Brevet FR2741321A1 — publié le 19970523

"Agencement de dispositifs d'échappement pour le dégagement de vapeurs cryogènes inflammables" L'invention se rapporte à un agencement de dis- positifs d'échappement pour le dégagement de vapeurs cryogènes inflamables dans la zone extérieure, proche de la surface, balayée par l'air, de véhicules aériens, terrestres et nautiques, en particulier d'aéronefs uti- lisant des combustibles cryogènes. Il existe un intérêt croissant à faire fonc- tionner des véhicules de types les plus divers à l'aide de combustibles cryogènes tels que par exemple l'hydro- gène liquide, le gaz naturel liquide ou le méthane liquide, cela notamment pour réduire les émissions nocives. Pour la même raison, il est également néces- saire de transporter de telles substances sur de gran- des distances dans des véhicules appropriés, ce qui fait que des véhicules peuvent être aussi bien des con- sommateurs de tels combustibles que des moyens de transport de ces combustibles ou les deux à la fois. Dans tous ces cas, des réservoirs calorifugés sont dis- posés dans ou les véhicules, et il n'est pratiquement jamais possible d'éviter une certaine entrée de chaleur permanente à l'intérieur des réservoirs. En cas d'endomagement ou de destruction du calorifugeage des réservoirs, des sollicitations thermiques supplémentai- res considérables peuvent se produire. Par ailleurs, on trouve en général dans les réservoirs des sources de chaleur nécessaires du point de vue fonctionnel, telles que par exemple des pompes ou des dispositifs de circulation. L'accroissement de pression du à l'entrée de chaleur doit être contrôlé par échappement de vapeur au plus tard lorsqu'il atteint les limites de sollici- tation de la structure des réservoirs. Une utilisation, c'est-à-dire une exploitation utile de la vapeur d'échappement riche en énergie serait certes désirable, mais n'est souvent pas réalisable, de sorte qu'il ne reste en dernier lieu que la possibilité d'un dégage- ment dans 1'atmosphère. Dans le cas d'installations de citernes sta- tionnaires, un dégagement de la vapeur d'échappement peut se faire sans risque par des cheminées de grande hauteur, auquel cas un brûlage contrôle (torchères) peut s'avérer utile, voire nécessaire. Dans le cas de véhicules rapides impliquant la prise en compte d'effets aérodynamiques, de tels dispo- sitifs de dégagement ne sont pas envisageables. Les systèmes d'aération de réservoirs tels qu'ils sont connus pour des aéronefs fonctionnant à l'aide de kérosène ne sont pas être transposables à des applications cryogènes du fait que les combustibles cryogènes en question peuvent provoquer, en raison de leurs températures extrêmement basses, des endommage- ments de matériaux (fragilisation), et, en raison de leur inflanabilité généralement élevée, des risques d'incendie avec des conséquences en partie catastro- phiques après allumage intempestif. Les systèmes connus d'aération de réservoirs de kérosène ne tiennent pas suffisament compte des exi- gences de sécurité spécifiques aux produits cryogènes (protection de structure), cela ni du point de vue de leur agencement, ni du point de vue de leur réalisa- tion. Des calculs et des essais pratiques ont révélé qu'il faut s'attendre à des jets de gaz d'échappement pouvant avoir une longueur de plus de 10 mètres pour un diamètre allant jusqu'à 3 mètres. En cas d'allumage in- tempestif, il se produit alors un jet ou dard de flamne de dimensions comparables, ayant une température de plus de 2000 C. C'est la raison pour laquelle, sur un aéronef expérimental (TU-155) volant déjà à l'aide d'hydrogène liquide, la vapeur d'échappement du combustible est dé- gagée à l'extrémité supérieure de l'empennage de direc- tion. Selon le lieu d'implantation des réservoirs (par exemple sur les voilures), il peut en résulter des con- figurations des conduites (liaisons réservoirs-dispo- sitifs de sortie) excessivement longues, lourdes et problématiques du point de vue sécurité. Compte tenu des problèmes mentionnés, le but de la présente invention est de fournir au spécialiste des règles de construction pour l'agencement de dispositifs de sortie pour le dégagement de vapeurs d'échappement cryogènes inflammables dans la zone extérieure, proche de la surface, balayée par l'air, de véhicules aériens, terrestres et nautiques, règles dont l'observation évite avec certitude un endomagement par basses tempé- ratures de la structure du véhicule, exclut dans une large mesure un allumage intempestif des vapeurs d'échappement, prévient des dommages notables m-me en cas d'allumage des vapeurs d'échappement, et autorise l'installation des dispositifs d'échappement à proxi- mité des réservoirs, permettant ainsi des conduites de liaison courtes, simples, fiables et de poids réduit. Ce but est atteint, selon l'invention, par le fait qu'au moins un dispositif d'échappement est dis- posé sur le côté supérieur d'une partie du véhicule à l'extrémité supérieure d'un pylône aérodynamique, dans une zone d'écoulement d'air libre non perturbé, et que le ou chaque dispositif d'échappement est disposé, conçu et orienté de telle manière que la vapeur d'échappement soit dégagée sous la forme d'au moins un jet dirigé, orienté par rapport à la direction de dé- placement du véhicule vers l'arrière ou vers l'arrière et vers le haut, avec ou sans composante de direction latérale, et soit ainsi maintenue éloignée des entrées d'air, jets de gaz d'échappement chaud et autres sour- ces d'inflammation, ainsi que des surfaces de parties du véhicule. La disposition "au-dessust est particulièrement importante pour des vapeurs d'hydrogène cryogènes qui ont la particularité, pour des raisons de densité, de s'élever dès qu'elles se trouvent dans l'air ambiant. Le dégagement dans une zone d'écoulement d'air non per- turbé ainsi que la conception aérodynamique du pylône empêchent des effets d'accrochage de flamme, de sorte que les vapeurs d'échappement sont éloignées rapidement et sans turbulences perturbatrices des dispositifs d'échappement, ce qui est d'une grande importance notamment en cas d'allumage intempestif. Le fait que les vapeurs d'échappement soient dégagées sous forme de jets dirigés avec une composante d'écoulement principale opposée à la direction de déplacement du véhicule, conduit également à un éloi- gnement rapide des vapeurs du véhicule. Des composantes d'écoulement latérales ou dirigées vers le haut peuvent être superposées à la composante d'écoulement principale. Dans le cas de vapeurs d'échappement cryo- genes plus lourdes que l'air et lorsque le véhicule est à l'arrêt, cela évite une descente des vapeurs d'échap- pement dans la zone du véhicule ou dans le voisinage dangereux de ce dernier. Les jets de vapeur d'échappe- ment doivent être maintenus éloignés des entrées d'air, jets de gaz d'échappement chaud et autres sources d'allumage ainsi que des surfaces de parties du véhi- cule, compte tenu du risque d'inflamation ou d'incen- die, des dommages à basses températures et de la pollu- tion de l'air à l'intérieur du véhicule. Dans le cas d'aéronefs de conception aérodyna- mique conventionnelle, c'est-à-dire avec fuselage, voi- lure portante, empennage de profondeur et empennage de direction, un dispositif d'échappement peut avantageu- sement être disposé sur le côté supérieur de empennage de direction. Toujours dans le cas d'aéronef de conception aérodynamique conventionnelle, un dispositif d'échappe- ment peut être disposé sur le côté supérieur de l'ex- trémité antérieure du fuselage et être conçu de manière que la vapeur d'échappement dégagée à cet endroit soit divisée en deux jets orientés de manière à passer de part et d'autre de l'empennage de direction. Dans le cas d'aéronefs de conception aérodyna- mique conventionnelle, avec des réservoirs extérieurs en dessous des voilures, latéralement à l'extérieur des propulseurs également disposés à cet endroit, un dispo- sitif d'échappement peut être disposé à l'extrémité aval de chaque réservoir extérieur, sur le côté supé- rieur de ce dernier, et être orienté de manière que la vapeur d'échappement dégagée par ce dispositif s'éloi- gne du jet de gaz d'échappement chauds du propulseur correspondant sous la forme d'un jet orienté latérale- ment vers l'extérieur. L'invention sera décrite plus en détail ci- après avec référence aux dessins simplifiés annexés sur lesquels: - la figure i est une vue en élévation latérale d'un aéronef avec deux réservoirs de fuselage et deux dispositifs de sortie associés; - la figure 2 est une vue en plan d'un aéronef avec quatre réservoirs disposés en partie haute sur le fuselage et carénés de façon correspondante, avec un dispositif de sortie; - la figure 3 est une vue en plan d'un aéronef avec deux réservoirs extérieurs et deux dispositifs de sortie disposés sur ces réservoirs. L'aéronef i suivant la figure i présente une conception aérodynamique conventionnelle, c'est-à-dire comprend un fuselage 16, des voilures 19 portant cha- cune un propulseur 35, ainsi qu'un empennage composé d'un empennage vertical ou de direction 2 et d'un em- pennage horizontal ou de profondeur 25. Les réservoirs 28, 29 pour du combustible cryogène sont disposés dans le fuselage 16, l'un dans la zone de l'extrémité avant et l'autre dans la zone de l'extré4mité arrière. Les conduites non référencées d'échappement de vapeur des réservoirs mènent vers le haut à travers des pylônes aérodynamiques 8, 9 vers des dispositifs de sortie 4, , situés le plus loin possible vers l'avant sur le fuselage 16 et vers le haut sur l'empennage vertical 22. Les jets de gaz d'échappement 12, 13 sortant tempo- rairement des dispositifs de sortie 4, 5, sont repré- sentés sous forme de zones centrales ou dards et de zones divergentes de mélange (avec l'air ambiant). Les deux jets de gaz d'échappement 38 des pro- pulseurs sont représentés de la même manière. La dis- tance séparant le dispositif de sortie 4 de l'empennage vertical 22 doit être nettement supérieure à la lon- gueur maximale de la zone dans laquelle des e-age- ments de structure pourraient se produire par refroi- dissement ou chauffage (en cas d'inflammation). Si cela n'est pas possible, il est recommandé de scinder le jet antérieur de gaz d'échappement, comme sur la figure 2, en deux jets partiels passant latéralement de part et d'autre de l'empennage. L'aéronef 2 suivant la figure 2 est également de structure conventionnelle, avec un fuselage 17, des voilures 20, des propulseurs 26 et un empennage 23, 26, mais comporte ici quatre réservoirs 30 à 33 disposés en partie haute sur le fuselage 17, ces réservoirs étant réunis sous la forme d'une unité aérodynamique avec le fuselage 17, grâce à des carénages appropriés. La con- duite commune d'échappement de vapeur du réservoir mène à travers le pylône 10 vers le dispositif de sortie 6 dans la zone antérieure du fuselage, la vapeur d'échap- pement étant subdivisée en deux jets 14 de même débit, orientés symétriquement latéralement vers l'arrière et, le cas échéant, vers le haut, de mani ère à passer de part et d'autre de 1'empennage 23, 26. L'aéronef 3 suivant la figure 3, comprenant un fuselage 17, des voilures 21, des propulseurs 37 et un empennage 24, 27, présente la particularité de posséder deux réservoirs extérieurs 34 pour le combustible cryo- gène, ces réservoirs extérieurs étant suspendus en des- sous des voilure 21 et étant ainsi très proches des jets chauds 39 de gaz d'échappement des propulseurs. Les réservoirs extérieurs 34 sont munis de pylônes 11 et de dispositifs de sortie 7, ces derniers permettant le dégagement à l'air libre de la vapeur d'échappement sous la forme de deux jets 15 s'éloignant latéralement vers l'extérieur des jets de gaz d'échappement 39 des propulseurs. Le jet de gaz d'échappement 40 également illus- tré sur cette figure, provenant du groupe auxiliaire de puissance, représente, comUe les jets de gaz d'échappement 39 des propulseurs principaux 37, une source possible d'infliram- mation qui est cependant contournée de façon fiable par l'agencement conforme à 1 ' invention. REVENDICATIONS 1. Agencement de dispositifs de sortie pour le dégagement de vapeurs d'échappement cryogènes infl mma- bles dans la zone extérieure, proche de la surface, balayée par l'air, de véhicules aériens, terrestres et nautiques, en particulier sur d'aéronefs utilisant des combustibles cryogènes, caractérisé par le fait qu'au moins un dispositif de sortie (4 à 7) est disposé sur le côté supérieur d'une partie du véhicule à l 'extrémité supérieure d'un pylône aérodynamique (8 à 11) dans une zone d'écoulement d'air libre, non pertur- bée, et que le ou chaque dispositif de sortie (4 à 7) est disposé, conçu et orienté de telle manière que la vapeur d'échappement soit dégagée sous la forme d'au moins un jet (12 à 15) dirigé, orienté par rapport à la direction de déplacement vers l'arrière ou vers l'arrière et vers le haut, avec ou sans composante de direction latérale, et soit ainsi maintenue éloignée des entrées d'air, jets chauds de gaz d'échappement (38 à 40) et autres sources d'inflamation, ainsi que des surfaces de parties du véhicule. 2. Agencement suivant la revendication 1, pour des aéronefs de conception aérodynamique convention- nelle, c'est-à-dire avec fuselage, voilure, empennage, caractérisé par le fait qu'un dispositif de sortie (5) est disposé sur le côté supérieur de l'em--pennage verti- cal (22). 3 Agencement suivant la revendication 1 ou 2, pour des aéronefs de conception aérodynamique conven- tionnelle, caractérisé par le fait qu'un dispositif de sortie (4, 6) est disposé sur le côté supérieur de l'extrémité antérieure du fuselage et est conçu de ma- nière que la vapeur d'échappement dégagée à cet endroit soit subdivisée en deux jets (12, 14) passant de part et d'autre à côté de l'empennage vertical (22, 23). 4. Agencement suivant l'un quelconque des re- vendications 1 à 3, pour des aéronefs de conception aé- rodynamique conventionnelle, avec des réservoirs exté- rieurs disposés en dessous des voilures, latéralement à l'extérieur des propulseurs également situés à cet en- droit, caractérisé par le fait qu'un dispositif de sor- tie (7) est disposé à l'extrémité aval de chaque réser- voir extérieur (34), sur le côté supérieur de ce der- nier, et est orienté de manière que la vapeur d'échap- pement ainsi dégagée s'éloigne du jet de gaz d'échappe- ment chauds (39) du propulseur correspondant sous la forme d'un jet (15) orienté latéralement vers l'exté- rieur.