FR2811018A1

FR2811018A1 - Materiau ablatif, destine a l'isolation ou la protection thermique d'un assemblage de moteur de fusee, comprenant un renforcement polyamide

Info

Publication number: FR2811018A1
Application number: FR0108765A
Authority: FR
Inventors: Kenneth P Wilson
Original assignee: Alliant Techsystems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Innovation Systems LLC
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2002-01-04
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: FR2811018B1; US20030200656A1; JP2002180904A

Abstract

Procédé d'isolation ou de protection thermique d'un assemblage de moteur de fusée comprenant un carter pour moteur à fusée, un propulseur et un assemblage de tuyère, ledit procédé comprenant la formation d'un matériau ablatif pour moteur de fusée à partir d'une préimprégnation comprenant au moins une matrice en résine d'imprégnation et au moins un renforcement polyamide aromatique à titre de précurseur préalable à la carbonisation et l'isolation ou le garnissage d'une section de l'assemblage de moteur de fusée avec un matériau ablatif du moteur de fusée.

Description

! La présente invention concerne des matériaux ablatifs de l'assemblage

d'une fusée, notamment des matériaux ablatifs en fibres de carbone chargées en résine et carbone / carbone et un procédé de fabrication de ces5 matériaux ablatifs. En particulier, cette invention concerne des matériaux ablatifs en carbone possédant un composant de renforcement formé à partir d'un matériau aramide à titre de précurseur à la carbonisation, notamment un matériau méta-aramide. Cette invention

concerne donc des assemblages de moteur de fusées comprenant ces matériaux ablatifs en carbone.

Il est d'usage courant dans la pratique industrielle de préparer l'isolation des moteurs de fusées solides à partir d'un composé à base polymère comprenant essentiellement un tissu carbone. Le composite est en général constitué d'un tissu carbone à titre de structure de renforcement tissée imprégnée d'une matrice en résine appropriée. La matrice de résine est en général la résine de phénol, bien que d'autres matrices en résine puissent20 être utilisées. Pour fabriquer la structure de renforcement tissée, la pratique industrielle courante consiste à choisir la rayonne de viscose filée à filament continu insoluble comme matériau précurseur. La rayonne de viscose à filament continu, spécialement formulée pour ces25 applications ablatives, est tissée, embobinée ou manipulée d'une autre manière pour prendre la configuration désirée et ensuite carbonisée pour former une structure en carbone présentant des caractéristiques d'ablation supérieures et d'excellentes propriétés physiques et une excellente

processabilité.

Le précurseur en rayonne de viscose à filament continu a été fixé comme standard dans l'industrie des 2 moteurs de fusée pour fabriquer les structures de renforcement au carbone des matériaux ablatifs en carbone et carbone / carbone à cause de leurs superbes caractéristiques d'ablation, de leurs excellentes5 propriétés physiques et thermiques et leur grande processabilité. L'une des excellentes propriétés physiques possédées par les composites formés à partir du précurseur en rayonne de viscose à filament continu est la haute résistance de la chaîne du composite polymérisé d'environ10 144,8 Mpa (ou environ 21 000 lbs/in2) à température ambiante (environ 21 C soit 70 F) comme cela a été mesuré

après la carbonisation et l'imprégnation du précurseur. La résistance de la chaine de tissu est le reflet de la tolérance du filament aux forces opposées s'exercant le15 long de l'axe du filament de la chaîne (ou longitudinal).

Cependant, un inconvénient majeur associé à l'utilisation des composites polymérisés comprenant des

couches guipées de rayonne de viscose à filament continu comme ceux trouvés dans les zones boursouflées de la20 plupart des isolations de tuyère de fusées, implique la disponibilité de ce type particulier de filament continu.

Au cours de ces quelques dernières années, le seul fabricant à produire des quantités suffisantes de rayonne de viscose à filament continu pour répondre à la demande25 industrielle a été North American Rayon Corp. (NARC) à Elizabethton, Tennessee. La capacité de l'industrie à produire des garnitures ablatives et autres isolations thermiques basées sur la rayonne de viscose à filament continu a été compromise, néanmoins, à cause de l'arrêt de30 la production des fibres de viscose à filament continu par NARC. Il existe par conséquent un besoin dans cette industrie, précédemment non satisfait, de trouver une 3 source alternative réelle ou un candidat de remplacement à l'isolation thermique standard décrite précédemment, formée à partir du précurseur en rayonne de viscose à filament continu.5 Les critères que doit remplir le candidat de remplacement pour être acceptable et efficace fonctionnellement sont bien connus pour être assez rigoureux, compte tenu des conditions extrêmes auxquelles l'isolation est soumise. Ces conditions auxquelles10 l'isolation est soumise incluent non seulement les hautes températures mais aussi les effets ablatifs rudes

provoqués par les particules brûlantes (ainsi que les gaz) qui traversent l'intérieur du moteur de la fusée ou effleurent la surface externe des isolants de véhicules de15 retour. L'isolation doit être capable de résister à de telles conditions.

Par conséquent, toute isolation de remplacement devra présenter des caractéristiques d'ablation et de résistance thermique comparables et des propriétés rhéologiques et20 physiques au moins équivalentes à celles du filament continu en rayonne de viscose, tout en n'altérant pas significativement le procédé de fabrication employé dans la production de l'isolation thermique. En outre, compte tenu des quantités importantes croissantes d'isolation25 pour moteur de fusée à propulseur solide nécessitées par l'industrie, tout candidat au remplacement de ce type des précurseurs de renforcement devra être disponible en

abondance actuellement et dans un futur proche.

L'un des précurseurs de remplacement en carbone proposé pour les applications ablatives est le polyacrylonitrile (PAN) à filament continu. Les filaments continus de PAN possèdent désavantageusement des densités 4 supérieures à celles des matières cellulosiques (1,8 g/cm3 pour le PAN comparé à 1,48 g/cm3 pour les filaments cellulosiques) et des conductivités thermiques supérieures aux matières cellulosiques. Donc, pour proposer des5 performances d'isolation comparables à celles des filaments de rayonne, l'isolation de la tuyère du moteur de fusées ou l'isolation du véhicule de retour à partir de filaments de PAN doit posséder une épaisseur et un poids plus importants que l'isolation à performances comparables10 formée à partir des matières cellulosiques. Le matériau de remplacement doit répondre aux limites d'ablation pour la protection du carter (s'il est utilisé comme isolation de carter interne) durant toute la combustion du propulseur sans ajouter un poids exagéré au moteur.15 Un autre précurseur de remplacement en carbone est exposé dans PCT/US99/18721, qui décrit un matériau ablatif (par ex. une double isolation ou autres), formé à partir de fil comprenant des fibres en cellulose (par ex. la rayonne) filées ou cardées, à titre de précurseur d'une20 structure de renforcement au carbone. Les bourres de cellulose sont transformées, par exemple par filature, en fils qui, sur patrons (par ex. tissés dans un quelconque style de tissage ou embobinés) et après carbonisation, servent de renforcement. De la même manière,25 PCT/US99/18722 expose en outre qu'un matériau ablatif de moteur de fusée peut être formé à partir d'un fil comprenant des fibres de cellulose (par ex. la rayonne) soit cardées et filées au solvant avec des fils filés soit des filaments de cellulose filés au solvant à titre de30 précurseur de la structure de renforcement au carbone. Les ablatifs fabriqués à partir de ces précurseurs de rayonne possèdent une résistance mécanique excellente pour les applications dans les moteurs de fusée, n'émettant pas des

taux inacceptables de fibres volantes - des fibres courtes usagées - dans l'air au cours des opérations de fabrication du textile comme le cardage, la filature du5 fil et le tissage.

Bien que la production de bourres de rayonne soit répandue et suffisamment disponible pour l'homme du métier

pour éviter les problèmes d'obsolescence, la production de la rayonne prend relativement beaucoup de temps et est10 chère du fait de ses faibles rendements productifs et des conditions de production intensives.

Par conséquent, la recherche d'un précurseur satisfaisant au niveau fonctionnel pour renforcer la structure du matériau composite nécessite la découverte et15 la mise en place d'une combinaison extrêmement complexe de performances et de caractéristiques de production. En outre, l'une des tâches les plus difficiles dans l'industrie des moteurs de fusées à propulseur solide est le développement d'une isolation adéquate et acceptable20 qui passera et réussira un grand nombre de tests et remplira les critères conduisant à son acceptabilité, désormais relativement bon marché comparé aux bourres de rayonne. L'objet de la présente invention est par conséquent de répondre à un besoin vital de l'industrie de reformulation de garnitures ablatives et de garnitures thermiques des moteurs de fusées en trouvant un précurseur de remplacement peu cher et approprié à la fabrication des structures de renforcement à base de carbone. Comme30 mentionné précédemment, le remplacement approprié signifie qu'un matériau précurseur peut être substitué à la rayonne de viscose à filament continu sans que cela nécessite 6 d'importantes modifications de la composition de la résine d'imprégnation, de la forme du composant et des étapes du processus de fabrication. Donc, quand les ablatifs sont carbonisés et imprégnés avec une résine appropriée, ils5 posséderont de préférence des propriétés adéquates, en particulier la résistance globale, pour fonctionner dans les milieux à hautes températures auxquelles le moteur de fusée est exposé. Selon les principes de cette invention, ces objets et d'autres sont réalisés en proposant un matériau ablatif pour moteur de fusées (par ex. une garniture d'isolation, une matière de garnissage en vrac ou similaires) formé à partir d'un ou plusieurs polyarylamides (désignés également ci-après aramides) sous forme de fil, flocon et/ou feutre, à titre de précurseur de structure de renforcement au carbone. Les fils d'aramide peuvent être préparés par torsion ou filature des filaments d'aramides et/ou par cardage et filature en fil des bourres de fibres d'aramide. Les inventeurs ont découvert que les aramides20 sont susceptibles d'être transformés et ensuite d'être carbonisés dans un renforcement préimprégné qui, associé à une matrice en résine adéquate, peut fonctionner comme isolation. En particulier, l'isolation peut être utilisée par exemple pour une tuyère de moteur de fusées ou pour un25 bouclier thermique de moteur de fusées soumis à des conditions comparables à celles de la rayonne de viscose à

filament continu.

L'invention est donc destinée à un assemblage de moteur de fusées comprenant des matériaux ablatifs incluant des structures de renforcement formées à partir d'aramides à titre de précurseur précédant la carbonisation. L'invention est en outre destinée à un 7 procédé de fabrication d'un assemblage de moteur de fusées comprenant des matériaux ablatifs, incluant une tuyère et des composants de véhicules de retour. D'autres objets, aspects et avantages de l'invention

seront perçus par l'homme du métier en lisant la spécification et les revendications ci-jointes en s'aidant

des dessins joints, qui expliquent les principes de l'invention. Les dessins joints servent à clarifier les principes de cette invention. Dans ces dessins: La fig. 1 est une coupe transversale schématique illustrant l'isolation de l'invention intercalée entre un carter de moteur de fusée et un propulseur solide; et La fig. 2 est une coupe en perspective identifiant certaines zones de l'assemblage de la tuyère du moteur de fusée dans lequel l'isolation de cette invention peut prendre place. Un poly(méta-arylaramide) et de préférence un poly(m- phénylèneisophtalamide) disponible dans le commerce sous le nom de NOMEX , est choisi à titre de polyamide aromatique, bien que cette invention puisse englober d'autres polyamides aromatiques seuls ou associés à NOMEX . Le polyamide aromatique peut également être associé à d'autres matériaux précurseurs adéquats comme la25 rayonne cellulosique. NOMEX est disponible dans le commerce chez Dupont et possède la structure suivante: XJN -N C Q c X Selon la première forme de réalisation de cette invention, le matériau précurseur de remplacement pour la 8 préparation des structures de renforcement au carbone des

matériaux ablatifs pour moteur de fusée comprend des filaments d'aramide groupés, notamment des filaments d'aramide torsadés / filés en un fil. Le fil a de5 préférence un denier moyen par fibre (dpf) situé entre 1,5 dpf et 3,0 dpf, comme par ex. 2,0 dpf.

Selon la deuxième réalisation de l'invention, le matériau précurseur de remplacement pour la préparation des structures de renforcement au carbone des matériaux10 ablatifs pour moteurs de fusées comprend des bourres d'aramide filées en fil. Comme mentionné ci-après et compris par l'homme du métier, cardé signifie que les bourres ont été soumises à un processus ou sont passées dans une machine destinés à accélérer la séparation au15 moins partielle des bourres et leur alignement au moins partiel. Le cardage englobe des techniques utilisées dans la production des fils fins et gros. Comme mentionné ci- après et compris par l'homme du métier, filé en fil signifie que le fil est formé par l'association de20 l'étirage et de la torsion des bourres préparées. La filature (ou filature en fil) des bourres cardées comme mentionné dans le contexte de la seconde forme de réalisation ne veut pas désigner des techniques consistant à extraire les filaments continus, lesquelles pouvant être réalisées au cours de la filature au solvant. Comme mentionné ci-après, les bourres sont des fibres ayant des longueurs adaptées à la filature en fil. Dans le cas de bourres d'aramide, les bourres ont de préférence des longueurs de fibres situées entre 38 mm et 225 mm, comme par exemple 100 mm et 150 mm et, quand elles sont fabriquées sous forme de fil, elles ont un denier 9 moyen par fibre (dpf) situé entre 1,5 dpf et 3,0 dpf, comme par exemple 2,0 dpf. Les filaments de la première forme de réalisation et les bourres de la seconde forme de réalisation sont de préférence non traitées ce qui signifie qu'elles sont dépourvues de tout revêtement distinct de graphite, de métalloïde ou de métaux, au moins avant (et de préférence après) la graphitisation. L'une des caractéristiques avantageuses de cette invention est que le fil comprenant soit des filaments aramides soit des bourres d'aramides cardées ou filées peut être substitué à la rayonne de viscose à filament continu traditionnelle sans altérer significativement le procédé de fabrication des matériaux ablatifs. La seule15 altération substantielle du procédé de fabrication de la rayonne à filament continu traditionnelle réside dans le cardage et la filature en fil des bourres de la seconde forme de réalisation. En général, la rayonne à filament continu est produite en dissolvant la cellulose dans une20 solution de filature de viscose et en extrayant la solution dans un milieu de coagulation o le polymère est

la cellulose et est régénéré sous forme de filament continu. D'autre part, le fil utilisé dans la seconde forme de réalisation de la présente invention est préparé25 à partir de bourres cardées et filées par des techniques bien connues dans l'industrie en un fil mince et compact.

Il est entendu que les autres techniques de fabrication peuvent également être utilisées comme la peigneuse ou d'autres étapes bien connues et pratiquées dans le métier.30 De préférence, l'étape de filature est réalisée soit par un procédé tel que ceux utilisés pour la laine peignée soit par un procédé tel que ceux appliqués à la filature d'anneaux de coton. Le procédé de filature est avantageux pour maintenir le cardage du fil à son minimum. Par exemple, le fil produit par les premières et secondes formes de réalisation de cette invention peuvent avoir un poids comparable à celui des fils standards utilisés actuellement dans les matériaux ablatifs en carbone, c'est à dire d'environ 1200 à 2400 deniers. Cela peut être réalisé avec des bourres en produisant un fil qui est d'environ 4,8 unités de compte de laine peignée10 anglaises (Nw) et en pliant en deux le fil pour obtenir une configuration de 1200 à 2400 deniers. La détermination des quantités adéquates de torsion est du ressort de l'homme du métier. Les fils sont ensuite soumis à une ou plusieurs techniques de modelage incluant par exemple le tissage, le guipage et le pliage en une structure désirée. En variante, les matériaux précurseurs peuvent être soumis à un procédé sans tissage pour former ainsi par exemple une structure en flocon ou feutre. La structure tissée ou non20 tissée est ensuite carbonisée pour former le renforcement du matériau ablatif. A cet égard, la structuration des fils dans la forme désirée peut être réalisée de la même manière que pour la rayonne de viscose à filament continu traditionnelle. La carbonisation peut avoir lieu par25 exemple et sans limitation, à des températures d'au moins

750 C à 2800 C, comme par ex. 1250 C ou plus.

Le programme des températures et des durées devra être choisi sur la base des propriétés de dégradation thermique de l'aramide. L'analyse gravimétrique thermographique (TGA) peut être utilisée pour déterminer la programmation. Il est préférable de purger la chambre de carbonisation avec un gaz d'inertie, comme l'argon et 11 l'azote qui peuvent être tous deux insufflés dans la chambre ou scellés à l'intérieur de la chambre purgée. Contrairement à la carbonisation des fibres de PAN traditionnelles qui nécessite une stabilisation de5 l'oxydation des fibres de PAN pour empêcher les fibres de PAN de fondre, les oxydants sont inopportuns dans la carbonisation des précurseurs à l'aramide. La structure de renforcement carbonisée est ensuite imprégnée avec une résine acceptable comme la résine de

phénol. Une résine de phénol représentative est SC1008, disponible chez Borden Chemical à Louisville, Kentucky.

Les matériaux ablatifs d'isolation de l'invention peuvent être appliqués à différentes parties de l'assemblage d'une fusée, de préférence sous forme de15 structures multicouches. En fonction de l'utilisation visée, la résine d'imprégnation peut soit être carbonisée soit ne pas être soumise à la carbonisation avant l'application sur l'assemblage des moteurs de fusées. Par exemple, les matériaux ablatifs et isolants peuvent être20 utilisés comme garniture d'isolation interne pour chambre comme le montrent les fig. 1 et 1A. Si l'on se réfère à la fig. 2, l'isolation 10 à l'état polymérisé est disposée sur la surface interne du carter de moteur de fusée 12. Typiquement, une garniture 14 est intercalée entre le25 propulseur 16 et l'isolation 10. L'isolation 10 et la garniture 14 servent à protéger le carter des conditions extrêmes produites par le propulseur en combustion 16. Les méthodes de garnissage d'un carter de moteur de fusée 12 avec une isolation 10, une garniture 14 et un propulseur30 16 sont connus par l'homme du métier et peuvent être facilement adaptées dans le métier sans expérience exagérée pour intégrer l'isolation de cette invention. Les 12 compositions des garnitures et méthodes pour appliquer ces garnitures dans le carter du moteur de fusée sont également bien connues du métier, comme dans l'exemple donné par le brevet US N 5 767 221. Bien que la fig. 1 montre un propulseur solide, les matériaux ablatifs de cette matière peuvent être utilisés avec d'autres formulations de propulseurs, incluant des propulseurs hybrides et hautement liquides. Les matériaux isolants ablatifs peuvent également (ou en variante) être appliqués le long de l'itinéraire de flux de la structure en tuyère au travers de laquelle

passent les produits de combustion, comme le montre la zone ombrée 20 de la tuyère de sortie montrée sur la fig. 2. Les matériaux ablatifs peuvent être exposés le15 long de l'itinéraire de flux et/ou être recouverts par les matériaux adéquats comme les métaux réfractaires.

La description détaillée précédente de l'invention a

été proposée à des fins illustratives et descriptives. Elle ne prétend pas être exhaustive ou exclusive dans sa

description des formes de réalisation précises exposées. Les formes de réalisation ont été choisies et décrites

afin de mieux expliquer les principes de l'invention et son application pratique, permettant ainsi à l'homme du métier de comprendre l'invention sous différentes formes25 de réalisation et avec des modifications diverses.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'isolation ou de protection thermique d'un assemblage de moteur de fusée comprenant un carter pour moteur à fusée, un propulseur et un assemblage de tuyère, ledit procédé comprenant (a) la formation d'un matériau5 ablatif pour moteur de fusée à partir d'une préimprégnation comprenant au moins une matrice en résine

d'imprégnation et un renforcement comprenant, à titre de précurseur préalable à la carbonisation, au moins un polyamide aromatique et (b) l'isolation ou le garnissage10 d'une section de l'assemblage de moteur de fusée avec un matériau ablatif du moteur de fusée.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le renforcement comprend des bourres d'aramides cardées et

filées en fil.

3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le renforcement comprend des filaments d'aramide filés en fil.20

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le renforcement comprend au moins un membre choisi parmi le groupe constitué de feutre d'aramide et de flocon d'aramide.25

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à

4, dans lequel ladite isolation ou ledit garnissage d'une section d'assemblage de moteur de fusée comprend l'application d'un matériau ablatif sous forme de matériau

ablatif en vrac à une garniture de tuyère de sortie.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à

4, dans lequel ladite isolation ou ledit garnissage d'une section d'assemblage de moteur de fusée comprend l'application d'un matériau sous forme de matériau ablatif en vrac à une tête de véhicule de retour.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à

6, dans lequel le polyamide aromatique comprend un

poly(méta-arylaramide).