Dissertations / Theses on the topic 'Propergols composites'

Une approche énergétique globale de l'amorçage de la rupture d'un milieu dissipatif est proposée pour décrire le comportement d'un explosif solide. Du fait de l'importante hétérogénéité de la structure, la dispersion expérimentale ne permet pas l'évaluation des paramètres de l'équation WLF caractéristique de l'évolution d'une propriété visco-élastique avec la température. Toutefois des valeurs indiquées dans la littérature permettent d'unifier les résultats en utilisant le principe de superposition. Finalement un intérêt particulier est porté à une analyse des différentes procédures de détermination de JC. Pour les élastomères ce paramètre représente l'énergie de déchirement et il est montré que la théorie généralisée en permet une détermination pratique. En conclusion une procédure originale de détermination de JC qui identifie clairement les effets dus à la géométrie des échantillons dans le comportement global à rupture est proposée

Ce travail de thèse vise à identifier les mécanismes par lesquels la fraction volumique de charges, la distribution de tailles des charges, le comportement mécanique du liant et les propriétés d’adhésion liant/charge des propergols composites influent sur le comportement mécanique jusqu’à rupture de ces matériaux. Des calculs de microstructures 2D par éléments finis sont mis en œuvre pour caractériser qualitativement l’évolution de la microstructure du composite au cours d’une sollicitation de traction uniaxiale à faible vitesse de déformation. Ils prennent notamment en compte un modèle de zone cohésive pour représenter la décohésion à l’interface liant/charge et un critère original de ruine de la microstructure. Les résultats numériques sont favorablement comparés aux tendances obtenues expérimentalement sur propergols composites industriels et modèles. Par ailleurs, une validation de l’approche qualitative précédente est conduite en effectuant une confrontation quantitative du comportement mécanique et de la variation volumique d’un composite modèle, obtenus par simulation de microstructures 3D et par caractérisations expérimentales. Enfin, la tenue du propergol dans un assemblage propergol/lieur soumis à un test de pelage est étudiée expérimentalement<br>This work aims at understanding the relationship between solid propellants particles volume fraction, particles size distribution, binder mechanical properties and binder/particles bonding with the mechanical behavior up to failure of these materials. Finite elements analyses on 2D microstructures are performed in order to qualitatively characterize the microstructure evolution throughout uniaxial tensile loading at small strain rate. These simulations account for the binder/particles debonding with a cohesive zone model and implement an original failure criterion. Simulation and experimental results are consistent. Besides, a quantitative comparison between simulations on 3D microstructures and experimental data is drawn in order to validate the above qualitative results. It is performed on a model composite and compares both the mechanical behavior and the volume variations. At last, the propellant failure during a peeling test of the liner/propellant structure is studied experimentally

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, programme extensionné à l'Université du Québec à Rimouski, 2003.<br>Bibliogr.: f. 107-112. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Employés dans les moteurs fusée civiles et militaires, les propergols composites sont caractérisés par une structure hétérogène au niveau microscopique. Ils sont constitués principalement de particules oxydantes insérées au sein d’une matrice de polymère, appelée liant. Le liant maintient l’intégralité structurelle du propergol, et fournit par sa pyrolyse des gaz dont la combustion est responsable de la majorité du dégagement de chaleur dans la flamme. Les produits de combustion des particules oxydantes permettent l’oxydation du fuel généré par la pyrolyse du liant.Le perchlorate d'ammonium (PA) est un oxydant largement utilisé dans les propergols composites, principalement en association avec un liant polymère tel que le polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT). Les propergols nouvelle génération pourraient inclure des nitramines dans leur composition, telles que l'hexogène (RDX), en remplacement partiel du PA pour certaines fins spécifiques. En particulier, la réduction de la quantité de PA contenue dans le propergol permet de limiter la formation d'une traîné visible à l'échappement du moteur, réduisant la signature du véhicule.Dans cette thèse, nous proposons de revisiter les études menées sur la combustion des propergols PA/PBHT classiques, ainsi que de caractériser l'effet de l'inclusion du RDX dans leur composition.A cette fin, une première partie de la thèse est dédiée à la mise en place de modèles de combustion pour les ingrédients considérés: PA, mélange PA/PBHT homogénéisé, et RDX.Un mécanisme de cinétique chimique est mis au point, capable de représenter les processus chimiques caractéristiques de la combustion de l'ensemble de ces matériaux énergétique. Pour chaque ingrédient, un modèle de décomposition en phase condensée est par ailleurs formulé, pour être associé au mécanisme cinétique. Des simulations unidimensionnels sont alors réalisées en approche couplée flamme/solide, afin de valider l’ensemble sur les données expérimentales disponibles.De part leur structure hétérogène, l'étude de la combustion d'un propergol composite nécessite l'utilisation de méthodes numériques multidimensionnelles. Une seconde partie de la thèse est donc dédiée au développement et à la validation d’un code de calcul 2D, permettant la simulation de la combustion d’une particule oxydante entourée d'une couche de liant, en configuration axisymmétrique.Dans une dernière partie, les modèles de combustion mis au point sont utilisés conjointement avec le code de calcul développé afin d’étudier l’effet de l’inclusion du RDX dans un propergol PA/PBHT classique. Pour la première fois, la structure de la flamme produite par un propergol PA/PBHT/RDX est obtenue et caractérisée. Une étude est menée sur l'effet de la pression et de la taille des grains de RDX sur la régression du propergol, mettante en évidence l’existence de différents régimes de combustion. Des recommandations sont faites afin d'optimiser les performances de ce type de composition<br>Used in civil and military rocket engines, composite propellants are characterized by a heterogeneous structure at the microscopic level. They consist mainly of oxidizer particles embedded in a polymer matrix known as the binder. The binder maintains the structural integrity of the propellant, and produces via its pyrolysis gases whose combustion is responsible for most of the heat release within the flame. The combustion products of the oxdizer particles oxidize the fuel generated by the binder.Ammonium perchlorate (AP) is a widely used oxidizing agent in composite propellants, mainly in association with a polymer binder such as hydroxytelechelic polybutadiene (HTPB). Next-generation propellants could include nitramines in their composition, such as hexogen (RDX), as a partial replacement for AP for certain specific purposes. In particular, reducing the amount of AP contained in the propellant can limit the formation of a visible trail at the engine exhaust, reducing the vehicle's signature.In this thesis, we propose to revisit the studies carried out on the combustion of conventional AP/HTPB propellants, and to characterize the effect of RDX inclusion in their composition.To this end, the first part of the thesis is dedicated to the development of combustion models for the ingredients under consideration: AP, homogenized AP/HTPB blend, and RDX.A chemical kinetics mechanism is assembled, capable of representing the chemical processes characteristic of the combustion of all these energetic materials. For each ingredient, a condensed-phase decomposition model is also formulated, to be associated with the kinetic mechanism. One-dimensional simulations are then carried out using a coupled flame/solid approach, in order to validate the whole on available experimental data.Due to their heterogeneous structure, the study of composite propellant combustion requires the use of multidimensional numerical methods. A second part of the thesis is therefore dedicated to the development and validation of a 2D calculation code, enabling the simulation of the combustion of an oxidizer particle surrounded by a layer of binder, in an axisymmetric configuration.In a final section, the combustion models and the computational code are used in conjunction to study the effect of RDX inclusion in a conventional AP/HTPB propellant. For the first time, the flame structure produced by such AP/HTPB/RDX propellant is obtained and characterized. The effect of pressure and RDX particle size on propellant regression is investigated, demonstrating the existence of different combustion regimes. Recommendations are made for optimizing the performance of this type of composition

L'analyse et la compréhension des mécanismes d'érosion en présence d'un environnement critique au niveau de pression et de température des produits de combustion d'un propergol solide au sein d'une tuyère de moteur fusée, constituent l'objectif principal de ce présent mémoire. Les principaux paramètres, le pourcentage d'aluminium dans l'écoulement, la température adiabatique de flamme.le flux de chaleur en face de la géométrie de l' insert et ses propriétés thermochimiques, sont plus particulièrement étudiés à travers une approche numérique et expérimentale. Le phénomène d'ablation qui se produit au niveau de l' insert d'une tuyère pendant le fonctionnement du moteur propergol solide est ainsi étudié et des résultats d'essais des moteurs à échelle réduite et pleine sont présentés puis simulés numériquement. En effet, les essais mis en place, riches en résultats sur les conditions du matériau de l'insert avant et après le tir, ne permettent pas une analyse complète du développement des mécanismes en jeu au cours du temps de fonctionnement des moteurs. Pour introduire ces phénomènes physiques plutôt complexes, une stratégie de développement progressive est mise en place. Au départ, un modèle 1D a traité les équations de transfert de chaleur utilisant une technique de discrétisation numérique multi-blocs. A partir de la méthode 1D, des expressions simples pour représenter l'évolution des fronts d'ablation et de pyrolyse sont définies.Ces expressions sont alors utilisées de façon directe sur le traitement des problèmes axisymétriques et confrontées avec les simulations du moteur test. Finalement, la méthode aux frontières immergées est appliquée pour traiter du couplage entre l'écoulement et l'insert, mettant en évidence le phénomène d'ablation. Les simulations numériques reproduisent les résultats expérimentaux et montrent une méthodologie numérique robuste, correspondant à des attentes en ce qui concerne l'évaluation du phénomène d'ablation au sein d'une tuyère de moteur fusée<br>The main objective of this study is understand the ablation mechanisms in the presence of a critical environment in pressure and temperature within a solid propellant rocket motor. The well-known parameters, aluminum percentage in the flow, adiabatic flame temperature and the consequent heat flux in front of the geometry of the insert and its thermochemical properties are studied from anumerical and experimental strategy. The ablation phenomenon, which occurs at the nozzle insert during the operation of the solid propellant rocket motor, is th us studied and results of tests of the small and full-scale motors are presented as well as numerically simulated. Indeed, tests carried-out provide results on the conditions of the material of the insert before and after firing tests, do not allow is to provide a complete analysis of the development of the mechanisms involved during the running time of the engines. To introduce these rather complex physical phenomena a strategy of progressive development is followed. Initially, a 1D model treated the heat transfer equations using a multi-block numerical discretization technique. From the 1D method, simple expressions to represent the evolution of the ablation and pyrolysis fronts are defined. These expressions are then used directly on the treatment of axisymmetric problems and confronted with simulations of the scale motor. Finally, the immersed boundary method is applied to tackle coupling between flow and heat transfer on the insert, highlighting the phenomenon of ablation. The numerical simulations reproduce the experimental results and show a robust numerical methodology, corresponding to expectations in what concerns the evaluation of the ablation phenomenon within a solid propellant rocket motor nozzle

Cette étude porte sur la compréhension des mécanismes de dégradation de propergols (carburant solide des missiles et fusées) soumis à des échauffements lents (exposition indirecte à un incendie) et plus particulièrement les propergols composites à base de perchlorate d’ammonium et de liant polybutadiène. La première partie de notre travail a consisté en une étude de la nature de la dégradation à partir d’observations sur l’évolution de la géométrie et de la microstructure de ces propergols. Les dégradations, qui ont été quantifiées, prennent la forme de porosités intra et extra granulaires et induisent des modifications de la forme du propergol (gonflement). Une étude physico chimique a ensuite permis d’étudier les principaux constituants et leurs interactions. L’influence de différents paramètres (composition, température, atmosphère) a pu être quantifiée par des techniques d’analyse thermique et thermogravimétrique. Un dispositif de décomposition en enceinte close a été spécifiquement mis au point pour étudier l’influence du confinement. Chaque étape du mécanisme a ensuite pu être identifiée à travers une analyse des espèces mises en jeu tant en surface qu’en phase gaz. L’évolution des propriétés thermiques et mécaniques du propergol pendant l’échauffement a été suivi expérimentalement et des lois reliant ces propriétés à la composition des matériaux ont pu être établies. L’ensemble des résultats acquis a permis de construire pour la première fois un modèle hétérogène de décomposition du propergol. La deuxième partie de notre travail a consisté à implémenter notre modèle dans le code COMSOL et à vérifier son comportement pour différentes conditions aux limites pour un propergol composé de 82 % de perchlorate d’ammonium et de 18 % de liant. Ce modèle est modulaire et laisse place à l’intégration de nouvelles lois pour prendre en compte l’effet d’additifs sur la décomposition.

Cette thèse traite de la modélisation multi-échelle de composites particulaires fortement chargés. La méthode d’estimation, qualifiée d’“Approche Morphologique” (A.M.), repose sur une double schématisation géométrique et cinématique du composite permettant de fournir la réponse aux deux échelles. Afin d’évaluer les capacités prédictives de l’A.M. en élasticité linéaire avec évolution de l’endommagement, l’A.M. est testée vis-à-vis de ses aptitudes à rendre compte des effets de taille et d’interaction de particules sur la chronologie de décohésion. Pour cela, différentes microstructures périodiques simples, aléatoires monomodales et bimodale générées numériquement sont considérées. Les résultats obtenus sont cohérents avec les données de la littérature : la décohésion des grosses particules précède celle des plus petites et est d’autant plus précoce que le taux de charges est important. Puis, l’objectif est de coupler deux non-linéarités traitées séparément dans deux versions antérieures de l’A.M : l’endommagement par décohésion charges/matrice et les grandes déformations. La formulation du problème de localisation-homogénéisation est reprise à la source de manière analytique. Le critère de nucléation de défauts est étendu en transformations finies. Le problème obtenu, fortement non-linéaire, est résolu numériquement via un algorithme de Newton-Raphson. Les étapes sous-jacentes à la résolution (calcul de la matrice tangente, codage en langage Python®) sont explicitées. Des évaluations progressives (matériaux sain et endommagé)permettent de valider la mise en oeuvre numérique. Les effets de taille et d’interaction sont alors restitués en transformations finies<br>This study is devoted to multi-scale modeling of highly-filled particulate composites.This method, the “Morphological Approach” (M.A.), is based on a geometrical and kinematicalschematization which allows the access to both local fields and homogenized response. In order toevaluate the predictive capacities of the M.A. considering a linear elastic behavior for the constituentsand evolution of damage, analysis is performed regarding the ability of the M.A. to accountfor particle size and interaction effects on debonding chronology. For that purpose, simple periodic,random monomodal and bimodal microstructures are considered. The results are consistent withliterature data : debonding of large particles occurs before the one of smaller particles and thehigher the particle volume fraction, the sooner the debonding. Finally, the objective is to operatethe coupling of two non linearities which were separately studied in previous versions of the M.A. :debonding between particles and matrix, and finite strains. The whole analytical background of theapproach is reconsidered in order to define the localization-homogenization problem. The nucleationcriterion is extended to the finite strains context. The final problem, strongly non linear, is numericallysolved through a Newton-Raphson algorithm. The different solving steps (jacobian matrix,coding with Python®) are developed. Progressive evaluations (sound and damage materials) allowthe validation of numerical implementation. Then, size and interaction effects are reproduced infinite strains

Afin de dimensionner des moteurs a propergol solide soumis a une sollicitation d'origine thermomecanique, nous modelisons la reponse dilatometrique experimentale par un modele phenomenologique non lineaire a cinq parametres. Ce modele original permet d'inclure l'effet de la temperature et de la vitesse de deplacement sur le seuil de decohesion ainsi que sur le taux de charges vacuolisees. Il est determine grace aux essais de traction uniaxiale effectues au dilatometre a gaz de farris a differentes conditions de temperature et de vitesse de deplacement sur un propergol pbht. L'avantage d'une telle loi, a vocation industrielle, est d'etre totalement determinee a partir d'un nombre reduit d'essais de traction. L'integration du modele phenomenologique au sein d'un code interne monodimensionnel viscoelastique non lineaire (venl), autorise l'etablissement d'une methode simplifiee de dimensionnement des moteurs a propergol solide soumis a des variables de temperature. Les premiers calculs predictifs appliques a des maquettes a canal central circulaire soumises a des cycles thermiques sont encourageants

Ces travaux de thèse portent sur le développement d’une loi de comportement viscoélastique non-linéaire pour les propergols solides composites. Une base expérimentale mettant en évidence le comportement à modéliser est construite à l’aide du propergol d’étude. Puis, les origines microscopiques de ce comportement macroscopique sont investiguées, au moyen d’éprouvettes spécialement conçues à cet effet. Les résultats de l’étude montrent que le frottement et la cavitation sont deux mécanismes prépondérants. Les relations mathématiques entre ces micromecanismes et les propriétés mécaniques du matériau sont déterminées par homogénéisation, puis introduites dans un cadre viscoélastique isotrope tridimensionnel. Les paramètres du modèle ainsi obtenu sont identifiés sur la base expérimentale, suite à quoi la loi est capable de restituer la majeure partie des non-linéarités du comportement exprimées sous sollicitations cycliques. Après intégration dans un code de calcul par éléments finis, la loi est finalement validée sur des cas d’application réels. Les résultats montrent qu’une meilleure restitution du comportement du propergol au cours de son cycle de vie permet d’améliorer le dimensionnement des chargements de manière significative<br>This work describes the development of a viscoelastic nonlinear constitutive law for solid composite propellants. An experimental basis showing the nonlinear behavior expressed by solid propellants is constructed. Then, microscopic sources of this macroscopic behavior are investigated using new samples specifically designed. Results show that friction and cavitation are responsible for the major parts of the nonlinearities. Homogenization is used to determine mathematical relations between these two mechanisms and the mechanical properties of the material. The relations are then integrated in a viscoelastic, isotropic, tridimensional model. Parameters are identified using the experimental basis. The model shows a good ability to reproduce and predict the propellant behavior nonlinearities expressed under cyclic loads. After completion of the development, the model is used into a design method and finite element calculation are performed on real objects. Results validate the new method and show that improving the behavior prediction also improves the design method and generates profits

Le couplage entre les oscillations de vitesse de l'écoulement dans un moteur-fusée à propergol solide et la combustion du propergol est décrit par un modèle phénoménologique. Ce dernier est une adaptation des modèles de combustion érosive des propergols composites qui rendent compte des observations expérimentales en régime stationnaire. Les effets de seuil sont intégralement pris en compte dans la loi de vitesse de combustion érosive instationnaire. Les expressions générales de la vitesse de combustion érosive moyenne, de la réponse linéaire à une oscillation sinusoïdale de la vitesse, ainsi que de la réponse sur un harmonique de rang quelconque, en sont déduites. Ces expressions sont intégrées à un programme de calcul et sont appliquées à l'analyse de mesures effectuées au propulseur à éjection modulée. Leur utilisation permet de remonter De manière satisfaisante aux effets des oscillations de vitesse sur l'érosion moyenne pression mesurée et sur la réponse linéaire du propergol déduite du champ de pression acoustique. Indépendamment, une étude de l'influence d'une phase condensée présente dans les produits de combustion est entreprise pour être appliquée au cas d'un propergol aluminisé.

Les explosifs sont des matériaux qui, bien que potentiellement sensibles, sont conçus pour être stables en conditions normales, ainsi que lors de sollicitations mécaniques, chimiques ou thermiques " faibles ". Pourtant, sous sollicitations mécaniques de faible intensité, comme les impacts basse vitesse, ils peuvent réagir de manière intempestive. Les propergols, et plus particulièrement la butalite, objet de notre étude, présentent ce caractère : on observe des " réactions " pour des vitesses d'impacts inférieures à 100 m.s-1, dont l'origine est probablement liée à l'endommagement microstructural du matériau. Dans ce contexte, le but ultime du CEA Gramat est d'obtenir un outil de prédiction de la vulnérabilité des matériaux énergétiques pour les impacts à basse vitesse de type " tour de chute ". Pour ce faire, il est essentiel de disposer de données sur la morphologie et le comportement (thermo)mécanique macroscopique du matériau considéré, de ses phases constitutives à l'échelle mésoscopique et de ses interfaces. Ainsi l'objectif de la thèse est de déterminer le type et le niveau de(s) endommagement(s) apparaissant(s) dans une " butalite inerte " suite à un impact mécanique dit " à basse vitesse " (i.e., inférieure à 100 m.s-1) réalisé à l'aide d'un dispositif de type tour de chute modifié, associant un suivi par vidéo numérique rapide et une analyse microtomographique ante- et post-essai, en étudiant le ou les phénomènes physiques à l'origine des réactions sous " faibles " sollicitations, leur évolution et leur(s) origine(s) physique(s). Les grains sont modélisés par une loi de comportement purement élastique et la matrice en PBHT est décrite par une loi visco-hyper-élastique (couplage d'une série de Prony et du modèle de Mooney-Rivlin).

Les combustibles solides, nommés « propergols », contenus dans les moteurs-fusées son sujet à un vieillissement lors de l'entreposage sur de longues périodes. Ce vieillissement favorise l'apparition de fissures radiales dans les moteurs-fusées. Pour prédire l'avancement de ces fissures, il faut tout d'abord bien connaître le comportement en rupture des propergols. Cette étude a donc été réalisée, entre autre, pour développer une méthode permettant de caractériser la résistance à la rupture d'un matériau composite polymère particulaire propergol. Une revue de la littérature a d'abord été effectuée pour relever les méthodes de caractérisation déjà existantes. Parmi les différentes théories retrouvées dans la littérature, celle de l?intégrale de contour J a été retenue. Pour en faire son calcul avec le logiciel d'éléments finis ANSYS, nous avons développé une routine spéciale. Cette routine a été vérifiée en comparant les résultats numériques avec des solutions provenant des équations analytiques qui existent pour certaines géométries d'éprouvette. Les propriétés mécaniques du propergol ont été mesurées pour différentes températures et vitesses de déformation. Pour réduire le grand nombre de données obtenues, nous avons utilisé la loi de comportement de Ramberg-Osgood. Les différents paramètres de Ramberg-Osgood ont été déterminés par le logiciel Table Curve 2D pour chaque combinaison de température et de vitesse de déformation. La théorie de l'intégrale de contour J a ensuite été utilisée pour le développement d'une méthode de caractérisation de la résistance à la rupture appropriée au cas d'un composite polymère particulaire propergol. En fait, deux méthodes ont été développées : On utilise soit une ou plusieurs éprouvettes. Les résultats ont montré que la méthode à éprouvette unique produit des données plus consistantes. Une première série de courbes de résistance à la rupture 7-R furent tracées à l'aide de ANSYS et d'expériences en laboratoire sur des éprouvettes en tension fissurées sur le côté (aussi connues comme étant les éprouvettes « SENT »). Des éprouvettes fissurées plus complexes présentant un gradient de déformation ont été ensuite conçues. Ces éprouvettes nommées « éprouvettes de validation » ont été optimisées avec le logiciel ANSYS. Puisque la fissure est placée au centre des éprouvettes, elles ont permis de tracer deux nouvelles séries de courbe 7-R. Une série pour la pointe gauche de la fissure et une autre pour la pointe droite de la fissure. Les différentes séries de courbes 7-R ont été comparées les unes aux autres. Ces comparaisons permettent de valider et de vérifier la concordance entre les résultats de l'intégrale 7 provenant de la méthode de caractérisation développée et les résultats de l'intégrale 7 provenant du comportement en rupture des éprouvettes fissurées complexes. Ces comparaisons montrent que les courbes 7-R des éprouvettes complexes avec gradient de déformation sont très semblables aux courbes 7-R caractéristiques obtenues en premier lieu à partir des éprouvettes SENT et de la méthode à éprouvette unique. On peut conclure que les données de rupture sont compatibles. La méthode de calcul et de mesure de la courbe 7-R peut donc être combinée avec les résultats provenant des éprouvettes de caractérisation fabriquées en propergol pour prédire la propagation des fissures dans des structures complexes comme des moteurs-fusées si un algorithme de propagation existe.