FR2936570A1 - NANO-ENERGY FUEL THRUSTER - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne le domaine des propulseurs à propergol solide. Le propulseur selon l'invention présente deux avantages principaux : • il ne comporte pas de « canal central », permettant de minimiser le risque lié aux agressions accidentelles, • il assure des performances impulsionnelles largement améliorées grâce à l'utilisation de matériaux énergétiques potentiellement totalement inertes, nano-structurés et à très haute vitesse de combustion pouvant présenter des densités adaptables sur une très large plage.The present invention relates to the field of solid propellant propellants. The thruster according to the invention has two main advantages: it does not include a "central channel", making it possible to minimize the risk associated with accidental attacks, it provides greatly improved impulse performance thanks to the use of potentially energetic materials inert, nano-structured and very high speed of combustion may have adaptable densities over a very wide range.

Description

Propulseur à combustible nano-énergétique. Nano-energetic fuel booster.

La présente invention concerne le domaine des propulseurs à propergols solides, notamment les propulseurs utilisés dans des systèmes 5 d'armes ou dans des lanceurs civils. The present invention relates to the field of solid propellant propellants, in particular thrusters used in weapon systems or in civilian launchers.

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 10 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. 15 En effet, le débit massique Dm d'un matériau présentant une vitesse de combustion Vc, une masse volumique p et une surface de brûlage S, vérifie la relation suivante : D. =V x p x S . Ce débit massique Dm est directement proportionnel à la force engendrant le déplacement du propulseur. L'impulsion est alors l'intégrale de cette force sur la durée 20 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 25 substantielle la surface de brûlage du pain énergétique, comme l'illustre la figure 1. Today, one of the main limitations to the development of more efficient thrusters lies in the properties of available energy materials. Indeed, currently, there are energetic materials having combustion rates ranging from a few millimeters to a few tens of millimeters per second. The objective of a thruster being to provide a maximum pulse in a given caliber, we will classically seek to increase the burning area of energy bread within a thruster. Indeed, the mass flow Dm of a material having a combustion rate Vc, a density p and a burning surface S, satisfies the following relationship: D. = V x p x S. This mass flow Dm is directly proportional to the force generating the displacement of the thruster. The impulse is then the integral of this force over the duration during which it is exercised. To increase the pulse, it is therefore necessary to increase the burning surface S of the energetic material. To increase the burning area of energy bread thruster, it is generally arranged a central channel in the heart of the energy bread propeller; this central channel makes it possible to substantially increase the burning area of the energy bread, as illustrated in FIG.

Cependant, cette technique actuelle présente des inconvénients importants. Tout d'abord, le canal central aménagé au coeur du pain 30 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. However, this current technique has significant disadvantages. Firstly, the central channel arranged in the heart of the energy bread makes the propellant fragile in the face of accidental external aggressions. This sensitivity of the thrusters, and therefore potentially ammunition of which they are part, is well known, particularly vis-à-vis aggression due to heavy impacts of fragments or light fragments.

Ces agressions et les réactions associées sont modélisées et regroupées sous l'appellation d'effet canal . Il existe par ailleurs des normes classifiant 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 à 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. These aggressions and the associated reactions are modeled and grouped together under the name of channel effect. There are also standards classifying the violence of propellant and ammunition reactions to accidental external aggressions. A primary objective when designing new thrusters is therefore to minimize the risk of a violent reaction of these thrusters to accidental external aggression. The channel effect tends to increase the violence of the reactions to these attacks, which is a major problem.

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. The weakness of the energy efficiency volume is another. Indeed, obviously, the development of a central channel in a thruster, if it makes it possible to increase the impulse, also increases the volume by increasing the height for a given mass of propellant.

Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients majeurs précités. An object of the invention is in particular to overcome the aforementioned major drawbacks.

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. Indeed, the appearance of new materials, nano-structured, simultaneously presenting a range of combustion speeds ranging from 1 to 1000 times that of conventional energetic materials (propellants) and a density range from 0.5 to 10 times that of materials Usually used energy energetic makes possible the design of thrusters incorporating loadings operating without central channel and to obtain a mass flow in accordance with the required specifications. Thus, the absence of a central channel makes it possible at the same time to suppress the channel effect de facto and to maximize the energy efficiency of the volume.

A cet effet l'invention a pour objet un propulseur comportant • une enveloppe équipée d'une tuyère, • un chargement de matériau énergétique constitué d'au moins un bloc de matériau énergétique, caractérisé en ce que ledit matériau énergétique présente une vitesse de combustion supérieure à environ un centimètre par seconde. To this end, the subject of the invention is a propellant comprising: • an envelope equipped with a nozzle, • a loading of energetic material consisting of at least one block of energetic material, characterized in that said energetic material has a combustion rate greater than about one centimeter per second.

Avantageusement, ledit chargement de matériau énergétique peut 5 comprendre plusieurs blocs de matériau énergétique imbriqués. Advantageously, said loading of energetic material may comprise a plurality of imbricated energy material blocks.

Avantageusement, le matériau énergétique présente une vitesse de combustion comprise entre un centimètre par seconde et sept mètres par seconde. 1 o Avantageusement, le matériau énergétique présente une densité comprise entre un gramme par centimètre cube et treize grammes par centimètre cube. Advantageously, the energetic material has a combustion rate of between one centimeter per second and seven meters per second. Advantageously, the energetic material has a density of between one gram per cubic centimeter and thirteen grams per cubic centimeter.

Avantageusement, le matériau énergétique est constitué de 15 matériaux nano-structurés, comme par exemple : • un composé nanométrique constitué de trioxyde de tungstène W03 et d'Aluminium Al en proportions stoechiométriques, • un composé comprenant de l'oxyde de chrome Cr203, ou un autre oxyde comme de l'oxyde de fer FeO, Fe203 ou Fe304, ou de 20 l'oxyde de manganèse MnO2, utilisé comme structurant, dopé par des nanostructures d'aluminium Al ou par des composés inertes de formule générique CxHyOzNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque. Advantageously, the energetic material consists of nano-structured materials, for example: • a nanometric compound consisting of tungsten trioxide WO 3 and Al aluminum in stoichiometric proportions, • a compound comprising chromium oxide Cr 2 O 3, or another oxide, such as iron oxide FeO, Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4, or manganese oxide MnO 2, used as a structurant, doped with Al aluminum nanostructures or with inert compounds of general formula CxHyO 2 Nw such as sugar, cellulose or any explosive.

25 Avantageusement, le mode de combustion du matériau énergétique d'un propulseur selon l'invention peut être un mode de combustion en cigarette . Advantageously, the combustion mode of the energetic material of a propellant according to the invention may be a cigarette combustion mode.

Avantageusement, l'initiation du matériau énergétique dans un 30 procédé d'initiation d'un propulseur selon l'invention est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds. Avantageusement, l'initiation du matériau énergétique dans un procédé d'initiation d'un propulseur selon l'invention est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser. 35 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 io l'invention. Advantageously, the initiation of the energetic material in a method of initiating a propellant according to the invention is carried out by means of hot wires. Advantageously, the initiation of the energetic material in a method of initiating a propellant according to the invention is carried out by means of a laser flash. Other features and advantages of the invention will be apparent from the following description with reference to the accompanying drawings which show: FIG. 1: the diagram of a section of an energy roll in a propellant of known art; • Figure 2: the simplified diagram of a thruster according to the known art • Figure 3: the simplified diagram of a thruster according to the invention.

La figure 1 présente schématiquement le principe de maximisation de la surface de brûlage d'un pain énergétique et de mise en oeuvre d'une 15 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, 20 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 25 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 30 constant dans les propulseurs. Figure 1 schematically shows the principle of maximizing the burning area of an energy bread and implementation of a constancy of this surface. Indeed, as explained above, the maximum pulse that one seeks to produce, is directly proportional to the mass flow rate of burnt energetic material and therefore to the burning surface of said energetic material. On the other hand, the pulse must meet certain criteria, in terms of stability in particular, in order to comply with the specification of the requirements concerning the thruster. The resulting mass flow is adjusted by adjusting the burning surface. In FIG. 1, it can be seen that for this purpose, in the known art, energy bars having a central channel in the form of an extruded star are designed. Thus, the burning area S1 becomes the burning area S2 of equal area. Likewise, as the energy material burns, the burn surface becomes Sn, always of the same area as S1 and S2, and so on. In this way it is generally ensured in the state of the art the maximum impulse and the mass flow rate of constant burned energy material in the thrusters.

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 35 coeur 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 1 o canal, déjà mentionné précédemment. FIG. 2 very schematically illustrates a thruster of the known art. The latter, of cylindrical shape, has an envelope 6 equipped with a nozzle 5. It comprises a peripheral energy bar 1 at the heart of which is arranged a central channel 3. This energy bread 1 can typically consist of propellant double-base SD 1136. The energy bread 1 burns on a constant surface, according to the principle described in FIG. 1. The mass flow escaping from the energy roll via the neck 4 is therefore constant. Thus, the generated pulse is high because of the importance of the burning surface, and stable because of its constancy. However, the void of the central channel 3 arranged in the center of the energy bread 1 induces an increased fragility of the energy cylinder of the propeller particularly vis-à-vis impacts of heavy splinters or light fragments. This type of reaction is part of the so-called 1 o channel effect, already mentioned previously.

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 15 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 NH4CIO4, avec un premier réducteur, générateur de 20 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 : 25 • Une réaction de type thermite, au cours de laquelle de l'aluminium est oxydé par l'oxyde d'un autre métal : fer ; chrome ; tungstène. Cette réaction est dite nano-structurée, les réactifs et les produits comportant des nanostructures. • Une réaction de type oxydoréduction basée sur un 30 réducteur, générateur de gaz, de formule générique CxHyozNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque, et l'oxydant de la réaction de type thermite qui se produit simultanément. Cette réaction est également nano-structurée. Figure 3 is a schematic illustration of the principle of the invention. This is made possible by the appearance of energetic materials having combustion rates much higher than those of current energetic materials. These new materials, which will be called nano-energetic materials in the remainder of the present patent application, are not based, as are the current energetic materials, on a micronic mixture of an oxidant, of the perchlorate type. ammonium NH4CIO4, with a first reducer, a gas generator, of the PBHT (polybutadiene) binder type, which also ensures the cohesion of the mixture, and a second reducer, an energy generator, of the Al aluminum type. The nano-energetic materials are Indeed, mixtures based on two simultaneous chemical reactions: A thermite type reaction, during which aluminum is oxidized by the oxide of another metal: iron; chrome; tungsten. This reaction is said to be nano-structured, the reagents and products comprising nanostructures. A redox-type reaction based on a gas-generating reducing agent of generic formula CxHyozNw such as sugar, cellulose or any explosive, and the oxidizer of the thermite-type reaction occurring simultaneously. This reaction is also nano-structured.

De tels matériaux nano-énergétiques sont mis au point et produits par l'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL), institut de recherche situé à Saint-Louis (France). On peut citer comme exemple de matériaux nano-énergétiques 5 permettant de mettre en oeuvre l'invention : • Un composé binaire constitué de trioxyde de tungstène WO3 et d'aluminium Al à l'échelle nanométrique. Ce composé se présente sous la forme de poudre. • Un composé constitué d'oxyde de chrome Cr2O3, utilisé comme structurant du mélange, dopé par : o un explosif nano-structuré, générateur de gaz, tel que de l'hexogène (également connu sous la terminologie de RDX) C3H6N6O6, 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, oxyde d'azote NOx, vapeur d'eau H2O etc., o et un réducteur nano-structuré, tel que de l'aluminium Al. Such nano-energetic materials are developed and produced by the Franco-German Research Institute of St. Louis (ISL), a research institute located in St. Louis (France). An example of nano-energetic materials for implementing the invention is: A binary compound consisting of WO3 tungsten trioxide and Al aluminum at the nanoscale. This compound is in the form of powder. • A compound composed of Cr2O3 chromium oxide, used as structuring agent of the mixture, doped with: o a nano-structured explosive, gas generator, such as hexogen (also known as RDX) C3H6N6O6, sugars (Fructose, Lactose), celluloses or, in general, any molecule with a low enthalpy of formation making it possible to generate gaseous reaction products of the carbon monoxide CO, nitrogen oxide NOx, water vapor H2O, etc. type, o and a nano-structured reducer, such as aluminum Al.

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 25 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 30 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. 10 15 20 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. These nano-energetic materials have burning rates in stable combustion of the order of 0.1 centimeter per second to 7 meters per second, whereas the current energetic materials have burning rates in stable combustion of the order of a few millimeters. per second to a few tens of millimeters per second. These same nano-energetic materials are also capable of densifying at values of between 0.5 grams per cubic centimeter and 13 grams per cubic centimeter while the current energetic materials can be densified by 1 to 2 grams per cubic centimeter. Nano-energetic materials nevertheless retain comparable mechanical properties, sometimes even better, than current energetic materials. Thus, the use of these nano-energetic materials in thrusters makes it possible to dispense with the mandatory central channel 3 in current thrusters requiring a strong pulse and a very short combustion time.

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 ~o base n'incorporant plus nécessairement de l'explosif. The invention therefore has the dual advantage of allowing a significant increase in the impulse of the constant volume thrusters, or conversely a significant reduction of the volume of the thrusters, eliminating any risk of channel effects and of using an energetic material of ~ o basis no longer necessarily incorporating explosive.

Claims (8)

REVENDICATIONS1. Propulseur comportant : • une enveloppe équipée (6) d'une tuyère (5), • un chargement de matériau énergétique (2), constitué d'au moins un bloc de matériau énergétique, caractérisé en ce que ledit matériau énergétique présente une vitesse de combustion supérieure à environ un centimètre par seconde. REVENDICATIONS1. Propellant comprising: • an equipped envelope (6) with a nozzle (5), • an energetic material charge (2), consisting of at least one block of energetic material, characterized in that said energetic material has a velocity of burning greater than about one centimeter per second. 2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chargement de matériau énergétique (2) comprend plusieurs blocs de matériau énergétique imbriqués. 2. Propellant according to claim 1, characterized in that said loading of energetic material (2) comprises a plurality of imbricated energy material blocks. 3. 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. 3. Propellant according to any one of the preceding claims, characterized in that the energetic material (2) has a combustion rate of between one centimeter per second and seven meters per second. 4. 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. 4. Propellant according to any one of the preceding claims, characterized in that the energetic material (2) has a density of between 1 gram per cubic centimeter and thirteen grams per cubic centimeter. 5. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau énergétique (2) est constitué de matériau nano-structuré, comme par exemple : • un composé nanométrique constitué de trioxyde de tungstène WO3 et d'Aluminium Al en proportions stoechiométriques, • un composé comprenant de l'oxyde de chrome Cr2O3, ou un autre oxyde comme de l'oxyde de fer FeO, Fe2O3 ou Fe3O4, ou de l'oxyde de manganèse MnO2, utilisé comme structurant, dopé par des nanostructures d'aluminium Al ou par des composés inertes de formule générique CxHyOzNw tel que du sucre, de la cellulose ou un explosif quelconque. 5. Propellant according to any one of the preceding claims, characterized in that the energetic material (2) consists of nano-structured material, such as for example: • a nanometric compound consisting of tungsten trioxide WO 3 and Al aluminum in stoichiometric proportions, • a compound comprising chromium oxide Cr2O3, or another oxide such as iron oxide FeO, Fe2O3 or Fe3O4, or manganese oxide MnO2, used as a structuring agent, doped with nanostructures, aluminum Al or inert compounds of general formula CxHyOzNw such as sugar, cellulose or any explosive. 6. 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 . 6. Propellant according to any one of the preceding claims, characterized in that the energetic material (2) of said propellant has a cigarette combustion mode. 7. Procédé d'initiation d'un propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique (2) est effectuée par l'intermédiaire de fils chauds. 7. A method of initiating a propellant according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the initiation of energy bread (2) is performed via hot son. 8. Procédé d'initiation d'un propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'initiation du pain énergétique (2) est effectuée par l'intermédiaire d'un flash laser.5 8. Method for initiating a propellant according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the initiation of the energy bread (2) is performed by means of a laser flash.5
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