FR2873367A1 - Blocs de propergol solide fendus pour generateurs de gaz pyrotechnique et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

Suivant l'invention, le propergol solide (1) se présentant sous forme de bloc présente au moins une incision (2') sur sa surface externe débouchant dans au moins un canal longitudinal (3) formé dans le bloc (1).

Description

La présente invention se rapporte au domaine des générateurs de gaz, et

plus particulièrement au domaine des propergols solides.

Les spécificités des constructeurs automobiles sont toujours de plus en plus pointues, notamment lorsqu'elles concernent la sécurité des utilisateurs de véhicules automobiles. L'une de ces spécificités porte plus précisément sur le débit des gaz lorsque le générateur fonctionne lors d'un accident. Les premières exigences portaient sur la nécessité d'assurer un débit relativement constant avec pour seul objectif le gonflement du coussin de sécurité en un temps donné.

Cette nécessité initiale a ensuite évolué vers des demandes plus pointues permettant des régimes non plus constants, mais progressifs. Aujourd'hui, la demande se tourne vers un fonctionnement multirégime , dont une variante est un fonctionnement bi-régime , appelé aussi indifféremment double régime . Un fonctionnement en bi-régime permet notamment de satisfaire aux spécifications de retenu, associées aux occupants ne respectant pas la position standard dans le véhicule. Cette situation peut se rencontrer, par exemple, lorsque le passager avant se trouve très proche ou en contact avec le module de sécurité. L'occupant est alors dans une position dite Out of position ou OOP.

Par multi-régime , il faut entendre un palier fort en début de fonctionnement suivi de paliers plus faibles ou l'inverse, les régimes n'étant pas absolument constants. La courbe illustrant la pression en fonction du temps se caractérise dans le cas du fonctionnement bi-régime par deux paliers.

Concernant ces multi-régimes, diverses solutions connues de l'état de la technique sont.

L'une d'elles consiste à utiliser un combustible dont la composition particulière permet d'accéder à un multi-régime. Ce résultat est atteint de diverses manières: par l'emploi d'oxyde de titane dont on fait varier la quantité, par l'emploi d'ingrédients dont on fait varier la granulométrie. Le document US-A-5 579 634 illustre ces solutions. La méthode est simple dans son principe mais reste néanmoins très contraignante, notamment lorsqu'il s'agit d'appliquer la méthode sur des lignes de production.

On peut prévoir aussi le chargement de plusieurs blocs de propergol dans une même chambre, s'empilant les uns sur les autres. Ces blocs peuvent avoir des compositions différentes et/ou des formes différentes afin d'obtenir une combustion par paliers. Cette méthode présente de sérieux inconvénients tels qu'un chargement multiple avec les difficultés de contrôle qui s'ensuivent et la fabrication de plusieurs outillages, ce qui implique nécessairement des coûts de revient élevés.

Une autre méthode consiste à faire varier la section des tuyères, ou à utiliser des tuyères multi-étages. De la même façon que précédemment, la méthode est plus complexe et engendre des coûts supplémentaires.

Une autre technique, permettant d'obtenir deux régimes de combustion, prévoit des générateurs équipés de deux chargements dans deux chambres de combustion séparées. Cette solution est évidemment plus onéreuse qu'un générateur standard.

Les performances recherchées dans certaines applications nécessitent l'emploi de blocs relativement longs. Dans de telles applications, il est courant de se heurter au problème d'auto-serrage pouvant conduire à l'éclatement prématuré et non désiré du bloc par pressurisation interne au bloc, supérieure à la pression régnant dans la chambre de combustion.

L'auto-serrage est, par définition, la condition pour laquelle les gaz de combustion du propergol émis dans un passage (canal, espace entre bloc et paroi, alors assimilé à une tuyère locale) ne peuvent s'échapper suffisamment vite dudit passage. Ce phénomène se traduit par la création d'une zone dans la chambre de combustion, au serrage plus important que celui imposé par la tuyère de la chambre. La plupart du temps, le phénomène se situe dans un canal traversant le bloc de propergol.

La configuration d'auto-serrage est obtenue lorsque le serrage local K, oca, est supérieur au serrage de la chambre de combustion, Kchbre.

K1oca1 se définit par le rapport entre la surface en combustion située dans ledit passage et la section de la tuyère locale et qui après calcul conduit au rapport égal à deux fois la longueur du bloc sur le diamètre du canal perforé dans le bloc (2L/d).

Kchbre se définit par le rapport entre la surface totale en combustion et la section de tuyère de la chambre de combustion.

Pour éviter la rupture du bloc, il faut s'assurer que le serrage local 10 soit en permanence inférieur au serrage de la chambre.

La présente invention vise à obtenir un propergol permettant un fonctionnement multi-régime, tout en évitant le phénomène d'auto-serrage rencontré dans certains blocs de propergol solide de taille excessive.

A cet effet, l'invention consiste à apporter des modifications dans la géométrie des blocs de propergol.

Un objet de l'invention est un propergol solide se présentant sous forme de bloc, caractérisé en ce qu'il présente sur sa surface externe au moins une incision débouchant dans au moins un canal longitudinal formé dans le bloc.

L'objet de l'invention permet notamment d'accéder à de nouvelles fonction de forme S = f (e) en pratiquant au moins une incision du bloc de propergol solide.

Par exemple, au moins une incision débouchant dans au moins un canal longitudinal formé dans le bloc est plane.

Selon un premier mode de réalisation, une ou plusieurs incision(s) est/sont disposée(s) de manière transversale, i.e. perpendiculaire à l'axe central du bloc de propergol solide.

Selon un second mode de réalisation, une ou plusieurs incision(s) est/sont disposée(s) de manière longitudinale, i.e. parallèle à l'axe central 30 du bloc de propergol solide.

Dans un autre mode de réalisation, l'incision est hélicoïdale.

Le bloc est par exemple utilisé dans des générateurs pyrotechniques.

Un deuxième objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un propergol solide se présentant sous forme de bloc, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'extrusion du bloc et une étape de réalisation de chaque incision longitudinale ou hélicoïdale, lors de l'étape d'extrusion.

Un troisième objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un propergol solide se présentant sous forme de bloc, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'extrusion du bloc et une étape de réalisation de chaque incision transversale après l'étape d'extrusion.

L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: les figures 1 a l i représentent plusieurs vues de profil et de troisquart de blocs de propergol solide tels qu'utilisés couramment et faisant partie de l'état de la technique, auxquels l'invention peut être appliquée; - la figure 2 représente la fonction de forme de la surface totale S des blocs, connus de l'état de la technique, en fonction de leur épaisseur brûlée e lors de leur combustion.

- la figure 3 représente une vue schématique d'un bloc standard pris comme référence; - les figures 4a-4b représentent une vue schématique d'un bloc de propergol solide suivant l'invention selon une première variante; - les figures 5a-5b représentent une vue schématique d'un bloc de propergol solide suivant l'invention selon une seconde variante; et - la figure 6 représente l'évolution de la géométrie du bloc en fonction de son épaisseur brûlée selon l'invention.

Pour obtenir de nouvelles fonctions de forme avec plusieurs paliers, on peut jouer sur la géométrie des blocs, et en particulier sur la relation existant entre la surface offerte à la combustion et l'épaisseur brûlée du bloc. Les figures la à 1i illustrent l'évolution du profil des blocs. La figure 2 représente les courbe S = f (e), où S est l'évolution de la surface totale S du bloc, en fonction de son épaisseur brûlée e . A l'origine, le bloc de propergol la solide était de conception simple présentant une section pleine sur toute sa longueur. Au fur et à mesure que ce bloc se consume, sa surface, qui se limite à sa surface externe Sext, s'amenuise. Ce type de chargement pour lequel la surface de combustion décroît continûment en fonction de l'avancement de la combustion est dit dégressif comme représenté par la courbe a.

La figure lb représente un bloc de propergol solide comprenant un canal 3 central, par exemple pour une géométrie cylindrique circulaire. La surface offerte à la combustion, dans ce cas, se compose de la surface externe Sext du bloc 1 ainsi que de la surface interne Si du canal 3. Lorsque le bloc se consume, la réduction de surface externe est compensée partiellement par l'augmentation simultanée de surface du canal tel que représenté par la courbe b. Le caractère dégressif est ainsi réduit.

La multiplication du nombre de canaux longitudinaux parallèles entre eux, tel que cela est représenté à la figure 1 c, permet d'obtenir dans un premier temps une évolution à surface constante, selon la courbe c, dite neutre et même une évolution dite progressive, selon la courbe d, pour laquelle la surface offerte à la combustion croît avec l'avancement de la combustion du bloc. Les figures 1 d-1 i sont autant de géométries possibles connues de l'homme du métier.

Dans les exemples de réalisation décrits ci-après, le bloc 1 de propergol solide suivant l'invention est de géométrie standard, comme celui représenté schématiquement à la figure 3, avec au moins un canal 3 le traversant de part en part et disposé parallèlement à l'axe longitudinal ou central A du bloc 1. Le bloc 1 suivant l'invention peut également avoir les formes décrites ci-dessous en référence aux figures la à 1 i. Le canal 3 a par exemple une section transversale circulaire aux figures lb à 3, 4a, 4b, 5a et 5b ou, ainsi qu'on le verra dans la partie centrale à la figure 1f, rectiligne. Pour plus de clarté les canaux ne portent pas le signe de référence 3 aux figures 1c à 1 i, mais il va de soi que ce sont les vides délimités dans les parties pleines des blocs représentés à ces figures. Par exemple, le bloc de géométrie standard a une forme générale cylindrique suivant l'axe longitudinal A, en ayant une section extérieure circulaire à la figure 3 ou autre. Par exemple, la section transversale du bloc 1 suivant l'invention, peut être également: - de forme générale annulaire et circulaire intérieurement et extérieurement autour du canal 3 central, comme par exemple à la figure lb, - de forme générale pleine, circulaire ou ellipsoïdale, avec plusieurs canaux 3, dont par exemple un canal central et plusieurs canaux répartis autour du canal central, comme par exemple les six à la figure l c, - de forme générale annulaire, circulaire intérieurement et formée d'arcs brisés sur la surface extérieure Sext, ces arcs brisés étant ceux de la surface extérieure de petits cylindres annulaires à section circulaire, qui délimitent chacun en leur centre un canal 3 périphérique; les arcs brisés et leur canal périphérique associé sont situés à équidistance en cercle autour de la surface intérieure Si circulaire délimitant le canal central; les petits cylindres sont solidaires les uns des autres pour former ensemble le bloc, comme par exemple à la figure Id; - de forme générale annulaire circulaire, formée d'arcs brisés sur la surface extérieure Sext et sur la surface intérieure Si délimitant le canal central, ces arcs brisés étant ceux de la surface extérieure de petits cylindres annulaires à section circulaire, qui délimitent chacun en leur centre un canal 3 et qui sont solidaires les uns des autres pour former ensemble le bloc, comme par exemple à la figure le; les arcs brisés et leur canal périphérique associé sont situés à équidistance en cercle autour du centre de l'anneau; - de forme générale pleine circulaire, avec une surface extérieure Sext formée d'arcs brisés, ces arcs brisés étant ceux de la surface extérieure de petits cylindres annulaires à section circulaire, qui délimitent chacun en leur centre un canal 3 périphérique; les arcs brisés et leur canal périphérique associé sont situés à équidistance en cercle autour du centre du bloc; les petits cylindres sont solidaires les uns des autres ainsi que d'une partie centrale pour former ensemble le bloc, comme par exemple à la figure 1f; cette partie centrale comportant un canal 3 central formé de portions rectilignes radiales se croisant, et s'étendant par exemple le long de diamètres entre des canaux périphériques, par exemple trois portions radiales à 120 l'une de l'autre à la figure 1f; - de forme générale pleine hexagonale, avec une surface extérieure Sext formée d'arcs de cercle brisés, dont par exemple un est prévu à chacun des six sommets de l'hexagone régulier et dont un autre est prévu sur chaque côté de l'hexagone entre les sommets, par exemple selon la figure 1 g; six canaux 3 périphériques sont prévus à proximité des six sommets de l'hexagone de la surface extérieure Se,<, pour être disposé à leur tour en hexagone régulier homothétique de l'hexagone de la surface extérieure Sext; en outre un autre canal 3 est prévu au centre de l'hexagone; les arcs brisés de la surface extérieure Se peuvent ne pas être centrés sur les canaux 3 périphériques, ainsi que cela est représenté à la figure 1g, mais pourraient l'être, dans un mode de réalisation non représenté ; - de forme générale pleine hexagonale, avec une surface extérieure Sext formée d'arcs de cercle brisés, dont par exemple un est prévu à chacun des six sommets de l'hexagone régulier et dont un autre est prévu sur chaque côté de l'hexagone entre les sommets, par exemple selon la figure 1 g; six canaux 3 périphériques sont prévus à proximité des six sommets de l'hexagone de la surface extérieure Sext, pour être disposé à leur tour en hexagone régulier homothétique de l'hexagone de la surface extérieure Sext et six autres canaux 3 périphériques sont prévus entre et au milieu des canaux périphériques des sommets extérieurs; les arcs brisés de la surface extérieure Sext peuvent par exemple centrés sur les canaux 3 périphériques, ainsi que cela est représenté à la figure 1 h; en outre, un autre canal 3 est prévu au centre de l'hexagone et six autres canaux 3 intermédiaires sont prévus entre ce canal central et les canaux périphériques des sommets, au milieu, ainsi que cela est représenté à la figure 1 h; - de forme analogue à celle décrite en référence à la figure l i, mais avec des arcs de cercle brisés de surface extérieure Sext de mêmes rayons, centrés sur les canaux périphériques, alors qu'à la figure 1h les arcs brisés des milieux des côtés de l'hexagone n'ont pas forcément le même rayon que ceux des sommets; en outre, à la figure l i, les canaux sont plus larges par rapport au rayon des arcs brisés qu'à la figure l h. Dans les formes de bloc décrites ci-dessous, les anneaux extérieurs des figures Id, le et 1f peuvent être non circulaires et par exemple ellipsoïdaux.

Le bloc de propergol solide selon l'invention, se distingue du bloc standard et des blocs des figures la à 1i, en ce qu'il présente en plus au moins une entaille 2 débouchant sur au moins un canal 3 de ces blocs. Chaque entaille 2 peut être de géométrie et/ou de profondeur variable. Divers modes de réalisation sont décrits ci-après. Dans la suite de l'exposé, on emploiera indépendamment les termes incision , strie , fente et les adjectifs correspondants, pour désigner l'entaille faite dans le bloc de propergol solide. Cette entaille telle que décrite cidessous peut être prévue sur les blocs ayant les formes décrites cidessus en référence aux figures la à 1 i. Les entailles sont par exemple planes.

Selon un premier mode de réalisation représenté aux figures 4a et 4b, le bloc de propergol solide 1 selon l'invention comprend sur la surface externe au moins une incision 2 perpendiculaire à l'axe longitudinal A du bloc 1. Ces incisons 2 sont dites transversales ou radiales. Lorsque plusieurs incisions sont pratiquées sur le bloc 1, plusieurs tranches d'épaisseur X identiques ou différentes sont formées sur le bloc 1. Ces incisions se caractérisent par une profondeur pl déterminée en fonction du résultat recherché et notamment en fonction du régime. La figure 4b montre des incisions identiques pratiquées sur le même bloc de manière à ce qu'elles débouchent sur les canaux 3 périphériques du bloc 1. Une incision peut par exemple faire le tour de la surface dans laquelle elle est pratiquée, par exemple de la surface extérieure pour relier entre eux les canaux 3 périphériques à la figure 4b.

Selon une autre variante (non représentée) de ce premier mode de réalisation, les incisions pratiquées sur la surface externe du bloc peuvent être hélicoïdales.

Selon un second mode de réalisation, représenté aux figures 5a et 5b, la surface externe du bloc de propergol solide 1' présente au moins une entaille 2' parallèle à l'axe longitudinal A du bloc 1 et débouchant dans un canal 3 du bloc 1'. Ces incisions 2' sont alors dites longitudinales. Selon l'exemple de réalisation des figures 5a et 5b, une entaille 2' est réalisée pour chaque canal 3 périphérique du bloc 1'.

Afin d'expliquer le principe de fonctionnement en bi-régime, le bloc 1' choisi est incisé de telle sorte que toutes les incisions débouchent sur un canal 3' périphérique préformé dans le bloc. Cette configuration est représentée à la figure 5b.

En référence à la figure 6a, la courbe S = f (e), se caractérise par 15 deux paliers Q et 6.

Le combustible est initié en a. II s'ensuit un palier fi constant qui se traduit par le fait que le combustible se consume au niveau de toutes ses surfaces, dont la surface externe et les surfaces internes. La surface interne diminue au fur et à mesure de la combustion, tandis que les surfaces externes augmentent, la surface externe et les surfaces internes se rapprochant les unes des autres jusqu'à se rejoindre en x, où on constate une brutale chute de pression. Ceci est dû au fait qu'instantanément il n'y a plus de combustible à cet endroit du bloc. Ce laps de temps est donc très court. Une fois cette transition passée, la courbe S = f(e) amorce un nouveau palier 6. Cette période de combustion longue et dégressive correspond à la matière brûlée se trouvant au centre du bloc. Le segment e traduit la combustion des restes du bloc, à savoir ce qu'on appelle communément dans le jargon les carottes . L'existence du palier f constaté est précisément due à la présence des incisions.

Selon une autre variante de ce second mode de réalisation, le bloc de propergol solide est fendu longitudinalement à l'intérieur de son corps. Cette variante est possible si la géométrie du bloc le permet. Ceci est par exemple possible lorsque le bloc présente un large canal central, comme ceux représentés aux figures Id, le, ou 1f.

Pour pratiquer les incisions, il existe diverses techniques.

Il est possible de pratiquer les incisions simultanément lors de l'extrusion du bloc. II suffit, pour cela, de disposer à des intervalles déterminés en sortie d'extrudeuse des couteaux, fraises ou autres lames tranchantes, selon la géométrie des entailles souhaitées. Pour des raisons techniques de réalisation, cette technique n'est cependant applicable qu'aux blocs incisés longitudinalement.

En revanche, en ce qui concerne les blocs avec incisions externes radiales, une des techniques consiste à pratiquer ces entailles dans une seconde étape, après l'extrusion, par tranchage ou usinage, fraisage par exemple.

Dans le cas particulier des incisions hélicoïdales, celles-ci sont obtenues à l'aide d'un outil tranchant disposé en sortie d'extrudeuse dont le tracé tranchant s'imprime sur la surface externe du bloc au fur et à mesure que le bloc, en rotation sur lui-même, sort de l'extrudeuse. Il est également possible d'envisager un outil tranchant tournant autour du bloc alors que celui-ce sort de l'extrudeuse.

D'autres procédés d'obtention des blocs sont également envisageables tels que la compression, le frittage, le moulage ou tout autre procédé d'obtention de blocs de propergol solide.

Ainsi, le fait d'inciser les blocs de propergol solide permet d'accéder au double régime tout en restant dans une configuration de générateur à une seule chambre. Par ailleurs, elle permet de satisfaire ce besoin de fonctionnement par l'utilisation d'un seul bloc facile et aisé à mettre en oeuvre sur les lignes de production. En effet, le chargement est réalisé en une seule opération.

L'apparition du phénomène l'auto-serrage est évitée par la présence des incisions. En effet, le fait de pratiquer de telles entailles permet d'augmenter la surface de combustion par rapport au bloc standard représenté à la figure 3 et donc de conserver le serrage local inférieur au serrage de la chambre de combustion.

Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux variantes décrites cidessus. Il est ainsi envisageable de prévoir d'autres manières de strier les blocs de propergol solides selon d'autres géométries, avec un nombre quelconque de stries.

De la même façon, l'homme du métier peut associer, si besoin, plusieurs blocs de propergol solide identiques ou différemment striés conformément à l'invention.

Les modes de réalisation présentés ci-dessus décrivent un fonctionnement en bi-régime, qui n'est autre qu'un cas particulier de multirégime. L'homme du métier pourrait appliquer l'invention de manière à obtenir un muti-régime, d'ordre supérieur à deux.

Ainsi, en associant plusieurs blocs de propergol solide de géométries différentes, il est possible d'obtenir un palier bas puis un palier plus haut. Les blocs de propergol solide selon la présente invention peuvent être utilisés dans tout type de générateurs, courts ou longs. De tels blocs peuvent être utilisés soit seul soit en associant plusieurs blocs.

Les blocs de propergol solide selon l'invention trouvent avantageusement application dans le domaine de la sécurité automobile sans toutefois s'y limiter. De tels blocs peuvent en effet être utilisé dans bien d'autres domaines tels que l'aérospatiale, la navigation aérienne, maritime.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc, caractérisé en ce qu'il présente sur sa surface externe au moins une incision (2) débouchant dans au moins un canal longitudinal formé dans le bloc (1).

2. Propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une incision débouchant dans au moins un canal longitudinal formé dans le bloc (1) est plane.

3. Propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une incision (2) est pratiquée perpendiculairement à l'axe (A) longitudinal du bloc (1).

4. Propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins un incision (2') est pratiquée parallèlement à l'axe (A) longitudinal du bloc (1).

5. Propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'incision est hélicoïdale.

6. Propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce bloc est utilisé dans des générateurs pyrotechniques.

7. Propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon 20 l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce bloc trouve application dans la sécurité automobile.

8. Procédé de fabrication d'un propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'extrusion du bloc et une étape de réalisation de chaque incision longitudinale ou hélicoïdale, lors de l'étape d'extrusion.

9. Procédé de fabrication d'un propergol solide (1, 1') se présentant sous forme de bloc selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'extrusion du bloc et une étape de réalisation de chaque incision transversale après l'étape d'extrusion.