Brevet FR2532373A1 — publié le 19840302

Appareil d 1 emmagasinage et dtexpulsion d'un milieu fluide. La présente invention concerne un appa- reil destiné à l'emmagasinage et à l'expulsion d'un milieu fluide et, en particulier, un appareil de ce type destiné à être utilisé avec un agent de propul- sion pour un véhicule tel qu'un missile ou analogues. Des véhicules mus par fusée tels que des missiles ou des véhicules spatiaux peuvent nécessiter un fluide sous pression tel que, par exemple, un agent de propulsion utilisé pour le contr 8 le de di- rection d'un moteur de fusée à agent de propulsion solide, ou un carburant pour un impulseur'd'attitude. Dans la technique antérieure, il a été de pratique courante d'emmagasiner un fluide sous pression de ce type (fluide primaire) dans un récipient prévu à cet effet, ce fluide primaire étant ensuite expulsé de ce récipient, par exemple, par un gaz de mise sous pres- sion (fluide secondaire) résultant de la combustion d'une charge propulsive solide, de l'échappement du moteur principal du véhicule ou d'un gaz comprimé emmagasiné dans le véhicule Ce récipient peut être constitué d'une vessie flexible qui est comprimée par le fluide-secondaire pour en expulser le fluide pri- maire En variante, ce récipient peut être constitué d'un réservoir torordal ou hélicoïdal rigide à travers lequel un piston est entraîné par le fluide secondaire pour en expulser le fluide primaire Bien que les systèmes à piston/réservoir présentent différents avan- tages vis-à-vis du système précité à vessie flexible, ces systèmes à piston/réservoir eux-mêmes ne sont pas sans présenter certains inconvénients Un de ces in- convénients est l'incapacité de ces systèmes à emma- gasiner le fluide primaire dans le réservoir pendant une période indéfinie-sans que ce fluide ne s'échappe de ce réservoir, entre la surface intérieure des parois de ce réservoir et le piston Un deuxième inconvénient réside dans le déséquilibre qu'un pis- ton mobile imprime au système (et au véhicule) lors- que le piston effectue un mouvement de va-et-vient dans le réservoir Par exemple, lorsque le réservoir est de forme torordale ou hélicoïdale, comme c'est le cas lorsque ce réservoir doit être placé autour d'un corps tel que le moteur principal d'un véhicule, un seul piston voyageant d'une extrémité à l'autre du réser- voir pour en expulser le fluide créera nécessairement, dans le véhicule, un déséquilibre cyclique et latéral de masse, risquant ainsi de faire dévier le véhicule de sa trajectoire ou de son parcours désiré En outre, le réservoir est susceptible d'être détérioré par la chaleur véhiculée par le fluide secondaire, par exem- ple, lorsque ce dernier est constitué d'un gaz libéré par une charge propulsive solide ou par l'échappement du moteur principal du véhicule. En conséquence, un objet principal de la présente invention est de fournir un appareil perfec- tionné pour l'emmagasinage et l'expulsion d'un milieu fluide. Un autre objet de la présente invention est de fournir un appareil de ce type pouvant emmagasiner un fluide à long terme, le risque de fuite de fluide hors de cet appareil étant réduit au minimum. Un autre objet de la présente invention est de fournir un appareil de ce type dont l'équili- bre est maintenu lorsque le fluide en est expulsé. Un autre objet de la présente invention est de fournir un appareil de ce type dans lequel le risque de détérioration thermique d'un réservoir qui y est utilisé, par un fluide secondaire est réduit au minimum. Suivant la présente invention, le risque de fuite de fluide hors de l'appareil est réduit au minimum en prévoyant un joint étanche pouvant se rom- pre et fixé en permanence au piston et à la paroi du réservoir. Suivant un autre aspect de la présente invention, l'équilibre du système est maintenu en y installant des pistons par paires opposées de telle sorte que le déplacement d'un premier piston soit équilibré par un déplacement analogue d'un piston opposé Suivant un autre aspect encore de la présente invention, une surchauffe des parois du réservoir sous l'effet du choc du fluide secondaire chaud est réduite au minimum par un bouclier thermique expansible fixé, par une-de ses extrémités, à une surface intérieure de la paroi du réservoir et, par son extrémité opposée, au piston Le mouvement des pistons à travers le réser- voir a pour effet de dilater le bouclier thermique, si bien que ce dernier vient s'intercaler entre le fluide secondaire chaud et la surface intérieure de la -paroi du réservoir Dans la forme de réalisation pré- férée, le joint étanche est un joint du type à membrane ou à soufflet pouvant se briser, tandis que le bouclier thermique expansible est constitué d'organes tubulai- res en toile pliés en accordéon afin d'assurer une meilleure compacité lors de l'emmagasinage Q- Dans les dessins annexés *e la figure 1 est une élévation partiellement en coupe d'une forme de réalisation préférée de-la présente invention; la figure 2 est une élévation en coupe et agrandie d'un des pistons et des boucliers thermiques utilisés dans l'appareil; la figure 3 est une élévation d'une autre forme de réalisation du réservoir utilisé dans l'appas reil de la présente invention. En se référant aux figures 1 et 2, l'appa- reil de la présente invention est indiqué d'une ma- nière générale par le chiffre de référence 10 et-il comprend un réservoir annulaire 15 dans lequel un fluide primaire est emmagasiné, puis expulsé Ce réservoir peut avoir n'importe quelle section trans- versale désirée, par exemple, une section transversale circulaire, ce réservoir étant de forme toroidale. Le réservoir 15 comporte deux lumières d'entrée diamé- tralement opposées 20 et 25 par lesquelles un fluide secondaire y est introduit Deux lumières d'échappe- ment diamétralement opposées 30 et 35 sont également prévues dans ce réservoir et elles reçoivent le cou- rant de fluide primaire déchargé de ce réservoir Le réservoir est divisé en deux volumes généralement égaux par des cloisons 40 et 45, la lumière d'échappe- ment 30 étant ménagée dans la cloison 40, tandis que la lumière d'échappement 35 est ménagée dans la cloi- son 45 Le réservoir 15 est réalisé en n'importe quelle matière compatible avec les caractéristiques chimiques et de pression du fluide primaire et du fluide secondaire Par exemple, lorsque le fluide primaire est un agent monopropulsant d'hydrazine et lorsque le fluide secondaire est constitué de pro- duits de combustion à base d'hydrocarbures, le réser- voir est-réalisé en un alliage de titane. A l'intérieur du réservoir 15, sont dispo- sés deux pistons pratiquement identiques indiqués chacun par le chiffre de référence 50 Ces pistons sont généralement en forme de cuvette et ils compor- tent chacun une partie creuse 55 à l'intérieur Les pistons sont étanchés sur les surfaces intérieures des parois du réservoir par des joints étanches dyna- miques 60 venant se loger dans des gorges correspon- dantes pratiquées dans les surfaces latérales des pistons Tout comme le réservoir 15, les pistons et les joints étanches 60 sont réalisés en n'im- porte quelle matière appropriée compatible avec les caractéristiques chimiques et de pression du fluide primaire et du fluide secondaire et, tout comme les lumières d'entrée et de sortie, les pistons sont gé- néralement diamétralement opposés l'un à l'autre. Grâce à une mise sous pression égale des pistons par le fluide secondaire et grâce à une entrave égale présentée à l'écoulement du fluide primaire, chaque piston est amené à voyager sur une moitié correspon- dante du réservoir, puisqu'aussi bien il reste diamé- tralement opposé à l'autre piston, si bien que le centre de gravité de l'appareil reste généralement fixe, préservant ainsi l'attitude désirée du véhicule dans lequel est utilisé cet appareil. Afin d'empêcher les fuites du fluide pri- maire de l'espace compris entre les pistons et les parois du réservoir au cours d'un emmagasinage à long terme, l'appareil comporte des joints étanches 65 fi- xés en permanence aux pistons et aux parois du réser- voir par n'importe quelle technique appropriée Dans la forme de réalisation préférée dans laquelle le réservoir, les pistons et les joints étanches sont réalisés en alliage de titane, les joints étanches 65 sont fixés aux pistons et aux parois du réservoir par soudage ou analogues Comme représenté dans les des- sins, les joints étanches peuvent être du type à souf- flet Toutefois, d'autres configurations équivalentes pourront apparaître à l'homme de métier sans se dépar- tir de la présente invention. Afin d'empêcher une surchauffe des parois du réservoir lorsqu'un fluide secondaire chaud est introduit dans ce dernier, l'appareil de la présente invention comporte deux boucliers thermiques extensi- bles 70 fixés chacun à la fois à la surface intérieure du réservoir et aux pistons de telle sorte que le mou- vement de ces derniers ait pour effet de provoquer l'extension de ces boucliers thermiques dans le sens longitudinal en les intercalant entre le fluide secon- daire et les parois du réservoir Les boucliers ther- miques peuvent résister à des températures supérieures à celle des parois du réservoir et, dans la forme de réalisation préférée, ces boucliers sont constitués d'une toile de matières telles que les fibres de verre, les fibres de quartz ou les fibres céramiques tissées. Ces toiles peuvent également être repliées de manière compacte, par exemple, en y formant des plis en accor- déon comme représenté dans les dessins Dès lors, il est à noter que, lorsque les pistons occupent leur position initiale (près des lumières d'entrée), les boucliers thermiques peuvent être logés de manière compacte dans les creux 55, tandis qu'ils sont aisé- ment allongés par les pistons, le risque d'auto-inter- férence par l'un ou l'autre élément adjacent étant minime. Pour en préserver la forme, chaque bouclier thermique peut comporter plusieurs supports qui en épousent la section transversale En règle générale, les boucliers thermiques et leurs supports ont une section transversale épousant celle du réservoir 15. Par exemple, lorsque le réservoir 15 a une section transversale circulaire, les boucliers thermiques seront généralement cylindriques et leurs supports seront généralement circulaires Il est à noter que ces supports peuvent être réalisés à partir d'un seul élément hélicoïdal d'un fil rigide ou analogues. Les boucliers thermiques peuvent être fi- xés au réservoir et aux pistons par n'importe quel moyen approprié Comme illustré dans les dessins, les extrémités des toiles formant les boucliers thermi- ques peuvent être pliées ou ourlées et serrées sur les pistons et les parois du réservoir au moyen de pinces annulaires 75 et 80 fixées aux pistons et aux parois du réservoir par n'importe quel moyen apprd- prié, par exemple, des rivets ou des boulons 85. Afin de réduire le risque de détérioration thermique des boucliers thermiques suite à la mise sous pres- sion initiale du réservoir par le fluide secondaire, les pistons peuvent éventuellement comporter une jupe ou une partie tubulaire 90 s'étendant dans le sens longitudinal et disposée à l'intérieur des boucliers thermiques Le tube 90 peut comporter, à son extré- mité, une bride 95 s'étendant vers l'extérieur afin de canaliser le fluide secondaire autour des boucliers thermiques et à l'intérieur de la partie tubulaire, Lors de la mise en service, le réservoir est rempli de fluide primaire, tandis que les pistons sont disposés à l'intérieur de ce réservoir dans une relation diamétralement opposée l'un par rapport à l'autre près des lumières d'entrée 20 et 25 du fluide secondaire Les boucliers thermiques sont comprimés (en se repliant à leurs plis) à l'intérieur des pis- tons Les joints étanches 65 qui sont fixés en per- manence aux pistons et aux parois du réservoir, empê- chent efficacement le -fluide primaire de s'échapper de l'espace compris entre les pistons et les parois du réservoir au cours de longues périodes diemmagasi- nage. Lorsque le fluide primaire doit être expul- sé du réservoir, par exemple, pour procéder au réglage de l 'attitude d'un missile dans lequel l'appareil est utilisé, les espaces intérieurs des pistons sont mis sous pression par le fluide secondaire (par exemple, par une charge propulsive solide) via les lumières d'entrée 20 et 25 et au moyen de soupapes appropriées (non représentées) La mise sous pression des espaces intérieurs des pistons a pour effet de provoquer la rupture des joints étanches 65, permettant ainsi, aux pistons, de voyager à l'intérieur du réservoir en chassant le fluide primaire contenu dans ce dernier via les lumières d'échappement 30 et 35 Etant donné que les pistons sont identiques et diamétralement opposés, grâce à une mise sous pression égale, i Jsse déplaceront tous deux à des vitesses équivalentes et ils resteront diamétralement opposés, si bien que le centre de masse de l'appareil restera fixe, minimisant ainsi le risque de déséquilibre de l'appareil et, par- tant, du véhicule dans lequel ce dernier est utilisé. Le mouvement des pistons a pour effet de provoquer l'extension des boucliers thermiques qui protègent les parois métalliques du réservoir contre le fluide secondaire, les plis en accordéon et les supports des boucliers thermiques assurant l'expansion régulière de ces derniers. Bien que l'appareil de la présente inven- tion ait été décrit en se référant à un réservoir de fluide primaire de forme généralement toroïdale, lors- qu'il est nécessaire d'acc-roître la capacité du réser- voir, il est entendu que la présente invention peut être adoptée avec plusieurs réservoirs ou un réservoir hélicoïdal 100 du type représenté en figure 3 Dans cette dernière configuration, les pistons restent dia- métralement opposés lorsqu'ils voyagent dans une direc- tion commune à l'intérieur du réservoir, le centre de masse de ltappareil restant ainsi à un emplacement latéral (radial) constant Toutefois, il est à noter que ce mouvement des pistons a pour effet de déplacer l'emplacement longitudinal du centre de masse du sys- tème Bien que le réservoir du type représenté en figure 3 puisse être approprié lorsque le réservoir hélicoïdal doit avoir une plus grande capacité et lorsqu'un décalage longitudinal du centre de mas-se peut être toléré, si ce décalage longitudinal du cen- tre de masse ne peut être toléré, on peut former deux réservoirs, l'un présentant une hélice à pas droit et le second, une hélice à pas gauche, les pistons voya- geant des extrémités opposées vers le centre des héli- ces, Dans une telle configuration, les pistons res- tent diamétralement opposés en se rapprochant mutuel- lement dans le sens longitudinal à partir des extré- mités, maintenant ainsi tant l'emplacement longitudinal que l'emplacement latéral (radial) du centre de masse de l'appareil. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à un seul fluide primaire, on comprendra que l'on peut utiliser plusieurs fluides primaires sans se départir de l'invention Par exem- ple, l'appareil illustré en figure 1 peut être utilisé avec deux fluides tels qu'un carburant et un agent oxydant, le carburant étant emmagasiné dans le volume compris entre le piston inférieur et la paroi 40, tandis que l'agent oxydant est emmagasiné dans le volume compris entre le piston supérieur et la paroi ou vice versa Lorsqu'ils sont déchargés de l'ap-. pareil 10, le carburant et l'agent oxydant peuvent être mélangés en vue de l'allumage, des soupapes et des conduits appropriés (non représentés) canalisant les fluides pour les amener en contact mutuel. Bien que l'invention ait été décrite en se référant à deux pistons, on comprendra que l'on peut tout aussi utilement en utiliser un plus grand nombre. C'est ainsi que l'unique réservoir torordal représenté en figure 1 peut être divisé en quatre compartiments ou plus, chaque compartiment renfermant un piston pour en expulser le fluide Chaque piston devrait être disposé en face d'un piston analogue afin de maintenir l'emplacement du centre de masse du systè- nie A titre d'exemple, dans un système de ce type, deux des compartiments peuvent recevoir le carburant, tandis que les deux autres compartiments peuvent rece- voir l'agent oxydant ou chaque compartiment peut rece- voir un fluide différent. REVENDICATIONS 1 Appareil en vue d'emmagasiner et d'ex- pulser un milieu fluide primaire, cet appareil compre- nant-: un réservoir généralement tubulaire ( 15; ) espacé radialement de et disposé autour dtun axe central perpendiculaire à son axe longitudinal, ainsi qu'un premier piston ( 50) disposé de façon à pouvoir coulisser dans ce réservoir pour y effectuer un mouve- ment longitudinal et expulser ainsi ce fluide primaire de.ce réservoir, ce dernier comportant une première lumière d'entrée ( 20) par laquelle un fluide secondaire est introduit dans ce réservoir pour entraîner ce pre- mier piston, de même qu'une première lumière d'échap- pement ( 35) recevant un courant de ce milieu fluide primaire expulsé du réservoir par le premier piston, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième piston ( 50) disposé de façon à pouvoir coulisser dans le réservoir et s'y déplacer simultanément avec le premier piston dans une relation diamétralement opposée avec ce dernier afin-de minimi- ser ainsi le déséquilibre de cet appareil; une deuxième lumière d'entrée ( 25) prévue dans ce réservoir pour recevoir ce fluide secondaire en vue d'entraîner ce deuxième piston; et une deuxième lumière d'échappement ( 30) prévue dans le réservoir pour recevoir un courant du milieu fluide expulsé de ce réservoir par le deuxième piston. 2 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première lumière d'entrée ( 20) est gén O éralement disposée diamétralement à l'op- posé de la deuxième lumière d'entrée ( 25), tandis que la première lumière d'échappement ( 35) est générale- ment disposée diamétralement à l'opposé de la deuxiè- me lumière d'échappement ( 30). 3 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux joints étan- ches ( 60) fixés chacun en permanence à un de ces pis- tons ( 50) et à une surface intérieure adjacente du réservoir ( 15; 100), ces joints pouvant être brisés par le mouvement des pistons en réponse à l'admission, dans ce réservoir, du fluide secondaire via la pre- mière et la deuxième lumière d'entrée ( 20, 25). 4 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux boucliers ther- miques tubulaires et extensibles ( 70) fixés chacun, à une de leurs extrémités, à ce réservoir ( 15; 100) généralement près d'une lumière d'entrée correspondante ( 20, 25) et, à leur autre extrémité, à un piston cor- respondant ( 50), le mouvement de ce piston correspon- dant ayant pour effet de provoquer l'extension de ce bouclier thermique dans le sens longitudinal du ré- servoir afin d'en protéger la surface intérieure con- tre le fluide secondaire. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les boucliers thermiques ( 70) sont constitués d'une toile. 6 Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les pistons ( 50) comportent des parties creuses ( 55) dans lesquelles ces boucliers thermiques ( 70) viennent se loger lorsqu'ils ne sont pas en position d'extension et lorsque ces pistons sont disposés à proximité des lumières d'entrée ( 20, 25). 7 Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les boucliers thermiques ( 70) sont constitués d'une toile plissée en accordéon. 8 Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les boucliers thermiques ( 70) comportent plusieurs supports alignés longitudinale- ment et ayant une forme épousant celle de la section transversale des boucliers thermiques. 9 Appareil en vue d'emmagasiner et d'ex- pulser un fluide primaire, cet appareil comprenant un réservoir généralement tubulaire ( 15; 100) espacé radialement de et disposé autour d'un axe central perpendiculaire à son axe longitudinal, un piston ( 50) disposé de façon à pouvoir coulisser dans ce réservoir pour y effectuer un mouvement longitudinal et ainsi expulser ce fluide primaire de ce réservoir, ce dernier comportant une lumière d'entrée ( 20) par laquelle un fluide secondaire est introduit dans ce réservoir pour entraîner ce piston, cet-appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: un bouclier thermique flexible et expansi- ble ( 70) assemblé, à une de ses extrémités,au piston ( 50) et, à son extrémité opposée, à une paroi intérieure de ce réservoir ( 15; 100), ce bouclier thermique étant expansé par le mouvement de ce piston ( 50), for mant ainsi, pour le réservoir, un garnissage par lequel ce réservoir est protégé contre les effets du fluide secondaire. Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le bouclier thermique ( 70) est de forme tubulaire et est constitué d'une toile. 11 Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le piston ( 50) comporte une partie creuse ( 55) à l'intérieur, le bouclier thermi- que ( 70) venant se loger en se repliant dans cette partiecreuse lorsqu'il n'est pas en position d'exten- sion et lorsque le piston est situé dans une -position proche de la lumière d'entrée ( 20). 12 Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la toile est plissée en accor- déon et comporte plusieurs supports alignés longitudi- nalement et ayant une forme épousant celle de la section transversale du bouclier thermique ( 70). 13 Appareil suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la partie creuse ( 55) du piston ( 50) comporte une jupe tubulaire ( 90) s'étendant à partir de cette partie creuse vers l'intérieur du bouclier thermique ( 70) afin de protéger ce dernier, lorsqu'il n'est pas en extension, contre les effets initiaux de l'admission du fluide secondaire dans le réservoir ( 15; 100).