Caractérisation et modélisation du comportement dynamique des propergols solides et vulnérabilité des systèmes propulsés

par Thibaut Viant

Thèse de doctorat en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Pascal Forquin.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques (laboratoire) .


  • Résumé

    La conception et la r´ealisation des tests de qualification des engins propuls´es n´ecessitent une connaissance du comportement m´ecanique des mat´eriaux utilis´es pour leur fabrication. Dans ce cadre, une large gamme de vitesses de sollicitation est `a consid´erer, int`egrent de nombreuses situations de service des propergols solides. La connaissance de leur comportement doit permettre de pr´edire les risques associ´es `a une sollicitation impr´evue (conditions de transport difficiles, chute). La m´ethodologie usuelle consiste en la caract´erisation des mat´eriaux par un ensemble d'essais de traction uniaxiale, d'essais de DMA et d'essais de traction sous pression pour identifier les param`etres du mod`ele num´erique (HRVM). Cependant, il a ´et´e indiqu´e que la m´ethodologie usuelle ne permettait pas la r´ealisation de simulations num´eriques satisfaisantes lorsque la vitesse de d´eformation est sup´erieure `a 50 s−1. Ce travail de th`ese propose des nouvelles techniques de caract´erisation exp´erimentale permettant de compl´eter les r´esultats existants pour une gamme de vitesse de l'ordre de 100 s−1. Des essais originaux assurant des modes de sollicitations dynamiques et homog`enes ont ´et´e mis au point et valid´es. Par exemple, un montage exp´erimental de traction uni-axiale rapide a ´et´e con¸cu pour la caract´erisation d'un ´elastom`ere composite `a matrice p − BHT hautement charg´e de particules rigides (une distribution de CaCO3 et une autre d'aluminium). Parmi les autres essais d´evelopp´es, un essai de cisaillement h´et´erog`ene d'impact sur tranche a ´et´e adapt´e, cet essai permet d'appr´ecier l'´etat d'endommagement dans le mat´eriau pendant et suite `a l'impact. Les param`etres de comportement quantifi´es dans la gamme de vitesse de d´eformation prospect´ee ont ´et´e int´egr´es `a la biblioth`eque des param`etres existante. Les premi`eres simulations num´eriques int´egrant ces nouveaux param`etres ont permis d'´etendre l'utilisation du mod`ele de comportement utilis´e par Ariane Group.

  • Titre traduit

    Characterization and modeling the dynamic behavior of solid propellant and vulnerability of propelled systems


  • Résumé

    The design and qualification tests of rocket motors require knowledge of the mechanical behavior of the materials used to manufacture them. In this aim, a large range of strain rates have to be considered, this range integrate many solid propellant service situations. Knowledge of their behaviour should make it possible to predict the risks associated with unexpected stress on propelled vehicles (difficult transport conditions, falls). The usual methodology uses both numerical and experimental approaches. This methology is based on several uniaxial tesile tests, DMA and tensile tests under pressure to identify the parameters of the constitutive law (HRVM). However, it was indicated that the usual method did not allow satisfactory numerical predictions to be performed when the strain rate is greater than 50 s−1. This PhD work proposes new experimental characterization techniques to complement existing results for a range of strain rates of about 100 s−1. Original tests ensuring dynamic and homogeneous loadings have been developed. A dynamic tensile test has been designed to characterize composites elastomers highly filled (CaCO3 and aluminum). A heterogeneous dynamic shear test of edge-on impact has been also adapted, this test makes it possible to assess the state of damage in the material during and after the impact. The material parameters quantified with new mechanical tests have been integrated into the existing parameter library. The firsts numerical simulations using these new parameters have made it possible to extend the practice of numerical model used by Ariane Group.