Brevet FR2597068A1 — publié le 19871016

"Dispositif d'approvisionnement pour approvisionner un réservoir de liquide, notamment en apesanteur. L'invention concerne un dispositif d'approvisionnement pour approvisionner un réservoir de liquide dans différentes conditions de gravité, notamment un réservoir k tension superficielle rempli de gaz.de chasse. I1 est connu que des engins spatiaux emportent dans des réservoirs des propergols liquides pour leur entrainement et leur régulation en position (éventuellement aussi pour des dispositifs de survie). Comme le volume limité des réservoirs de tels engins spatiaux ntau- torise actuellement que des durées d'utilisation de dix années seulement, il existe un besoin de réapprovisionner ces réservoirs en orbite terrestre. Â côté des propergols connus à un seul composant et comme par exemple de l'hydrazine, on utilise en règle générale pour des mises en oeuvre de longue durée, des propergols à plusieurs composants notamment à cause de leur capacité énergétique très élevée. Un inconvénient important de ces propergols k plusieurs composants est leur agressivité chimique, dde aux composants oxydants, qui ne permet pas un stockage dans des réservoirs classiques de propergol et dans lesquels des parois de séparation mobiles (par exemple des pistons ou des membranes), séparent le liquide du gaz de chasse. Pour de tels liquides, on en vient à utiliser ce que l'on appelle des réservoirs à tension superficielle, dans lesquels le gaz de chasse et le liquide sont uniquement séparés par les forces de tension superficielles très efficaces en l'absence de pesanteur, (voir DE-OS 31 46 262). Le ravitaillement de tels réservoirs à tension superficielle, ne s'effectue actuellement que sur terre, le remplissage exigeant relativement beaucoup de temps. Ceci est dt à ce que le remplissage d'un réservoir s'effectue par l'intermédiaire du dispositif de prélèvement de propergol, lequel est prévu en règle générale pour plusieurs petits processus de prélèvement. En appesanteur le problème qui se pose et qu'avec une telle méthode de ravitaillement, il n'y a pas de séparation satisfaisante possible de la phase gazeuse et de la phase liquide. Le gaz s'échappant lentement du réservoir à tension superficielle, serait fortement enrichi de particules de liquide, qui, d'une part, limitent considérablement le taux maximal de remplissage du réservoir, et, d'autre part, polluent le gaz de chasse à des valeurs inadmissibles pour raison de sécurité.Une autre possibilité théorique pour le ravitaillement en appesanteur consiste à introduire le liquide dans le réservoir à l'aide d'un dispositif de ravitaillement à pistons. Comme les utilisateurs du liquide ainsi approvisionné sont en règle générale de petits propulseurs, une pureté aussi élevée que possible du propergol est nécessaire. En conséquence, les parties constitutives mobiles mécaniquement, ne conviennent pas du fait qu'il se produit une abrasion des matériaux. En outre, des passages d'arbres, dventuellement nécessaires à travers le réservoir, ne sont pas souhaitables à cause du risque de fuite et de contamination par les matériaux de lubrification, d'étanchement et les matériaux des paliers.Les exigences intervenant dans ce contexte en ce qui concerne l'entrainement, l'énergie et la régulation, se traduisent en outre par une'complication considérable du réservoir et du dispositif d'approvisionnement. Le but de la présente invention est en conséquence de créer un dispositif de ravitaillement pour le ravitaillement sous pression uniforme de réservoirs de liquide en appesanteur, notamment pour des réservoirs à tension superficielle, ce dispositif permettant avec une fiabilité élevée, une séparation efficace du liquide et du gaz. Ce but est atteint, conformément à l'invention, en ce que ce dispositif d'approvisionnement comporte un élément d'approvisionnement refoulant le liquide avec une giration dans le réservoir et un élément de dégazage évacuant le gaz de chasse lors du remplissage, et que l'élément de dégazage est muni d'un moyen pour la séparation par la mécanique des fluides, le liquide capté par le gaz de chasse et pour ramener ce liquide dans le réservoir. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - ce dispositif d'approvisionnement est une partie constitu tive de réservoirs de liquide de différentes géomètrie, - pour obtenir l'écoulement en rotation du liquide appro visionné, l'énergie de refoulement d'une installation ex terne d'approvisionnement, est utilisée, - lors de l'approvisionnement, le liquide est introduit par une canalisation d'alimentation tangentiellement dans une buse de giration, - pour obtenir des composantes élevées de vitesses périphé riphériques du liquide alimenté dans le plan de sortie de la buse de giration, des aubes directrices sont disposées dans la couronne de la buse, - le liquide quitte la buse de giration par une couronne de buse avec des composantes élevées de vitesses périphéri ques et, aidé dans son mouvement de rotation par des tôles directrices côté réservoir, il s'applique contre la pa roi interne du réservoir, tandis que le gaz formant une colonne centrale, décrit avec son axe longitudinal, l'axe longitudinal du dispositif d'approvisionnement, - le gaz est soutiré par l'intermédiaire d'un tube d'ali mentation et d'évacuation et est amené à un canal en hé lice qui s'enroule autour d'un tambour dans le dispositif d'approvisionnement, - la paroi externe du canal en hélice est constituée par un tamis capillaire qui, lorsqu'il est imbibé de liquide, oppose au passage d'un gaz à travers lui, une résistance très élevée, tandis qu'il oppose au passage d'un liquide à travers lui, une résistance réduite, - la géométrie du canal en hélice est choisie de façon que les particules de liquide entrainées dans le gaz, soient, du fait des forces centrifuges prenant naissance, proje- tées contre la paroi externe du canal en hélice et, du fait du gradient de pression dirigé radialement vers l'ex- térieur, surmontent la résistance de passage à travers le tamis capillaire et se rassemblent entre ce tamis Ca- pillaire et l'enveloppe en tôle. l'enveloppe en tôle placée autour du tamis capillaire assure une répartition uniforme du film de liquide sor tant à travers le tamis capillaire, - le film de liquide s'écoulant par l'intervalle annulaire entre l'enveloppe en tôle et la sortie de la couronne de la buse de giration, est entraizié par 11 effet d'aspiration de la sortie de la couronne de buse de forme conique dans le voile de liquide s'écoulant dans le réservoir, - le canal en hélice est en forme de spirale, - la canalisation d'approvisionnement s'applique tangentiel lement contre le canal en hélice et débouche à la section transversale d'évacuation du canal du film liquide dans le réservoir. Le principe du dispositif de ravitaillement conforme à l'invention, est basé sur ce que l'on appelle l'effet de centrifugation, c'est-à-dire sur la séparation de deux fluides de densité différentes, en écoulements de rotation, sous l'effet de la force centrifuge. L'énergie d'entraSnement nécessaire pour la rotation de l'écoulement selon la réalisation de l'invention, évite des éléments d'entraSnement dans le réservoir de liquide. les principes de fonctionnement et les variantes de construction du dispositif d'approvisionnement, conformes à l'invention, vont être exposés à l'aide des dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 est une représentation de principe du dispositif d'approvisionnement, - la figure 2 est une variante de construction du dispositif d'approvisionnement dans un réservoir k tension superficielle en forme de sphère, - la figure 3 montre une deuxième variante de construction dans un réservoir de liquide cylindrique, - la figure 4 montre une variante du dispositif d'approvisionnement selon une forme de construction plane spiralée. Dans la première variante de réalisation (figure 2), le dispositif d'approvisionnement 17, selon la figure 1, est d'une partie constituante d'un réservoir à tension superficielle en forme de sphère, et est solidaire de l'enveloppe Il de ce réservoir. Le liquide à approvisionner pénètre par une canalisation d'approvisionnement 11, tangentiellement dans une buse de giration 2, pour en sortir avec une composante élevée de vitesse périphérique par une couronne de buse 3 munie d'aubes directrices. Des tôles directrices 12 contre la face interne du réservoir contribuent à maintenir dans le réservoir le mouvement de rotation communiqué au liquide. La composante élevé de vitesses de rotation du liquide, assure en appesanteur, en combinaison avec la force centrifuge agissante, au rassemblement de la quantité de liquide approvisionné contre la paroi interne du réservoir, tandis que le gaz forme dans le réservoir une colonne centrale, dont l'axe longitudinal coïncide avec l'axe longitudinal du dispositif d'approvisionnement 17. A partir de cette colonne de gaz, le gaz est extrait par le tube de prélèvement 4 et il est amené à un canal hélicoïdal 5 qui est constitué par la tôle hélicoidale 6. La paroi externe du canal hélicoïdal 5 est constituée d'un matériau actif capillaire, par exemple d'un tamis à mailles fines, qui, lorsqu'il est imbibé de liquide, oppose à la pénétration du gaz une résistance très élevée, tandis qu'il oppose à la pénétration du liquide, une résistance très réduite. La géomètrie du cani hélicoldal 5, est choisie de façon que les particules de liquide entrainées dans le gaz, sont projetées contre la paroi externe du canal hélicordal 5 par les forces centrimuges résultant du mouvement de rotation ainsi imposées, et du fait du gradient de pression agissant radialement vers l'extérieur, surmontent la résistance à la traversée du matériau capillaire et se rassemblent contre la face externe du tamis capillaire 7.L'enveloppe en tôle 8 placée autour de la paroi du tamis 7, assure une épaisseur uniforme et une orientation nette du film de liquide 9 s'écoulant à travers la paroi du tamis 7. Un intervalle annulaire 10 entre l'enveloppe en tôle 8 et la sortie de la couronne de buse 3 de la buse de giration 2, assure une aspiration forcée de ce film de liquide 9 grtce à l'effet de succion du voile de liquide s'éooulant en forme de cône de la sortie de la couronne de buse 3 dans le réservoir. Le gaz épuré des résidus de liquide, sort finalement du dispositif d'approvisionnement 17 pour être amené à un réservoir de stockage proprement dit. Le réservoir à tension superficielle ainsi rempli peut ensuite, comme cela est connu, être vidd par l'intermédiaire d'éléments d'extraction de propergol 19, des tubes collecteurs de propergol 20, du réservoir collecteur de propergol 21 et de la canalisation pour la sortie 15 de propergol lors du fonctionnement en refoulement. A cet effet, du gaz de chasse est amené par l'intermédiaire d'une canalisation d'alimentation 14 au dispositif d'approvisionnement 17, et introduit dans le réservoir par l'intermédiaire de la canalisation d'alimentation en gaz du tube d'évacuation 4. Une deuxième variante de réalisation qui permet une séparation spatiale plus prononcée des écoulements de gaz et de liquide, est représentée sur la figure 3. Le réservoir utilisé a un volume de stockage important, il est prévu pour des vitesses de vidange élevées et n'est pas un réservoir à tension superficielle.Dans ce cas, la partie entrée du liquide, représentée par la canalisation d'alimentation en approvisionnement 1 la buse de giration 2 et la couronne de buse 3, est combinée avec la partie de sortie du liquide (tube 15). I1 en va de mEme pour le séparateur centrifuge avec les parties constitutives représentées par la canalisation d'alimentation et d'évacuation de gaz 4, le canal hélicoïdal 5, la tôle héli cordiale 6 et le tamis capillaire 7 qui est combiné avec le tube d'évacuation de gaz 13. Le mode de fonctionnement du dispositif d'approvisionnement 17 ne modifie pas le principe, bien que l'enveloppe en tôle 8 ne soit pas utilisée. Le propergol est introduit dans le réservoir, par l'intermédiaire de la buse de giration 2 et de la couronne de buse 3. Dans le réservoir, il se produit comme cela a été précédemment évoqué, une rotation du liquide, aidée par les tôles directrices 12, autour de l'axe de la buse de giration 2, grssce à quoi, il se forme simultanément une colonne centrale de gaz. Le gaz partiellement chargé de gouttelettes de liquide s'écoule par le tube 4 dans le canal hélicoïdal 5 où, du fait des forces centrifuges mises en action, se produit la séparation des particules de liquide. Les forces centrifuges et les gradients de pression engendrés par les vitesses d'écoulement élevées dans le séparateur centrifuge, provoquent sans problème une évacuation par la paroi externe du tamis capillaire 7 des particules de liquide ainsi séparées, sans risquer un blocage du canal hélicoidal. Une troisième variante du dispositif d'approvisionnement, est représentée sur la figure 4. Le gaz à évacuer du réservoir pendant le processus d'approvisionnement, est amené par l'intermédiaire du tube d'alimentation et d'évacuation de gaz 4 k une structure de canal 23, qui est constituée d'un canal de gaz 24 enroulé en forme de spirale. Dans ce canal de gaz 24 , le gaz chargé de gouttelettes de liquide circule dans le milieu de la structure de canal 23. Les forces centrifuges prenant alors naissance font que le liquide entraîné dans le gaz, est projeté contre la paroi latérale 7, constituée d'un tamis capillaire, du canal de gaz 24 et traversent celleci. Le liquide ainsi séparé se rassemble dans le canal de liquide 25 entre le tamis capillaire 7 et la paroi externe de la structure de canal 23 ou bien la paroi interne du canal voisin. Dans le milieu de la structure de canal 23 est fixé un tube 28 en forme de tige par l'intermédiaire duquel le gaz tourbillonnant peut s' échapper du réservoir. Ce tube à double parois dans sa partie inférieure, l'enveloppe interne étant constituée d'un tamis capillaire 7. Le canal de liquide 25 constitué par l'enveloppe interne du tube en forme de tige et son enveloppe externe, est en communication avec le canal de liquide 25 dans la structure de canal 23, de sorte que l'évacuation du liquide séparé du gaz est assurée. Le sens d'évacuation peut Outre le même que le sens d'écoulement du gaz lors de l'approvionnement ou bien lui être opposé, bien qu'une Svacua- tion opposée au sens de l'écoulement du gaz , lors de l'approvisionnement, soit de préférence utilisée. Dans ce cas, le liquide ainsi séparé, sort du canal de liquide 25 par le canal d'échappement de liquide 27 qui se trouve à côté de l'admission 28 pour le liquide d'approvisionnement dans le réservoir.Le liquide s1 écoulant par cette admission dans le réservoir, assure par l'effet de succion ainsi crée, analogue à cel-ui d'un injecteur d'eau, une évacuation sûre du liquide hors du canal de liquide 25, et il est impérativement mis en rotation de la façon souhaitée dans le réservoir, par des tôles directrices. Les variantes de mise en oeuvre qui viennent d'être décrites montrent qu'avec l'aide du dispositif d'approvisionnement proposé, le mécanisme d'approvisionnement et le mécanisme de vidange en fonctionnement, sont avantageusement séparés l'un de l'autre. Indépendamment des caractéristiques de vidange, et notamment de la vitesse de vidange, l'approvisionnement d'un réservoir de liquide en appesanteur peut s'effectuer en un temps très court, sans que des perturbations extérieures, telles que par exemple des accélérations gênantes,aient une influence sur la qualité du plan de séparation des phases dans le réservoir. Notamment dans le cas ou des propergols k plusieurs composants sont mis en oeuvre, un processus d'approvisionnement sans risques est assuré, car les canalisations d'alimentation en gaz et les canalisations d'évacuation des gaz restent toujours exemptes de liquide. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'approvisionnement pour approvisionner un réservoir de liquide dans différentes conditions de gravité, notamment un réservoir à tension superficielle rempli d'un gaz de chasse, dispositif caractérisé en ce que ce dispositif d'approvisionnement (17) comporte mi élément d'approvisionnement refoulant le liquide avec une giration dans le réservoir et un élément de dégazage évacuant le gaz de chasse lors du remplissage, et que l'élément de dégazage est muni d'un moyen pour la séparation, par la mécanique des fluides, le liquide capté par le gaz de chasse et pour ramener ce liquide dans le réservoir. 2.- Dispositif d'approvisionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce dispositif d'approvisionnement (17) est une partie constitutive de réservoirs de liquide de différentes géométries. 3.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour obtenir l'écoulement en rotation du liquide approvisionné, l'énergie de refoulement d'une installation externe d'approvisionnement est utilisée. 4.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lors de l'approvisionnement, le liquide est introduit par une canalisation d'alimentation (1) tangentiellement dans une buse de giration (2). 5. Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé. en ce que, pour obtenir des composantes élevées de vitesses périphériques du liquide alimenté dans le plan de sortie de la buse de giration (2),des aubes directrices sont disposées dans la couronne (3) de la buse. 6.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liquide quitte la buse de giration (2) par une couronne de buses (3) avec des composantes élevées de vitesses périphériques et, aidé dans son mouvement de rotation par des tôles directrices (12) c8té réservoir, il s'applique contre la paroi interne du réservoir, tandis que le gaz formant une colonne centrale décrit avec sors axe longitudinal, l'axe longitudinal du dispositif d'ap- provisionnement (17). 7.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz est soutiré par l'intermédiaire d'un tube d'alimentation et d'évacuation (4) et est amené à un canal en hélice (5) qui s'enroule autour d'un tambour (6) dans le dispositif d'approvisionnement (17). 8.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 k 7, caractérisé en ce que la paroi externe du canal en hélice (5) est constituée par un tamis capillaire (7) qui, lorsqu'il est imbibé de liquide, oppose au passage d'un gaz à travers lui, une résistance très élevée, tandis qu'il oppose au passage d'un liquide à travers lui, une résistance réduite. 9.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la géomètrie du canal en hélice (5) est choisie de façon que les particules de liquide entrainées- dans le gaz, soient, du fait des forces centrifuges prenant naissance, projetées contre la paroi externe du canal en hélice (5) et, du fait du gradient de pression dirigé radialement vers l'extéri Jr, surmontent la résistance de passage à travers le tamis capillaire (7) et se rassemblent entre ce tamis capillaire (7) et 11 enveloppe en tôle (8). 10.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que l'enveloppe en tôle (8) placée autour du tamis capillaire (7) assure une répartition uniforme du film de liquide (9) sortant à travers le tamis capillaire (7). 11.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le film de liquide (9) s'écoulant par l'intervalle annulaire (10) entre l'enveloppe en tôle (8) et la sortie de la couronne (3) de la buse de giration (2) est entraîné par l'effet d'aspiration de la sortie de la couronne de buses (3) de forme conique dans le voile de liquide s'écoulant dans le réservoir. 12.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications I à 10, caractérisé en ce que le canal en hélice (5) est en forme de spirale. 13.- Dispositif d'approvisionnement selon l'une quelconque des revendications 1 k 11, caractérisé en ce que la canalisation d'approvisionnement s'applique tangentiellement contre le canal en hélice (5) et débouche à la section transversale d'évacuation (27) du canal du film liquide dans le réservoir.