Brevet FR2739172A1 — publié le 19970328

La présente invention concerne un procédé et un appareil d'augmentation de la densité d'un propergol liquide dans un réservoir. Les systèmes de propulsion utilisant l'oxygène et/ou l'hydrogène comme liquide cryogénique, tels que la navette spatiale, les fusées "Atlas/Centaur", les fusées "Delta", etc., sont couramment chargés à partir de réservoirs de stockage, puis le liquide peut se refroidir dans les réser- voirs de vol afin que la chaleur absorbée par le liquide du i0 fait des fuites de chaleur de l'environnement, dans les conduits de transfert et par refroidissement par les parois des réservoirs, soit rejetée. Le refroidissement de la masse du liquide est souhaitable de manière que la densité du liquide augmente si bien que le réservoir permet le stockage d'une plus grande impulsion massique, et aussi que la pression de vapeur du liquide diminue si bien que la pression de fonctionnement du réservoir et le poids du réservoir peuvent être réduits au minimum. L'évacuation de la chaleur de la masse du liquide est une opération relativement lente car elle dépend du méca- nisme de convection naturelle et de l'évaporation du liquide en surface. Le degré de refroidissement du liquide par évaporation en surface est aussi limité par la résistance de circulation dans un circuit de ventilation (conduite et soupape de ventilation) et la pression ambiante (1 bar). La réduction de la résistance de circulation dans le système de ventilation pour l'amélioration du temps de refroidissement et la réduction au minimum de la température finale de la matière nécessite l'utilisation d'une conduite et d'une soupape de ventilation de dimension relativement grande, constituant une pénalisation au point de vue du poids de la charge payante du véhicule. Bien que le dispositif actuel de densification des liquides cryogéniques par évaporation soit simple, l'opération est limitée à la densité à saturation et à la pression de vapeur du Liquide à une atmosphère. L'invention a identifié un moyen pour refroidir de façon plus importante les liquides cryogéniques au-dessous de leur température normale d'ébullition, afin de réduire le poids et la dimension du réservoir de stockage et du véhicule de propulsion. Cette innovation porte sur un ensemble de recirculation placé dans le réservoir et sur une unité de refroidissement placée au sol. Du liquide tiède est retiré de la partie supérieure du réservoir et est trans- porté à l'unité de refroidissement au sol par une conduite de transfert et un collecteur de l'ensemble de recircu- lation. Le liquide subit un refroidissement supplémentaire dans l'unité de refroidissement au sol et est renvoyé dans le réservoir à la partie inférieure, par l'utilisation d'une pompe de recirculation. Le liquide entrant ayant subi un refroidissement supplémentaire déplace la couche de liquide plus chaude placée au-dessus de lui jusqu'à ce que la totalité de la masse du liquide du réservoir ait subi ce refroidissement supplémentaire à la densité plus importante voulue et au plus faible niveau de pression de vapeur. La plus grande densité du liquide nécessite une plus petite dimension de réservoir et la plus faible pression de vapeur permet une réduction de la pression de fonctionnement du réservoir. Ces deux effets, la réduction du volume du réservoir et la réduction de la pression de fonctionnement, permettent l'utilisation d'une réalisation comprenant un réservoir plus léger et donc d'un véhicule plus léger. Le liquide plus dense très refroidi permet aussi la réduction du diamètre du circuit principal d'alimentation et des éléments des moteurs-fusées (pompes, soupapes, conduites) et contribue en outre à la réduction globale du poids de l'ensemble. Etant donné que le refroidissement supplémen- taire de la masse du liquide est réalisé par une recir- culation, le temps nécessaire à la densification de la masse du propergol peut aussi être notablement réduit, par rapport à l'opération beaucoup plus lente de transfert de chaleur par convection naturelle. La réduction du temps nécessaire à la densification du propergol liquide provoque une réduction de l'opération de chargement et une réduction du coût du lancement. Comme le collecteur de recirculation, placé à la partie supérieure du réservoir, peut aussi être utilisé comme système de ventilation pendant l'opération de refroidis- sement et de remplissage du réservoir, la soupape de ventilation qui est normalement placée sur le réservoir peut être disposée au sol. La disposition de la soupape de ventilation au sol et non sur le réservoir de vol provoque une réduction supplémentaire de poids du véhicule et une réduction du coût de fonctionnement puisque la soupape de ventilation peut être réutilisée ou facilement remplacée. L'invention a donc pour objet un refroidissement supplémentaire des propergols constitués de liquides cryogéniques dans le réservoir d'un véhicule de propulsion afin que la densité de la masse du liquide soit accrue et que sa pression de vapeur du liquide soit réduite. L'invention a aussi pour objet la réduction de la dimension et du poids des réservoirs de stockage du véhicule par utilisation d'un propergol à un état plus dense et par réduction de la pression de fonctionnement du réservoir. L'invention a aussi pour objet la réduction du poids du moteur-fusée par utilisation d'un propergol plus dense. L'invention a aussi pour objet la réduction du poids et l'augmentation de la charge payante du véhicule de propulsion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation représenté sur la figure unique qui est un schéma d'un ensemble de densification de propergol. On se réfère à la figure unique sur laquelle le réservoir 1 du véhicule est représenté sous une forme conte- nant un liquide cryogénique 25. Ce liquide 25 pénètre à l'origine dans le réservoir 1 à partir d'une canalisation principale 20 de transfert raccordée à une source qui n'est pas représentée. Lorsque la soupape 19 de remplissage et d'évacuation est ouverte, le liquide circule dans la conduite principale 17 d'alimentation et commence à refroi- dir et remplir le réservoir 1. La soupape 5 de ventilation placée au sol est ouverte pendant le chargement du réservoir 1 du véhicule parce que l'ébullition provoquée par le remplissage du réservoir tiède et le refroidissement de celui-ci provoqueraient une surpression du réservoir. Grâce à la soupape 5 de ventilation placée au sol qui est ouverte, le gaz formé dans le réservoir 1 du véhicule s'échappe par la conduite 13 de ventilation vers la conduite 14 puis est capturé à nouveau ou évacué. La suppression de la soupape de ventilation du réservoir 1 du véhicule et sa disposition au sol réduit le poids du véhicule auquel est raccordé le réservoir 1. (Une soupape de décharge d'urgence 3 est placée sur le réservoir 1 pour la décharge de pression en cours de vol en cas de panne de l'ensemble de mise en pression pendant la montée du véhicule. Cette soupape de décharge et d'urgence 3 n'est pas utilisée au sol. Elle est seulement destinée à protéger le véhicule après le décollage). Lorsque le niveau du liquide dans le réservoir 1 dépasse le collec- teur 2 de recirculation, il existe une transition de la circulation d'un gaz dans la conduite 4 de recirculation à la circulation d'un liquide. Le liquide 25 de réservoir 1 doit recouvrir le collecteur 2 de recirculation si bien que le liquide peut pénétrer dans le collecteur 2 de recircu- lation et être transporté dans la conduite 4 de recircu- lation en dehors du véhicule vers un appareil de refroidis- sement au sol. La soupape 5 de ventilation au sol est alors fermée, l'échangeur de chaleur 11 et la pompe 7 de recircu- lation sont mis en fonctionnement et le refroidissement supplémentaire du liquide commence dans l'échangeur de chaleur 11. La circulation de la conduite 4 de recirculation au réservoir 30 de l'échangeur de chaleur est divisée en deux trajets. Un premier trajet correspond à un bain liquide 26 du réservoir 30 de l'échangeur de chaleur, utilisé pour le refroidissement du liquide par évaporation dans l'échangeur de chaleur 11. Ce courant s'écoule par la soupape 6 d'isole- ment de la pompe, la soupape 8 de réglage de débit de l'échangeur de chaleur et l'orifice 9 de dosage, vers le réservoir 30 de l'échangeur de chaleur. Le compresseur 10 qui comporte un moteur 40 réduit la pression dans le réservoir d'échangeur de chaleur à une valeur supérieure d'environ 0,014 bar à la pression du point triple du fluide si bien que seuls le liquide et la phase vapeur (sans phase solide) sont présents dans le réservoir 30 de l'échangeur de chaleur. Ce niveau de faible pression dans le bain 30 de l'échangeur de chaleur réduit aussi la température du bain et la température du liquide entrant dans le réservoir 30 à cause de l'évaporation par détente du liquide à la faible pression du bain. La vapeur évacuée du réservoir 30 est ensuite évacuée par la conduite 14 vers un dispositif de capture adapté à l'environnement (non représenté) afin qu'elle recircule ou soit évacuée ou jetée le cas échéant. Un capteur 12 de niveau de liquide placé à l'intérieur du réservoir 30 est utilisé pour la régulation de la soupape 8 de réglage de débit de l'échangeur de chaleur qui dose la quantité de liquide du bain 26 afin qu'il recouvre les tubes 11 de l'échangeur de chaleur. Une variante de la circulation de fluide de refroidis- sement par rapport à la description qui précède comprend l'utilisation d'un liquide différent de celui. qui est refroidi pour l'obtention d'une plus faible température du bain dans l'échangeur de chaleur. Dans un exemple, l'utili- sation d'azote liquide bouillant à une pression inférieure à la pression atmosphérique donne une température de bain bien inférieure à celle de l'ébullition de l'oxygène liquide à la même pression. En conséquence, l'utilisation d'azote liquide pour le refroidissement d'oxygène liquide donne une plus faible température d'oxygène liquide, une plus grande densité et une plus faible pression de vapeur que si l'oxygène liquide était utilisé comme fluide de refroidisse- ment. Lorsqu'un liquide différent est utilisé, la circula- tion du fluide de refroidissement est assurée à partir du réservoir de stockage de fluide de refroidissement (non représenté) par l'intermédiaire de la soupape 8 de réglage de l'échangeur de chaleur et de l'orifice 9 de dosage de débit. Le second trajet du liquide partant de la conduite 4 de recirculation passe par l'intermédiaire de la soupape 6 d'isolement de la pompe et de la pompe 7 de recirculation vers les serpentins 11 d'échangeur de chaleur refroidis par le liquide bouillant plus froid du bain liquide 26. Le liquide refroidi quitte le réservoir 30 par la conduite 16 de retour vers la conduite principale 17 d'alimentation avant introduction à la partie inférieure du réservoir 1 de liquide. Le débit relativement élevé de recirculation du liquide 25 dans le réservoir 1, indiqué par les flèches dans le réservoir, provoque un refroidissement beaucoup plus rapide du liquide 25 que cela n'est possible actuellement. Les systèmes actuels utilisent le mouvement du liquide par convection naturelle induit par l'évaporation à la surface du liquide. En outre, comme le compresseur placé dans le réservoir 30 de l'échangeur de chaleur permet un refroidis- sement du liquide à une température inférieure à celle que donne le refroidissement par évaporation dans le réservoir 1 du véhicule, le liquide 25 peut être plus froid et donc plus dense que ne le permettent d'autres utilisations. De cette manière, le réservoir 1 du véhicule peut transporter une plus grande quantité de propergol. Les temps de charge- ment et de refroidissement sont réduits dans ce procédé de refroidissement du propergol, et représentent des économies pour la mise en oeuvre du véhicule. En outre, la fenêtre de lancement peut être élargie par conservation des réservoirs pleins et froids pendant de plus longues périodes. Lorsque le liquide du réservoir 1 se refroidit et se densifie, il faut ajouter plus de propergol dans le réser- voir 1. Une plus grande quantité de propergol doit être ajoutée pour remplacer celui qui est perdu dans le compresseur et les conduites de ventilation lorsque le même liquide est utilisé comme fluide de refroidissement. Lors de l'addition du propergol liquide plus dense et plus froid dans le circuit, le propergol de la source pénètre dans l'ensemble par la conduite principale 20 de transfert de l'installation. La soupape 19 de remplissage et de purge est fermée etla soupape au sol 18 de remplissage est ouverte si bien que le propergol peut circuler dans les serpentins 11 de l'échangeur de chaleur et être refroidi et densifié avant d'entrer dans le réservoir 1 par la conduite principale 17 d'alimentation. Une conduite éventuelle 50 de refroidissement du moteur peut être utilisée pour le refroidissement des pompes et soupapes des moteurs avant l'allumage par déviation d'une partie du courant de recirculation de manière que le matériel des moteurs soit refroidi. Des pompes embarquées de recirculation ou des systèmes de purge en dehors du véhicule sont habituellement nécessaires pour le maintien du moteur à la température des liquides cryogéniques avant le départ. La pompe de recirculation ou les circuits d'évacuation fonctionnent de nombreuses heures de manière que les élé- ments du moteur soient effectivement à la température du liquide avant l'allumage. Lors de l'utilisation de l'unité de refroidissement au sol, la pompe 7 de recirculation peut donner l'élévation de pression nécessaire à la recirculation du courant dans les éléments du moteur. La dérivation et la circulation du liquide très refroidi de la conduite 17 dans les moteurs permet l'élimination des pompes embarquées de recirculation ou de l'ensemble de purge si bien que le poids du véhicule peut encore être réduit ainsi que son coût. Pendant l'opération de refroidissement et de densifi- cation de la masse du liquide, le réservoir 1 du véhicule est mis sous pression à un niveau de mise sous pression préalable des moteurs par un gaz incondensable 22 tel que l'hélium. Le réservoir 1 du véhicule est mis sous pression afin qu'il transmette le liquide très refroidi à l'entrée 2 du collecteur de recirculation, en assurant une pression positive résultante d'aspiration de la pompe de recircu- lation et la création d'une pression positive dans le réservoir. Deux autres avantages sont obtenus par le remplissage du réservoir 1 du véhicule par le liquide 25 sous pression. L'un des avantages est qu'un volume supplé- mentaire du réservoir est disponible pour le chargement d'une plus grande masse de liquide étant donné que le volume du réservoir augmente avec la pression. L'autre avantage du remplissage du réservoir 1 sous pression pendant une à deux heures alors que le propergol liquide 25 est refroidi est qu'une plus grande quantité d'hélium de mise sous pression peut être conservée dans l'espace vide du réservoir 1 par rapport à la réalisation actuelle dans les véhicules de lancement, tels que la navette spatiale, qui sont mis sous pression pendant les deux ou trois dernières minutes. L'introduction du liquide sous pression pendant une plus longue période permet à l'hélium gazeux de se refroidir à proximité de la tempéra- ture de la masse du liquide si bien que le gaz chargé dans le même volume est plus dense. L'avantage de la présence d'une plus grande quantité d'hélium avec l'oxygène liquide est qu'il faut moins d'oxygène gazeux pour la mise sous pression du réservoir pendant la montée, si bien que la masse de gaz peut être plus faible lors de l'arrêt du moteur et une plus grande quantité de liquide peut être disponible comme propergol pour les impulsions de pression. La plus faible masse du gaz et la plus grande quantité de propergol liquide pour les impulsions permettent une augmentation de la charge payante. L'utilisation d'hélium avec l'hydrogène liquide ne donne pas une plus faible masse de gaz mais il est encore avantageux d'utiliser l'hélium car le gaz de l'espace vide est plus stable lors de la mise en fonctionnement des moteurs et dans la phase transitoire de décollage, car le gaz est saturé par l'hélium gazeux incondensable. Comme l'oxygène et l'hydrogène liquide très refroidis sont plus denses que le liquide à la température normale d'ébullition, les pompes à turbine des moteurs peuvent être plus petites et peuvent travailler à une plus faible vitesse si bien que leur durée de vie peut être accrue. En outre, la réduction de poids du véhicule peut donc être obtenue puisque la dimension des éléments élémentaires des moteurs peut être réduite du fait de l'utilisation de propergol très refroidi plus dense. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil de densification du liquide dans un réser- voir de propergol liquide d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend: un réservoir (1) placé dans le véhicule et destiné à contenir un propergol liquide, un échangeur (11, 30) de chaleur destiné à refroidir le propergol liquide, un collecteur de recirculation placé dans le réservoir (1) et destiné à retirer le propergol liquide du réservoir (1), une conduite (4) de recirculation reliant le collecteur de recirculation du réservoir (1) du véhicule à l'échangeur (11, 30) de chaleur pour le transport du propergol liquide vers l'échangeur (11, 30) de chaleur afin que le propergol soit refroidi, et une conduite (16) de retour reliant l'échangeur (11, ) de chaleur au réservoir (1) de véhicule et destinée à transporter le propergol liquide refroidi vers le réservoir (1) du véhicule et à abaisser la température du propergol dans ce réservoir (1). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (11, 30) de chaleur comprend un réservoir (30) d'échangeur de chaleur destiné à contenir un liquide de refroidissement et un serpentin (11) d'échangeur de chaleur placé dans le réservoir (30) de l'échangeur de chaleur et immergé dans le liquide de refroidissement, la conduite (4) de recirculation se divise en une première partie de transmission du propergol liquide au réservoir (30) d'échangeur de chaleur et une seconde partie de transport du propergol liquide au serpentin (11) de l'échangeur de chaleur, un compresseur (10) fixé au réservoir (30) d'échangeur de chaleur et destiné à abaisser la température et la pression de vapeur du liquide de refroidissement, si bien il que le propergol liquide est refroidi dans le serpentin (11) d'échangeur de chaleur, et la conduite (16) de retour est raccordée au serpentin (11) de l'échangeur de chaleur afin que le propergol liquide refroidi revienne vers le réservoir (1) du véhicule. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une conduite principale (50) d'alimenta- tion raccordée au réservoir (1) du véhicule et destinée à remplir, renouveler et évacuer le propergol liquide du réservoir (1) du véhicule à partir d'une réserve de propergol liquide. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une pompe (7) de recirculation est raccordée à la conduite (4) de recirculation de manière que le propergol liquide soit pompé dans l'installation. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une soupape (3) de ventilation d'urgence est fixée au réservoir (1) de propergol du véhicule pour assurer la ventilation. 6. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une soupape (5) de ventilation placée au sol est raccordée à la conduite de circulation pour la ventilation du réservoir (1) du véhicule. 7. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir (1) du véhicule comporte une partie supérieure et une partie inférieure, le collecteur de recirculation est placé près de la partie supérieure du réservoir (1) du véhicule, et la conduite (16) de retour est placée près de la partie inférieure du réservoir (1) du véhicule afin que le propergol liquide circule dans le réservoir (1) du véhicule. 8. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un capteur (12) du niveau du liquide commande une soupape de réglage de débit de l'échangeur (11, 30) de chaleur de manière que le serpentin (11) de l'échangeur de chaleur reste immergé dans le propergol liquide. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (11, 30) de chaleur comprend un réservoir (30) d'échangeur de chaleur destiné à contenir un liquide de refroidissement, un serpentin (11) d'échangeur de chaleur placé dans le réservoir (30) d'échangeur de chaleur et immergé dans un fluide de refroidissement entourant le serpentin (11) d'échangeur de chaleur, ce fluide ayant une température d'ébullition inférieure à celle du propergol liquide placé à l'intérieur du serpentin (11) d'échangeur de chaleur afin que le propergol liquide soit refroidi, et un compresseur (10) fixé au réservoir (30) d'échangeur de chaleur et destiné à abaisser la pression de vapeur et la température du liquide de refroidissement de manière que le liquide de refroidissement entourant le serpentin (11) de l'échangeur de chaleur soit refroidi, et la conduite (16) de retour est raccordée au serpentin (11) de l'échangeur de chaleur afin qu'elle renvoie le propergol liquide refroidi au réservoir (1) du véhicule. 10. Procédé de densification de liquide dans un réservoir de propergol liquide d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend: le stockage d'un propergol liquide dans un réservoir (1) d'un véhicule, la circulation du propergol liquide du réservoir (1) vers un échangeur (11, 30) de chaleur par l'intermédiaire d'une conduite (4) de recirculation, le refroidissement du propergol liquide dans l'échan- geur (11, 30) de chaleur, et la circulation du propergol liquide refroidi de l'échangeur (11, 30) de chaleur au réservoir (1) du véhicule par une conduite principale (50) d'alimentation, si bien que le propergol liquide présent dans le réservoir (1) du véhicule est refroidi. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend: l'introduction d'un bain d'un liquide de refroidis- sement dans l'échangeur (11, 30) de chaleur, la circulation du propergol liquide dans un serpentin (11) d'échangeur de chaleur immergé dans le bain de fluide de refroidissement, et la réduction de la pression de vapeur dans l'échangeur (11, 30) de chaleur à l'aide d'un compresseur (10), assurant ainsi le refroidissement par évaporation du liquide de refroidissement présent dans l'échangeur (11, 30) de chaleur. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend la ventilation du propergol liquide de la conduite (4) de recirculation. 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend le pompage du propergol liquide dans le serpentin (11) de l'échangeur de chaleur.