Brevet FR2520703A1 — publié le 19830805

Réservoir d'ergol a membrane déformable La présente invention concerne les réservoirs des tines à stocker un ergol liquide et elle troijve une application particulièrement importan+ > dn lo domaine soatial Elle a plus particulièrement pour objet les réservoirs du type comprenant une coque rigide et une membrane déformable dont la périph-érie est fixée a la coque pour séparer l'intérieur de celle-ci en un compartiment à ergol et un compartiment de réception de gaz d!expulsion d'ergol.Le gaz sous pression permet d'expulser l'ergol par un orifice du compartiment correspondant et, donc, de supprimer la nécessité d'une orientation convenable des forces de pesanteur ou d'accélération et d'une intensité suffisante de celle-ci, nécessité b laquelle on se heurte lorsque le réservoir se réduit à une enveloppe. Les réservoirs destinés a certaines applications, par exemple à l'alimentation des tuyères de commande d'attitude de satellites, doivent être constitués en mat- riaux compatibles a long terme avec ergol contenu (c'est à-dire qui ne sont pas corrodés par l'ergol et ne les polluent et ne les décomposent pas), avoir une perméabilité très faible et supporter les contraintes mécaniques sans risque de rupture. On connaît des matériaux métalliques, tels que des alliages à base de titane, qui remplissent ces condition de façon satisfaisante quel que soit l'ergol contenu. Par contre, les membranes existantes, compatibles avec les monoergols (hydrazine notamment) et les ergols réducteurs (monométhyl hydrazine, "aérozine 50",...)-couramment utilisés à l'heure actuelle ne supportent pas un contact prolongé avec les oxydants puissants utilisés pour briller les ergols réducteurs, oxydants parmi lesquels il faut surtout citer le peroxyde d'azote, pur ou en mélange avec le monoxyde d'azote. La présente invention vise à fournir un réservoir à ergol répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que sa me-mbrane est compatible avec l'ensemble des ergols non cryogéniques d'usage courant. Dans ce but, l'invention propose notamment un réservoir du type ci-dessus défini dont la membrane comprend au moins une couche en contact avec l'ergol, à base d'élastomère fluoré, une couche métallique d'étanchéité et une couche ayant une armature tissée enrobée. Le terme "membrane" doit être interprété dans un sens large et comme couvrant non seulement une membrane proprement dite, c'est-a-dire une paroi destinée à être fixée par un bord externe, mais aussi une vessie en forme de ballon fixée localement. Dans les deux cas toutefois, la membrane est sensiblement inextensible, les variations de volume des compartiments qu'elle délimite étant provoquées par changement de forme de la membrane, en des zones qui peuvent ou non être prédéfinies. La première couche, au contact de l'ergol, sera généralement constituée en polytetrafluoréthylène ou PTFE, avantageusement additionné d'un composant tel que l'hexafluopropylène ou le perfluovyniléther, qui en augmente la résistance au fluage et l'aptitude au formage. Cette couche assure la compatibilité de la membrane avec l'ergol. Elle est en effet chimiquement neutre à l'égard des ergols mentionnés ci-dessus, y compris les oxydants énergiques, et peut tolérer un contact pendant plusieurs années sans destruction ni pollution. La seconde couche est métallique et a pour rôle d'assurer une étanchéité complète a l'égard de l'ergol aussi bien que du qaz de pressurisation. Les métaux utilisables comprennent notamment l'aluminium pur et l'or, qui ont l'avantage d'une malléabilité telle que la membrane conserve toute la souplesse requise et qu'il n'y a pas de risque de rupture à la suite de flexions alternées, et le titane. Le métal doit être compatible avec les ergols, car la première couche ne peut être rendue totalement imperméable et elle laisse destraces d'ergol venir au contact du métal. Mais il est important de noter que la première couche joue deux rôles : elle limite à une valeur très faible les quantités d'ergol qui parviennent a la traverser pour venir en contact avec le métal.Elle constitue un filtre bloquant les oxydes métalliques formés par la venue de l'ergol au contact du métal et évite ia pollution de la masse d'ergol. La troisième couche a un rôle important : elle assure la tenue mécanique de la membrane. L'armature tissée reprend les efforts exercés sur la membrane et -évite un allongement excessif de la couche métallique. L'enrobage empêche la formation de plis imposant un rayon de courbure minimm a la couche métallique lors des déformations de la membrane et permet de reporter les efforts des différentes couches à l'armature. Pour pleinement assurer son rôle, l'armature tissée doit être aussi proche que possible de la couche métallique, ce qui explique qu'elle n'en sera normalement séparée que par l'épaisseur nécessaire a l'adhésion. L'enrobage pourra être constitué en PTFE ou en matériaux dits plastomères, parmi lesquels on choisira en général un élastomère.L'armature pourra être en matériau minéral (par exemple verre, métal, carbone,...) ou synthétique (par exemple en fibre polymère aramide Dans, une variante de réalisation, la première couche comporte également une armature tissée, en fibre compatible avec les ergols, aussi proche que possible de la deuxième couche. Cette dernière se trouve alors seulement comprimée lors des déformations de la membrane. Dans tous les cas, le réservoir obtenu est compatible avec tous les ergols usuels, ce qui permet en particulier d'éviter les risques d'erreurs et de réduire les stocks de rechange nécessaires (le même réservoir en réserve pouvant être utilisé soit pour un ergol oxydant, soit pour un autre). L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. Ld description se réfère aux dessins ci-annexds, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution d'un réservoir de forme sphérique, en coupe suivant un plan diamétral - la figure 2 est une vue de détail à grande échelle montrant une constitution possible de la membrane - la figure 3, similaire à la figure 2, montre une variante de réalisation de la membrane et son mode de fixation à la coque du réservoir - la figure 4, similaire à la figure 1, montre une variante de réalisation. Le réservoir montré en figure 1 a une constitution classique. Il comprend une coque métallique semi-sphérique 10, par exemple en alliage de titane tel que Ti 6Al 4V, et une membrane 11 dont la périphérie est fixée à la coque 10 suivant approximativement un grand cercle de celle-ci. Elle sépare ainsi un compartiment à ergol 12 et un compartiment 13 à gaz de mise sous pression (hélium ou azote en général). Les dimensions de la membrane 11 sont telles qu'en fin de vidange par l'orifice 14, elle vient se plaquer contre la coque du réservoir, comme indiqué en tirets. Des rainures de circulation peuvent être ménagées afin d'éviter la formation de poches emprisonnant du liquide. La figure 2 montre une constitution possible de la membrane 11. La première couche 15 sera généralement en PTFE, avec d'éventuels additifs, d'une épaisseur de l'ordre de 200 à 300 pm. La seconde couche 16 est métallique. Son épaisseur dépendra de la nature du métal. Lorsqu'elle elle est en aluminium pur, son épaisseur sera au minimum de 50 pm pour éviter des risques de fissures traversantes qui détruisent l'étanchéité. L'épaisseur doit par ailleurs rester suffisamment faible pour que la membrane reste souple et qu'il n'y ait pas de décollement de la couche lors des flexions. Une épaisseur de 100 pm environ sera généralement satisfaisante. La couche métallique peut être formée par pulvérisation cathodique, mais, à cette solution qui donne un dépôt poreux, il sera souvent avantageux de substituer un formage mécanique. La troisième couche 17 comporte une armature tissée soit suivant une armure classique, qui a toutefois l'inconvénient de ne reporter les efforts vers la fixation que suivant deux ou trois directions préférentielles, soit suivant une disposition en toile d'araignée. L'armature est solidarisée de la couche métallique 16 par un enrobage en matériau plastomère et elle a une épaisseur qui sera généralement d'au moins 200p m. L'armature tissée est placée aussi près que possible de la couche 16. Pratique ment, elle n'en sera séparée que par l'épaisseur de collage minimum, de l'ordre de 5 Mm. Dans la variante de réalisation montrée en figure 3, où les composants correspondant à ceux de la figure 2 sont désignés par le même numéro de référence, la première couche 15 contient également une armature tissée 18, aussi proche que possible de la deuxième couche. Le matoriau constitutif de l'armature 18 doit être chimiquement neutre vis à vis des ergols Diverses solutions peuvent être utilisées.poir fixer la périphérie de la membrane 11 à la coque 10. Elles doi- vent tenir compte, d'une part, de la faible résistance au fluage a long terme du PTFE, d'autre part. du moins lorsque la coque est constituée par soudage de deux moitiés. de la nécessité de ne pas soumettre la membrane à des températures élevées. Dans le mode de réal}sation montré en figure 3, la membrane 11 est retenue à sa périphérie dans la partie centrale d'une virole 19 dont les faces terminales sot reliées à deux coquilles hémisphériques par soudage en 20. Ainsi, I'apport de chaleur nécessaire au soudage s'effectue en des zones éloignées de la membrane. Cette dernière constitue à sa périphérie un bourrelet retenu entre un logement ménagé dans la virole 19 et un anneau de retenue 21 fixé par des moyens quelconques. Les faces internes de la virole et de l'anneau sont profilées de façon à limiter la courbure que peut prendre la membrane au voisinage de sa fixation. Le bourrelet comprend un épaississement périphérique 22 de la couche métallique 16, épaississement dont la dimension dans le sens axial est avantageusement supérieure à la dimension dans le même sens de l'ouverture de passage de la membrane entre l'anneau et la virole. Lorsque la première et la troisième couches contiennent l'une et l'autre une armature tissée, ces armatures peuvent être prolongées et raccordées dans la zone 23, assurant ainsi un bon maintien des matériaux dans lesquels elles sont noyées (typiquement PTFE et élastomère). Lorsque seule la troisième couche contient une armature, cette armature peut se prolonger pour venir entourer, sur un arc proche de 3600, le renflement 22 pour assurer également un ancrage satisfaisant. D'autres solutions sont évidemment possibles. Par exemple, la membrane peut être fixée sur un voile de forme tronconiq-ue soudé à la coque, ce qui permet encore de soustraire la membrane a I'élévation de température de la coque lors de la soudure, mais en contrepartie tend à laisser subsister des zones mortes d'où il n'est pas possible de chasser l'ergol. Au lieu d'avoir la forme illustrée en figure 1, la membrane 11 peut constituer une vessie, comme indiqué sur la figure 4, ce qui permet d'éviter tout contact entre la coque métallique et l'ergol. Les figures 2 et 3 montrent des membranes d'epaisseur constante: dans la pratique, on pourra être amené, surtout dans le cas de membranes de grande dimension, à donner une épaisseur variant depuis le centre jusqu'a une zone de fixation (voir figures 5 et 6). REVENDICATIONS 1. Réservoir d'ergol comprenant une coque rigide (10) et une membrane déformable (11) dont la périphérie est fixée à la coque pour séparer l'intérieur de celle-ci en un compartiment à ergol et un compartiment de réception de gaz d'expulsion de l'ergol, caractérisé en ce que la membrane (11) comprend au moins une couche en contact avec l'ergol (15) à base d'élastomère fluoré, une couche métallique intermédiaire (16) d'étanchéité et une couche (17) ayant une armature tissée enrobée. 2. Réservoir suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche en contact avec l'ergol est constituée de PTFE avantageusement additionné d'hexafluopropylène ou de perfluovyniléther. 3. Réservoir suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (16) est en aluminium, or ou titane. 4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature tissée de la troisième couche (17) est en verre, métal, carbone ou en fibre synthétique. 5. Réservoir suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche comporte également une armatole tissée (18) en fibres compatibles avec les ergols. 6. Réservoir suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche a une épaisseur comprise entre 200 et 300 pm, tandis que la seconde couche a une épaisseur d'au moins 50 pm.