinétique en énergie de déformation et la dissipation d'énergie lors de la séparation d'un goujon d'arrimage retenant ensemble deux parties et sur le maintien en position de ce goujon d'arrimage une fois la séparation effectuée.

La figure 1 illustre un schéma de principe d'un dispositif de séparation 10 conforme à l'invention avant la séparation d'une seconde partie d'une première partie. La figure 2 illustre ce même dispositif après la séparation. La première partie 12 est avantageusement un lanceur et la seconde partie 14 un ou plusieurs satellites.

Le dispositif de séparation comporte première interface 16 destinée à être fixée à la première partie 12 et une seconde interface 18 destinée à être fixée à la seconde partie 14. Un goujon d'arrimage 20 traverse les première et seconde interfaces et est maintenu à la première interface par un écrou de séparation 22, de préférence pyrotechnique, et à la seconde interface par un premier ensemble écrou/contre- écrou 24. Le goujon d'arrimage est recouvert d'une coiffe 26 solidaire de la seconde interface 18, par exemple par vissage et/ou collage, et destinée à recevoir ce goujon d'arrimage une fois l'écrou de séparation 22 rompu et donc les premières et seconde interfaces séparées l'une de l'autre. En pratique et selon les parties à séparer, le dispositif de séparation peut comporter un ou plusieurs goujons d'arrimage disposés sur une ou deux lignes. Par exemple, trois goujons d'arrimage alignés sont suffisants pour maintenir un satellite de un à deux mètres de diamètre sur son lanceur.

Selon l'invention, un ressort de rétractation 28 est monté autour du goujon d'arrimage 20 entre la seconde interface 18 sur laquelle sa première extrémité vient en appui et un capot métallique 30 dans lequel sa seconde extrémité vient s'insérer. Le capot métallique comporte un orifice central pour permettre le passage du goujon d'arrimage sur lequel est enfilée une rondelle 32 solidarisée à ce goujon d'arrimage par un second ensemble écrou/contre-écrou 34 et constituant une butée pour le capot métallique (la rondelle peut aussi être directement intégrée à l'écrou de ce second ensemble). Le ressort de rétractation peut ainsi être précontraint pour permettre une extraction automatique du goujon d'arrimage de la première interface 16 après rupture de l'écrou de séparation 22 et sa propulsion vers un matériau amortisseur 36 fixé avantageusement par collage sur le fond de la coiffe 26 et l'y maintenir.

Comme le montre aussi la figure 2, le matériau amortisseur ainsi que le fond de coiffe sont percés d'un orifice 26A, 36A, pour recevoir le second ensemble écrou/contre-écrou 34 lorsque le capot métallique vient en butée sur le matériau amortisseur.

Pour faciliter le montage des premier et second ensembles écrou/contre-écrou, le goujon d'arrimage, de préférence en titane, présente avantageusement un premier diamètre (typiquement supérieur à 20 mm, par exemple de 24 à 28 mm) sur sa partie traversant les première et seconde interfaces et recevant le premier ensemble écrou/contre-écrou 24 et un second diamètre, plus petit (typiquement de 12 à 14 mm), sur sa partie au-delà de ce premier ensemble, recevant le second ensemble écrou/contre-écrou 34 et allant jusqu'à sa partie terminale. Le second diamètre peut également être un trou taraudé recevant une vis d'assemblage. Le ressort de rétractation est avantageusement réalisé en inox et le capot métallique en aluminium. Le matériau amortisseur peut être un matériau élastoplastique, par exemple une mousse métallique (aluminium, alliages de cuivre, etc...), ou un matériau viscoélastique, par exemple une mousse polyuréthane.

Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant. Tout d'abord, la séparation du satellite est réalisée par la libération du goujon d'arrimage par l'écrou de séparation. Puis, le ressort de rétractation extrait le goujon d'arrimage de l'écrou pour le loger dans la coiffe (le bolt catcher). Lorsque le goujon est dans le fond de la coiffe, une force de maintien résiduelle dans le ressort de rétractation permet de maintenir le goujon dans la coiffe durant la vie du satellite. Il y a un impact créant un choc lorsque le goujon atteint le fond de la coiffe, c'est pourquoi, un matériau permettant d'amortir ce choc à l'impact du goujon est placé dans le fond de la coiffe.

Des essais ont été menés dans le cadre de la séparation d'un satellite d'un lanceur avec un goujon d'arrimage de 1,42 kg et une vitesse d'impact de 6,62 m/s, soit une énergie de 32 J à absorber.

Le ressort de rétractation a une raideur de 12 N/mm avec une longueur à vide de 180 mm, et il est utilisé dans l'intervalle de 90 mm (longueur avant séparation) à 50 mm (longueur après séparation). La force de tension résiduelle de maintien du goujon d"arrimage après séparation est de 600 N.

Le matériau amortisseur employé est une mousse polyuréthane. Ce matériau permet de bien amortir le choc et donc d'atteindre de très faible niveau de choc. A titre indicatif, on obtient une accélération de 1000 m/s ² pour une fréquence d'environ 2500 Hz. Généralement, le seuil critique de choc pour ne pas endommager de systèmes adjacents est N _0.8 f = 0.8*f*9.81 en m/s ² , soit 19620 m/s ² .

Les figures 3 et 4 montrent respectivement la variation d'énergie cinétique dans le goujon et celle de la vitesse du goujon en fonction du temps. Les courbes d'énergie et de vitesse tendent toutes deux vers zéro, ce qui démontre que le goujon est bien en position stable et à vitesse nulle dans le fond de la coiffe.