Brevet FR2537544A1 — publié le 19840615

- Procédé et dispositif de propulsion pour satellites La présente invention concerne les procédés et dispositifs de propulsion destinés aux satellites et ell-e trouve une application particulièrement importante dans le domaine des satellites géostationnaires. Pour injecter un satellite sur son orbite défini- tive puis assurer son maintien à poste pendant la durée de vie utile, des moyens de propulsion doivent être prévus. Une tendance qui se manifeste actuellement consiste à pré- voir un système de propulsion unifié, qui tout à la fois intervient pour injecter le satellite sur son orbite défi- nitive (rôle rempli antérieurement par un-moteur d'apogée à poudre) et pour assurer ensuite le maintien à poste du sa- tellite (rôle rempli par des tuyères alimentées à partir d'un système de stockage d'ergol) En règle générale, on utilise deux ergols, par exemple la monométhylhydrazine ou MMH comme combustible, le peroxyde d'azote N 204 comme oxydant. Des raisons d'encombrement et faisabilité conduisent à utiliser au moins deux réservoirs de stockage pour chaque ergol Dans les dispositifs existants, les réservoirs conte- nant un même ergol sont reliés en parallèle par un réseau, de tuyauteries L'une des raisons qui conduisent à ce montage en parallèle est la suivante La majeure partie (en général plus des trois quarts) des ergols est consommée au cours de la phase d'injection Le montage en parallèle et le vidage simultané des deux réservoirs permettent de maintenir le centre de masse des ergols sur l'axe de poussée du moteur principal. Mais, en contrepartie, cette disposition présente de nombreux inconvénients La multiplication des réservoirs aug- mente le poids et le coût Les réservoirs doivent pratique- ment être redessinés pour chaque mission particulière Les réservoirs ne sont jamais totalement pleins durant le lance-. ment (et l'éventuel tir de périgée depuis la navette spatiale). Tous les réservoirs commençant à se vider dès le début de -2- l'injection sur orbite définitive, un ballotement du liquide dans les réservoirs est à craindre en dépit du cloisonnement possible de ces derniers. L'invention vise à fournir un procédé et un dispo- sitif de propulsion à ergols pour satellites répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que les inconvénients ci-dessus mentionnés sont très atténués. Pour cela, l'invention part de la constatation que, quel que soit le mode d'injection du satellite sur son orbite définitive, le satellite est soumis à une accélération d'orientation déterminée et elle fait usage de cette accélé- ration pour assurer le puisage des ergols. De façon plus précise, l'invention propose notamment un dispositif de propulsion unifié à ergol pour satellites comportant un système de stockage d'ergol ayant au moins deux réservoirs pour l'ergol ou chaque ergol, caractérisé en ce que les réservoirs contenant le même ergol sont montés en série, la contenance du réservoir amont étant inférieure à la consommation d'ergol requise pour l'injection et ce réser- voir amont étant monté de façon que l'accélération au cours de l'injection maintienne l'ergol au contact d'une zone de la paroi munie d'une conduite de sortie d'ergol vers le réservoir placé en aval. L'invention propose également un procédé de propul- sion de satellite par alimentation d'un propulseur d'apogée et de propulseurs de maintien à poste à partir d'un système de stockage d'ergol comprenant au moins deux réservoirs pour l'ergol ou chaque ergol, procédé caractérisé notamment en ce qu'on monte en série les réservoirs contenant un même ergol, en ce qu'on alimente le propulseur d'apogée à partir des réservoirs placés en série en admettant un gaz de pressurisa- tion dans le réservoir amont à partir d'une source de gaz embarquée, et en ce qu'on assure l'alimentation des propul- seurs de maintien à poste à partir du réservoir aval après que le réservoir amont ait été vidé par fonctionnement du 25375 q 4 3- moteur d'apogée et après séparation des réservoirs amont et aval. Alors que le réservoir aval doit résister à l'action de l'ergol sous pression qu'il contient pendant toute la durée de vie utile du satellite, le réservoir amont n'est pressurisé et en contact avec l'ergol que pendant une durée brève, ne dépassant pas quelques semaines Ce réservoir amont peut, en conséquence, être constitué de façon beaucoup plus économique et légère que le réservoir aval, ce qui est une source notable d'économie Au surplus, le réservoir aval peut être aisément standardisé, le réservoir amont, de cons- titution simple, étant seul modifié en fonction de la mission. Contrairement à ce qu'on aurait pu penser, l'inven- tion est susceptible d'être mise en oeuvre quel que soit le mode de lancement et d'injection prévu, moyennant un simple choix approprié de l'orientation des réservoirs amont pour tenir compte du sens dans lequel s'exerce l'accélération. lors de l'injection Dans le cas d'un satellite qui est sta- bilisé suivant trois axes au cours de l'injection, les réservoirs seront orientés de façon que l'accélération uni- forme, de sens axial, au cours de l'injection, tende à plaquer l'ergol contre la partie du réservoir munie de la conduite de sortie Dans le cas o le satellite est stabi- lisé par rotation autour de son axe longitudinal lors de l'injection (satellites dits "spinnés"), l'accélération cen- trifuge est prépondérante Les réservoirs seront placés de façon que cette accélération radiale plaque le liquide contre la partie de la paroi munie de la conduite de sortie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe montrant le dispositif de propulsion dans son ensemble, la Figure 2 est un schéma montrant l'implantation des réservoirs autour de l'axe principal du satellite, 25375 z 4 4 - la Figure 3 est un schéma montrant l'emplacement de la sortie des réservoirs amont dans un satellite stabi- lisé par rotation au cours de l'injection, les Figures 4 et 5 montrent schématiquement une constitution interne possible des réservoirs aval, les Figures 6 a à 6 f montrent la disposition des ergols dans leurs réservoirs à plusieurs phases de la mission, la Figure 7 montre schématiquement la partie-supé- rieure d'un réservoir amont réduisant le ballotement d'ergol, la Figure 8 est un schéma d'implantation des réservoirs utilisable quel que soit le mode de lancement du satellite, la Figure 9 est une vue de détail à grande échelle des réservoirs supplémentaires du dispositif de la figure 8, les Figures 10, 11 et 12 montrent schématiquement un dispositif à six réservoirs. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 utilise deux ergols, qu'on suppose- ra être le peroxyde d'azote N 204 et la monométhyle hydrazine ou MMH Les circuits parcourus par les deux ergols sont de constitution identique Le circuit destiné à recevoir la MMH comporte par exemple un réservoir amont 10 a et un réservoir aval 12 a Le réservoir amont 10 a ne sera en contact avec l'ergol que pendant les quelques jours ou quelques semaines qui séparent le remplissage de la vidange au cours du trans- fert, c'est-à-dire lors de l'alimentation du moteur d'lapogée. Il pourra être constitué de façon légère, par exemple par une paroi mince de métal compatible avec l'ergol et formable à froid, tel qu'un alliage d'aluminium ou de titane, fretté par un bobinage de fibre enrobée de résine Il serait impossible d'utiliser un tel réservoir pour le stockage à long terme à cause du risque de corrosion, et surtout à cause du risque de fluage de la résine d'imprégnation de l'enroulement de - renforcement sous l'action de la pression interne que la tôle métallique mince du réservoir est incapable de supporter Le réservoir aval 12 a aura au contraire une constitution classique, à enveloppe de titane allié, et sera équipé d'un dispositif d'expulsion de l'ergol mettant en jeu les forces de capillarité, pour fournir un débit d'ergol exempt de bulles de gaz. La sortie du réservoir l Oa est placée de façon à être noyée par l'ergol résiduel en fin de vidange de ce réservoir Dans le cas d'un transfert sur orbite défi- nitive alors que le satellite est stabilisé suivant trois axes, la sortie sera située dans une direction axiale (direction de la poussée du propulseur d'apogée 14) La sortie du réservoir 10 a est reliée au réservoir 12 a par une conduite 16 a munie d'une vanne d'isolement 18 a On utilisera généralement une vanne pyrotechnique ouverte avant actionnement, qui a l'avantage d'être légère et d'assurer une coupure étanche Dans le cas d'un satellite stabilisé par rotation, cette conduite 16 a pourra se pro- longer jusqu'à la zone externe dans le sens radial du volume délimité par le réservoir (figure 3). Une entrée axiale du réservoir 10 a, située à l'op- posé de la sortie, est reliée par une conduite 20 a munie d'une vanne 22 a d'isolement et de moyens anti-retour 24 a, à une source d'hélium sous pression La vanne 22 a peut être une vanne pyrotechnique fermée jusqu'à actionnement. La source de gaz de pressurisation peut être constituée par des bouteilles d'hélium sous pression 26 et un détendeur-régulateur 28 réduisant la pression jusqu'à la valeur de pressurisation choisie, par exemple de l'ordre de 18 bars Ce circuit est complété par des vannes de remplissage et de vidange au sol montrées schématiquement en 30, par des capteurs de pression (non représentés) et par 25375 4 l'une des soupapes de sécurité (non représentées) Une vanne de dépressurisation du réservoir i Qa sera avantageu- sement prévue pour réduire la pression dans le réservoir une fois qu'il est isolé, afin d'éviter un risque d'éclatement et de pollution de l'ensemble du satellite L'échappement de cette vanne doit s'effectuer de façon symétrique pour éviter de créer des forces ou couples écartant le satellite de sa position nominale. Lorsque les deux ergols ont des masses volumiques différentes, ce qui est le cas le plus fréquent, les réser- voirs doivent être implantés non pas à intervalles réguliers, mais en des emplacements qui maintiennent un équilibrage satisfaisant au cours de la vidange La figure 2 montre à titre d'exemple une disposition utilisable lorsque les ergols sont la monométhylhydrazine et N 204, pour lesquels le rapport des masses volumiques est de 1,64 à 200 C. Les réservoirs 12 a et 12 b alimentent, par l'inter- médiaire de filtres 32 a et 32 b, des collecteurs respectifs 34 a et 34 b Sur ces collecteurs sont branchés, d'une part, le moteur d'apogée 14 muni d'une vanne de commande électro- magnétique 36, d'autre part, les diverses tuyères 37, égalé- ment munies d'électrovannes 38 permettant de les alimenter à partir de l'un ou l'autre des collecteurs Des vannes d'isolement bistables 39 sont prévues sur les collecteurs pour permettre de séparer un jeu de tuyères 37 de l'alimen- tation en cas de défaillance Les tuyères sont avantageuse- ment en nombre suffisant pour assurer la redondance néces- saire à la sécurité d'emploi. Un dispositif anti-retour est placé entre les réservoirs pour éviter le retour d'ergol vers le réservoir amont l Oa une fois celui-ci épuisé, alors que la vanne 18 a n'a pas encore été fermée Ce dispositif peut être placé dans la conduite de liaison 16 a Toutefois, il peut être intégré au réservoir aval et être constitué par le filtre qui est de toute taçon nécessaire, par exemple sous forme d'une toile filtrante à mailles fines (de l'ordre de 1,) -7- placée à l'entrée du réservoir. Le réservoir aval 12 a peut avoir la constitution interne classique des réservoirs antérieurs à tension de surface permettant une vidange complète Ces réservoirs -sont équipés intérieurement d'un dispositif dirigeant, par capillarité, l'ergol vers la sortie Une solution plus avan- tageuse utilise le fait qu'à la fin du fonctionnement du moteur d'apogée le réservoir 10 a est partiellement (habituel- lement aux deux tiers) vide Cette solution consiste à frac- tionner le réservoir 12 a en deux volumes par une cloison, oblique pour permettre une vidange complète, munie d'un pas- sage situé au point bas et munie d'une toile métallique de retenue ou d'un dispositif tampon à capillarité La cloison 42 sépare un volume supérieur d'un volume inférieur et elle est placée de façon que seul ce dernier contienne de l'ergol à la fin du fonctionnement du moteur d'apogée Une variation de température peut faire passer un faible volume d'ergol du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur, avant que les températures ne s'équilibrent Le rôle du dispositif tampon est de retenir l'ergol sortant du volume inférieur, puis de le restituer à ce volume Cette disposition permet de n'équiper d'un dispositif capillaire que le volume infé- rieur - Le dispositif tampon peut être constitué par des ailettes métalliques en éventail 40 entourant le trou ménagé dans la cloison de séparation 42 (figure 4) Il peut aussi bien être constitué par une bande métallique 44 enroulée en spirale, dont les spires se resserrent progressivement vers le centre o se place le trou de traversée de la cloison 42 (figure 5). Un procédé de mise en oeuvre du dispositif de pro- pu Ision suivant l'invention sera maintenant décrit en fai- sant référence aux figures 6 a à 6 f. Les réservoirs sont tout d'abord purgés, puis rem- plis au sol suivant le trajet indiqué par les flèches en figure 6 a, la partie haute des réservoirs 12 a et 12 b étant -8- mise à la décharge Ce remplissage, effectué alors que les vannes 22 a et 22 b sont fermées, est arrêté lorsque l'espace occupé par le gaz dans les réservoirs amont i Qa et b est celui préalablement calculé pour permettre de to- lérer les dilatations thermiques différentielles de l'ergol et de la paroi du réservoir sans risque de rupture ou de déformation de ce dernier. En cas de lancement par fusée, les ergols restent plaqués dans la même direction lors du tir et lors du pas- sage sur orbite de transfert, du fait de l'existence d'une accélération axiale Les ergols ne peuvent balloter dans les réservoirs aval 12 a et 12 b Le ballotement dans les réser- voirs amont au cours du lancement, puis des transfert et de la circulation libre sur orbite de transfert (o aucune accélération ne s'exerce) jusqu'au fonctionnement du moteur d'apogée peut être réduit en prévoyant un système de cloi- sons ou de chicanes dans les réservoirs Ces chicanes sont placées pour séparer une zone qui reste entièrement remplie d'ergolquelle que soit la température,d'une zone contenant du gaz et une fraction de l'ergol aussi faible que possible, mais noyant le débouché de la communication avec la première zone, quelle que soit la température. Dans le cas d'un lancement par-fusée, avec stabili- sation ultérieure suivant trois axes ou par rotation, on peut utiliser la disposition montrée en figure 7 La cloi- son 46, oblique, est placée de façon que le niveau Ni de l'ergol à la température minimum reste suffisant pour noyer le débouché d'un tube de communication ascendant 48 Le volume de la zone située au-dessus de la cloison 46 est tel que,-lorsque l'ergol atteint le niveau N 2, à la température maximale, la pression dans le réservoir 10 a reste acceptable. Dans la pratique, ce résultat sera atteint en donnant au compartiment situé au-dessus de la cloison 46, un volume de l'ordre de 4 % de celui de l'autre. Dans le cas d'un satellite lancé par fusée, l'ab- sence d'accélération lors de la circulation libre sur -9- orbite de transfert fait que les ergols peuvent prendre n'importe quelle position dans les réservoirs amont, la pire situation pour l'allumage ultérieur du moteur d'apogée étant celle montrée en figure 6 b o les conduites 16 a et 16 b débouchent dans l'atmosphère d'hélium des réservoirs a et 10 b Cette situation n'empêche pourtant pas l'allu- mage du moteur d'apogée Elle provoque simplement le pas- sage d'une faible quantité d'hélium de pressurisation dans les réservoirs aval 12 a et 12 b lors de l'ouverture des vannes d'alimentation du-moteur d'apogée Au cours de la phase initiale de l'injection, llhélium qui est passé dans les réservoirs aval, chasse les ergols qu'ils contiennent vers le moteur d'apogée (figure 6 c) Puis l'accélération, axiale dans le cas d'un moteur stabilisé suivant trois axes (figure 6 d), radiale dans le cas d'un satellite stabilisé par rotation (figure 6 e), vide progressivement les réser- voirs amonts 10 a et 10 b Dans le cas d'un satellite sta- bilisé par rotation, la vidange complète peut être obtenue en utilisant la disposition montrée en figure 3 Il faut remarquer au passage que la disposition autorise la vidange complète, même dans le cas d'un angle de nutation important, pouvant même atteindre 900 (situation fréquemment dénommée "spin à-plat"). Une fois vidés les réservoirs amont 10 a et 10 b, les réservoirs aval 12 a et 12 b se vident progressivement à leur tour pour alimenter le moteur d'apogée Pendant ce fonctionnement, les vannes 22 a et 22 b restent ouvertes pour que la pressurisation soit assurée par les bouteilles d'hélium 26 à travers le détendeur 28 Jusqu'à l'issue du fonctionnement du moteur d'apogée 14, les vannes 18 a et 18 b restent ouvertes, les reflux d'hélium étant interdits par les dispositifs anti-retour placés sur les conduites 16 a et 16 b et par le débit d'hélium Comme on l'a indiqué plus haut, le dispositif anti-retour sera généralement basé sur les forces de capi- larité et constitué par exemple par une toile métallique ayant une maille de l'ordre de 10 p qui interdit aux gaz - de passer lorsque la toile est mouillée par l'ergol et que la différence de pression est inférieure à une valeur de l'ordre de 100 mbars Après arrêt du moteur d'apogée, les vannes pyrotechniques 18 a et 18 b sont fermées et sépa- rent définitivement les réservoirs A partir de ce moment, les réservoirs 12 a et 12 b fonctionnent en dépressurisation progressive depuis la valeur initiale, généralement de 18 bars Les vannes 22 a et 22 b sont fermées et on dépressurise généralement les réservoirs 10 a et 10 b par ouverture d'une vanne d'évacuation de l'hélium résiduel, de façon symé- trique pour ne pas modifier l'attitude du satellite(Fig 6 f). Ultérieurement, l'ergol résiduel contenu dans les réservoirs 12 a et 12 b, sera utilisé pour alimenter les tuyères d'orientation et de remise à poste. Le montage indiqué en figure 7 n'est pas approprié au cas d'un lancement par navette spatiale On sait en effet que, dans ce cas, la séparation du satellite muni du moteur de périgée et de la navette s'effectue par largage vers l'arrière, ce qui conduit le satellite à prendre une orbite plus basse que la navette Le moteur de périgée est ensuite allumé lorsque le satellite se trouve dans le plan équatorial terrestre L'accélération due au lancement à partir de la navette est alors orientée à 90 de l'accélération due à l'action des moteurs de périgée et d'apogée. Les figures 8 et 9 montrent une disposition qui est utilisable quel que soit le mode de lancement, par satellite ou par navette, et le mode de stabilisation ultérieure. Le dispositif comporte alors, en plus des réservoirs l Oa-l Ob et 12 a-12 b, deux capacités supplémentaires 50 a et 50 b dont le volume doit répondre aux mêmes critères que celui du compartiment supérieur constituant vase d'expansion dans le cas de la figure 7 Ces capacités sont de révolution, d'axe à 450 environ des directions 1 et J 2 des accéléra- tions lors du lancement par navette et par fusée et lors du fonctionne- ment du moteur d'apogée Les parties terminales au moins sont coniques, avec un demi-angle au sommet inférieur à , égal par exemple à 300,-afin que l'emplacement de la sortie corresponde toujours à un point bas. Les figures 10, 11 et 12 montrent schématiquement un dispositif à deux ergolset six réservoirs qui permet d'évi- ter tout décentrement du centre de masse-par rapport à - l'axe de spin Sur le schéma de la figure 10, on voit que les volumes de stockage de chaque ergol comportent, en plus du réservoir à tension de surface 12 a ou 12 b et du réservoir bobiné i Qa ou l Ob, un réservoir bobiné supplémentaire 52 a ou 52 b, de même volume et de même forme que le premier. L'implantation des réservoirs peut être celle indiquée sur les figures 11 et 12, respectivement en élévation et en vue de dessus Les réservoirs 10 et 52 contenant un même ergol alimentent en parallèle le réservoir 12 correspondant et se vident simultanément pendant le fonctionnement du moteur d'apogée Dans un mode d'exécution représentatif d'un dis- positif de lancement de satellite existant, les réservoirs 10 et 52 peuvent avoir chacun une contenance de 130 1 et être alimentés en hélium sous une pression de 18 bars Si on utilise des réservoirs 12 a et 12 b ayant une contenance supérieure, par exemple de 160 1, il faut, pour les faire travailler en dépressurisation progressive lors du fonction- nement des tuyères 37, partir d'une pression d'hélium supé- rieure à 18 bars Ce résultat peut être atteint en utilisant deux détendeurs 28 ou un détendeur à deux niveaux, permettant, une fois les réservoirs 10 et 52 vidés, d'amener la pression dans les réservoirs 12 à 22 bars avant fermeture des vannes 18. Dans ces conditions, le centre de masse du dispositif de propulsion évolue pratiquement de la position G 1 lorsque le satellite est sur orbite de transfert avant allumage du moteur d'apogée, à la position G 2 lors de la venue à poste sur orbite géostationnaire (Figure 11). 12 - REVENDICATIONS 1 Dispositif de propulsion unifié à ergol pour satellite comportant un système de stockage d'ergol ayant au moins deux réservoirs pour l'ergol ou chaque ergol, caractérisé en ce que les réservoirs (l Oa, 12 a) contenant le même ergol sont montés en série, la contenance du réser- voir amont ( 10 a) étant inférieure à la consommation de combustible requise par le moteur d'apogée ( 14) pour l'in- jection et ce réservoir amont-étant monté de façon que l'accélération au cours de l'injection maintienne l'ergol qu'il conti'ent au contact d'une zone de la paroi munie d'une conduite ( 16 a) de sortie d'ergol v ers le réservoir placé en aval. 2 Dispositif de propulsion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir amont a une constitu- tion telle qu'il ne soit compatible qu'à court terme avec l'ergol qu'il contient. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir amont ( 10 a) comporte une paroi métallique mince frettée par un bobinage de fibres enrobées de plastique. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une cloison oblique ( 46) placée de façon que, avant toute con- sommation d'ergol, le niveau de l'ergol à la température minimale reste suffisant pour noyer le débouché d'un tube ascendant ( 48) de communication traversant la cloison. Dispositif de propulsion selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une capacité supplémentaire ( 50 a) placée en amont des réservoirs, de révolution autour d'un axe placé à 450 des deux directions perpendiculaires suivant lesquelles sont susceptibles de s'exercer les accélérations lors de la mission, présentant dans ses parties terminales au moins une forme conique avec un angle au sommet inférieur à 450. 13 - 6 Dispositif de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir aval ( 12 a) est séparé en deux volumes par une cloi- son oblique ( 42) munie d'un passage situé au point bas de la cloison et comportant un dispositif tampon à capilarité, l'emplacement de ladite cloison étant choisi pour que seul le compartiment relié à la sortie du réservoir contienne de l'ergol lorsque le satellite est à poste. 7 Dispositif de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, à au moins deux ergols, caractérisé en ce que les réservoirs ( 10 a, 10 b, 12 a, 12 b) sont placés pour ne pas modifier le centrage autour de l'axe principal du satellite au fur et à mesure de la consommation d'ergol. 8 Procédé de propulsion de satellite par alimenta- tion d'un propulseur d'apogée ( 14) et de tuyères ( 37) de maintien à poste à partir d'un système de stockage d'ergol comprenant au moins deux réservoirs ( 10 a, 12 a) pour l'ergol ou pour chaque ergol, caractérisé en ce qu'on monte en série les réservoirs ( 10 a, 12 a) contenant un ergol, en ce qu'on alimente le propulseur d'apogée ( 14) à partir des réservoirs placés en série en admettant un gaz de pressurisation dans le réservoir amont ( 10 a) à partir d'une source de gaz em- barqué ( 26, 28) et en ce qu'on alimente les tuyères ( 37) de maintien à poste à partir du seul réservoir aval après que le réservoir amont ait été vidé par fonctionnement du moteur d'apogée et après séparation définitive des réservoirs amont et aval, avantageusement à l'aide d'une vanne pyrotechnique ( 18 a). 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on alimente les réservoirs sous pression constante de gaz pendant le fonctionnement du moteur d'apogée et en ce qu'on alimente les tuyères de maintien à poste à partir du réservoir aval fonctionnant en dépressurisation progressive après vidage complet du réservoir amont.