Brevet FR2635499A1 — publié le 19900223

Système pour déterminer le moment o le réservoir de carburant d'un spationef est vide La présente invention concerne un système pour déter- miner le moment o le réservoir de carburant d'un spationef sur orbite ne contient plus qu'une faible quantité de carburant prédéterminée. La connaissance de la quantité de carburant subsistant à bord d'un spationef est une donnée importante pour le bon déroulement d'une mission spatiale et plus par- ticulièrement encore vers la fin de sa mission car il s'agit alors de savoir si l'on peut entreprendre des manoeuvres afin de placer le spationef sur une nouvel- le orbite, arrêtant ainsi son exploitation commercia- le. Le problème de l'évaluation de la quantité de carbu- rant à bord est certes une préoccupation courante depuis le lancement de spationefs actifs durant les deux dernières décennies et divers procédés ont été mis en oeuvre à cette fin, et cela avec généralement de bons résultats pour autant que les mesures s'effec- tuent dans un champ gravitationnel. Ces procédés s'avèrent cependant peu ou pas satisfaisants dès que règne l'apesanteur car un problème majeur dans ce cas est qu'il n'est plus possible de savoir avec suffisam- ment de précision o se trouve exactement le carburant dans les réservoirs. Les procédés les plus couramment utilisés sont basés sur les lois des gaz et consistent à effectuer des mesures de pression et de température. Le procédé donnant la meilleure précision consiste à enregistrer la quantité de carburant consommée durant une période de temps donnée et à soustraire cette quantité de la masse de carburant initiale. Ce procédé est satisfai- sant pour une courte période de temps mais il exige la connaissance de la masse de carburant initiale et si celle-ci peut être facilement déterminée dans un sys- tème de propulsion mono-ergol, cela devient plus dif- ficile dès qu'il s'agit d'un système de propulsion bi- ergol car les proportions du mélange ne sont pas connues avec précision. Un autre procédé connu, mis au point par le demandeur, consiste à mesurer la pression du gaz de pressurisa- tion et à utiliser le gaz résiduel pour repressuriser le réservoir de carburant. Ce procédé permet d'évaluer avec grande précision la quantité de carburant résidu- elle, même dans le cas d'un système de propulsion bi- ergol. Toutefois, la mesure de pression peut être effectuée à un moment quelconque durant la mission d'un spationef et il ne peut donc être garanti qu'au moment de la mesure, il subsiste encore suffisamment de carburant dans le réservoir du spationef pour pou- voir placer celui-ci sur une nouvelle orbite. On sait en effet que la mise en place d'un spationef géosta- tionnaire sur une nouvelle orbite terrestre exige une certaine quantité de carburant et de gaz de pressuri- sation pour élever l'altitude du spationef. Par exem- ple, pour élever l'altitude d'un satellite du type Olympus de 100 km la quantité d'ergol nécessaire est estimée grossièrement à 1,5 kg environ. Cette quanti- té nécessaire est trts faible comparée à la capacité des réservoirs de carburant des spationefs et si l'on veut éviter de mettre le spationef prématurément hors service afin d'exploiter le spationef avec la rentabi- lité optimale, il est essentiel de pouvoir réaliser un contrôle précis de la quantité de carburant résiduelle à la fin de la vie du spationef. L'invention apporte une solution à ce problème et a pour objet un système qui permet de déterminer le moment o la quantité de carburant résiduelle tombe à un niveau prédéterminé. Cet objectif est atteint selon l'invention grâce à un système tel que défini dans les revendications jointes à la description de l'invention. Celle-ci est exposée dans ce qui suit à l'aide des dessins ci-annexés. Dans ces dessins: - La figure 1 est un dessin schématique représentant une installation d'alimentation en carburant d'un spationef, utilisée pour la mise en oeuvre du procé- dé selon l'invention. - La figure 2 illustre schématiquement un premier mode d'exécution d'un dispositif pouvant être utili- sé dans le procédé selon l'invention. - La figure 3 représente schématiquement un autre mode d'exécution d'un dispositif pouvant être utili- sé dans le procédé selon l'invention. - La figure 4 illustre l'accumulation progressive de gaz dans le dispositif représenté dans la figure 3. - La figure 5 représente schématiquement un exemple de dispositif de détection pouvant être utilisé dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Se reportant à la figure 1, on voit représenté en 1 le réservoir de carburant d'un spationef et le chiffre 4 désigne un réservoir de carburant auxiliaire. Les chiffres 5 et 6 désignent des vannes et le chiffre 7 désigne la conduite de carburant qui alimente les mo- teurs du spationef. Le principe du procédé selon l'in- vention consiste à détecter l'apparition de bulles de gaz de pressurisation à proximité de la sortie du ré- servoir de carburant 1 et à alimenter alors les mo- teurs du spationef à partir du réservoir de carburant auxiliaire 4 qui contient une quantité de carburant suffisante pour permettre d'effectuer les manoeuvres de placement du spationef sur une nouvelle orbite. Suivant l'invention, un dispositif à tension superfi- cielle 2 est connecté à la sortie du réservoir de carburant 1 pour servir de piège pour le gaz de pres- surisation. Le dispositif à tension superficielle est constitué d'un petit réservoir 2 contenant une grill-e à mailles fines 21 (par exemple des mailles de 10 microns) qui divise le réservoir 2 en deux comparti- ments 22 et 23. Les compartiments 22 et 23 sont norma- lement emplis de carburant liquide venant du réservoir 1. La pression exercée par le gaz de pressurisation dans le compartiment 22 fait que le liquide s'écoule d'abord à travers la grille 21 et ce n'est que lors- qu'il n'y a plus de liquide en contact avec la grille 21 du côté du compartiment 22 que le gaz traverse la grille 21 et pénètre dans le compartiment 22. Un capteur 3, d'un type quelconque, est prévu pour détec- ter le moment o des bulles de gaz provenant du réser- voir de carburant 1 s'accumulent dans le compartiment 22. Le capteur 3 peut être constitué d'un dispositif quelconque propre à produire un signal électrique lorsqu'il détecte l'accumulation de gaz dans le com- partiment 22. Divers modes de réalisation sont possi- bles pour le capteur 3: mode thermique, capacitif, ultrasonore, acoustique, etc. Un mode de réalisation exemplaire typique sera décrit plus loin. Le signal électrique produit par le capteur 3 est uti- lisé pour commander l'ouverture de la vanne 6 prévue dans la conduite de sortie du réservoir auxiliaire 4. Le carburant contenu dans le réservoir auxiliaire 4 s'écoule alors vers la conduite 7 alimentant des mo- teurs du spationef. La contenance du réservoir auxi- liaire 4 étant connue, on sait qu'à partir du moment o le capteur 3 a détecté le gaz, le spationef dispose encore d'une quantité de carburant suffisante pour effectuer en toute sécurité les manoeuvres devant le placer sur une nouvelle orbite. Le dispositif à tension superficielle 2 prévu selon l'invention peut être réalisé dans divers modes d'exé- cution. La figure 2 illustre schématiquement un mode d'exécution exemplaire dans lequel le compartiment 23 constitue lui-même un réservoir de carburant auxi- liaire. Le gaz de pressurisation s'accumule dans le compartiment 22 avant de traverser la grille 21 et cette accumulation de gaz peut être détectée par un capteur 3 ou un détecteur quelconque. Au moment o le gaz se trouve détecté dans le compartiment 22, on sait que le spationef dispose encore de la quantité de carburant contenue dans le compartiment 23 ou réser- voir auxiliaire pour effectuer ses manoeuvres. La sortie du réservoir 2 alimente la conduite de carbu- rant 7 à travers un filtre usuel 24. Un autre exemple de réalisation est représenté & la figure 3. Il s'agit ici d'un dispositif fonctionnant par capillarité et qui est aménagé avec avantages dans le réservoir de carburant 1 lui-même. Dans celui-ci est formé un compartiment 23 qui communique avec le volume principal du réservoir 1 par une cloison gril- lagée 25 à mailles fines (par exemple des mailles de vingt microns). Le compartiment 23 communique égale- ment avec la sortie du réservoir 1 par un conduit 27 muni d'une grille 26 à mailles très fines (par exemple des mailles de dix microns). Grâce à la différence de capillarité des deux grilles 25 et 26, le gaz de pressurisation n'entre dans le compartiment 23 que progressivement à partir de la grille 25 lorsque le volume principal du réservoir 1 s'est vidé de carbu- rant. Les figures 4A-4D illustrent quelques étapes typiques dans le processus d'accumulation de gaz dans le compartiment 23. La figure 4A montre le comparti- ment 23 rempli de carburant liquide; La figure 4B montre une poche de gaz 20 qui s'est formée dans le compartiment 23. La figure 4C montre le compartiment 23 lorsqu'il ne contient presque plus de liquide. La figure 4D enfin montre le compartiment 23 entièrement occupé par le gaz de pressurisation. Un détecteur 3, de type quelconque, peut détecter le moment o le gaz a empli le compartiment 23. Ce mode de réalisation permet d'aménager le réservoir de carburant auxiliaire à l'intérieur même du réservoir principal 1, le réser- voir auxiliaire étant connecté au conduit 27. Ainsi qu'il a été dit plus haut, l'arrivée de bulles de gaz dans le piège à gaz à tension superficielle selon l'invention est détectée par un capteur repré- senté symboliquement en 3 dans les figures 1, 2 et 3. Ce capteur peut être. réalisé dans divers modes d'exé- cution. Un mode d'exécution exemplaire est représenté schématiquement à la figure 5. Dans cette figure, le piège à gaz est représenté dans le mode d'exécution montré dans la figure 1. Le petit réservoir 2 est séparé en deux compartiments 22 et 23 par une grille 21 à mailles fines. Dans ce mode d'exécution, le carburant est utilisé comme diélectrique d'un con- densateur et l'arrivée de bulles de gaz y est décelée grâce à la modification qu'elles produisent dans ledit diélectrique. Une électrode isolée 11 est disposée dans le compartiment 22 et forme avec la paroi 12 du réservoir un condensateur électrique dans lequel le liquide joue le rôle de diélectrique. L'électrode 11 peut être réalisée de diverses manières par l'homme de l'art et il est clair qu'elle peut avoir des formes différentes adaptées au réservoir. Dans la figure 5 elle est représentée à titre d'exemple sous la forme d'une plaque incurvée. Le condensateur formé par l'électrode 11 et la contre-électrode 12 est connecté dans le circuit d'un oscillateur 13. La valeur de la capacité de ce condensateur est une combinaison de la capacité parasite du réservoir 2, d'une capacité fixe de l'assemblage de l'électrode 11 et de la capacité entre l'électrode 11 et la paroi 12 du réservoir. Lorsque l'électrode 11 est plongée dans du liquide, la capacité du condensateur qu'elle forme avec la contre- électrode que constitue la paroi 12 a une première valeur qui détermine une première fréquence engendrée par l'oscillateur 13. Lorsque du gaz pénètre dans le compartiment 22 et atteint le niveau de l'électrode 11, la capacité du condensateur 11-12 varie par suite de la modification du diélectrique. Cet*e variation de capacité a pour conséquence de faire varier la fré- quence de l'oscillateur et cette variation est rapide et significative. Un dispositif de contrôle 14 agencé pour mesurer la fréquence de l'oscillateur 13 peut donc détecter la variation de capacité et par consé- quent le moment o le réservoir de carburant principal (connecté en amont de la vanne 5) s'est vidé de carbu- rant, et produire alors un signal de commande pour fermer la vanne 5 afin que le gaz n'atteigne pas les moteurs du spationef et pour commander l'ouverture du réservoir auxiliaire afin d'alimenter les moteurs. La précision de la détection est liée à la fréquence de l'oscillateur et la fiabilité de la détection dans le temps ne dépend que de la stabilité de l'oscilla- teur. Un oscillateur travaillant dans une bande de fréquences qui s'étend jusqu'à 100 kHz environ a donné une précision de détection satisfaisante. L'oscilla- teur 13 peut par exemple être constitué d'un simple circuit intégré à bascule de Schmitt. Le dispositif de contrale 14 peut être constitué d'un dispositif quel- conque entrant dans la compétence normale de l'homme de l'art. Bien qu'un mode de réalisation de l'invention ait été décrit brièvement dans ce qui précède afin d'illustrer les principes de l'invention, il est entendu que celle-ci n'est nullement limitée à ce mode de réalisa- tion exemplaire et que toute variation ou modification ou toute exécution équivalente doit être considérée comme comprise dans les revendications. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour déterminer le moment o le réservoir de carburant d'un spationef est vide, caractérisé par l'utilisation d'un dispositif (2) monté à la sortie du réservoir de carburant (1), ledit dispositif (2) com- prenant un piège à gaz à tension superficielle; et la détection de l'apparition de bulles de gaz à l'en- trée du dispositif (2) pour produire un signal de dé- tection, ledit signal de détection indiquant que le réservoir de carburant (1) est vide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de détection est utilisé pour commander l'ouverture d'un réservoir de carburant auxiliaire (4) pour alimenter les moteurs du spationef. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif piège à gaz est constitué d'un réservoir (2) contenant une cloison grillagée à mailles fines (21), ladite cloisonfi grilla- gée divisant le réservoir (2) en deux compartiments (22, 23), le premier compartiment (22) communiquant avec le volume intérieur du réservoir principal (1) et le second compartiment (23) communiquant avec la con- duite d'alimentation des moteurs, et en ce qu'un cap- teur (3) est monté pour détecter l'apparition de bul- les de gaz dans le premier compartiment (22). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second compartiment (23) du dispositif piège à gaz (2) constitue un réservoir de carburant auxiliaire ayant une contenance prédéterminée suffisante pour permettre d'effectuer les manoeuvres de placement du spationef sur une nouvelle orbite. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif piège à gaz consiste en un compartiment (23) formé dans le réser- voir de carburant (1), ledit compartiment (23) étant séparé du volume principal du réservoir de carburant (1) par une première cloison grillagée à mailles fines (25), le volume intérieur du compartiment (23) commu- niquant avec la sortie du réservoir (1) à travers une seconde cloison grillagée (26) à mailles fines, les mailles de la seconde cloison grillagée (26) étant plus fines que celles de la première cloison grillagée (25). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie du compartiment (23) communique (27) avec un réservoir de carburant auxiliaire aménagé dans le réservoir de carburant principal (1). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une électrode isolée (11) est disposée dans le compartiment (22) du dispo- sitif piège & gaz (2) de manière à former avec la paroi (12) du réservoir un condensateur électrique dont le diélectrique est formé par le carburant conte- nu dans ledit compartiment (22), ledit condensateur électrique étant connecté dans le circuit d'un oscil- lateur (13) de manière que l'apparition de bulles de gaz dans le compartiment (22) soit détectée par la variation de capacité électrique dudit condensateur, cette variation de capacité étant représentée par une variation de la fréquence engendrée par l'oscillateur (13). 8. Installation de distribution de carburant pour alimenter les moteurs d'un spationef, comprenant un réservoir de carburant (1), caractérisé en ce que ledit réservoir de carburant (1) comprend un comparti- ment intérieur (23) communiquant avec le volume inté- rieur principal du réservoir à travers une première grille à mailles fines (25), ledit compartiment inté- rieur (23) communiquant avec la sortie dudit réservoir (1) par l'intermédiaire d'une seconde grille à mailles fines (26), les mailles de la seconde grille (26) étant plus petites que les mailles de la première grille (25). 9. Installation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le réservoir de carburant (1) comprend inté- rieurement un réservoir de carburant auxiliaire (4) qui communique (27) avec ledit compartiment intérieur (23) d'une part et avec la sortie du réservoir de car- burant (1) d'autre part. 10. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 8 et 9, caractérisée en ce qu'un dispositif (3) est prévu à l'extérieur du réservoir (1) pour détecter la présence de gaz dans ledit compartiment intérieur (23) et produire un signal de détection indiquant que le réservoir de carburant (1) est presque vide.