Brevet FR2780767A1 — publié le 20000107

Paroi pour réservoir cryogénique La présente invention concerne une paroi pour réservoir cryogénique structural comportant une peau externe et une peau interne enfermant une cavité contenant une structure thermiquement isolante. L'invention concerne également un réservoir cryogénique comportant une telle paroi et équipant des véhicules terrestres, maritimes ou aérospatiaux nécessitant le stockage d'ergols cryogéniques comme par exemple un lanceur spatial réutilisable. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle paroi et un procédé de diagnostic de panne susceptible d'affecter cette paroi. La réutilisation d'un lanceur spatial est un moyen prometteur pour réduire le coût des lancements. La réalisation d'un tel lanceur nécessite la résolution de problèmes technologiques comme la minimisation de la masse structurelle du lanceur et le contrôle permanent de l'intégrité de la structure des réservoirs. Il est avantageux, pour réduire la masse du lanceur, que la paroi d'un réservoir cryogénique assure simultanément les fonctions réservoir, structure et surveillance fonctionnelle. La plupart des méthodes de l'art antérieur destinées à contrôler l'intégrité fonctionnelle de la paroi d'un réservoir cryogénique ne présentent pas un caractère global dans la mesure o elles supposent que la panne surviendra à un endroit précis dans lequel est installé un capteur. Outre le fait que ces méthodes sont complexes et partielles, la réparation du réservoir impose généralement le démontage total de la structure défaillante. Le but de l'invention est de réaliser une paroi pour réservoir cryogénique dont la conception permet d'assurer une fonction structurale et une fonction de contrôle de l'intégrité fonctionnelle du réservoir. Un autre but de l'invention est de faciliter la localisation et le remplacement des parties défaillantes de la paroi afin d'éviter le remplacement complet du réservoir cryogénique. Un autre but de l'invention est d'éviter le cryo-pompage atmosphérique. Pour atteindre ces buts, selon l'invention, la cavité enfermée entre la peau externe et la peau interne de la paroi cryogénique est vide de tout gaz et comporte au moins un capteur destiné à vérifier en permanence le maintien de ce vide de manière à vérifier l'intégrité structurale desdites peaux externe et interne et l'étanchéité dudit réservoir cryogénique. Selon une caractéristique importante de l'invention, la paroi présente une structure modulaire constituée par juxtaposition de plusieurs panneaux adjacents, chacun desdits panneaux étant constitué par assemblage d'une peau externe et d'une peau interne enfermant une cavité évacuée contenant une structure thermiquement isolante et un capteur destiné à vérifier en permanence le maintien du vide dans ladite cavité évacuée de manière à contrôler l'intégrité fonctionnelle desdites peaux externe et interne et l'étanchéité du réservoir cryogénique. Avec une telle paroi, on peut localiser facilement l'origine de la défaillance et remplacer uniquement les panneaux défaillants minimisant ainsi le temps et le coût de maintenance. Préférentiellement, la structure thermiquement isolante contenue dans la cavité enfermée entre les peaux de la paroi est une structure en nid d'abeille dont les cloisons sont, soit poreuses, soit percées d'un ou de plusieurs trous. Ainsi, du fait que les cellules communiquent entre elles, lorsqu'une fuite de gaz se produit dans une cellule donnée, elle est immédiatement détectée par le capteur installé entre la paroi externe et la paroi interne du panneau défaillant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - Les figures 1 et 2 représentent schématiquement et partiellement une vue en perspective d'une paroi selon l'invention; - la figure 3 représente une vue partielle en perspective illustrant un mode préféré de réalisation de la paroi selon l'invention; la figure 4 représente une vue en coupe verticale d'une paroi selon l'invention illustrant un premier mode de fixation de deux panneaux adjacents; - la figure 5 représente une vue en coupe verticale d'une paroi selon l'invention illustrant un deuxième mode de fixation de deux panneaux adjacents; - la figure 6 représente un capotage destiné à couvrir l'espace situé entre deux panneaux adjacents d'une paroi conforme à l'invention. Les figures 1 et 2 représentent partiellement une paroi 2 pour réservoir cryogénique structural comportant une peau externe 4 et une peau interne 6 formant une structure en sandwich dans laquelle est enfermée une cavité 7 contenant une structure thermiquement isolante 8. Ladite cavité 7 est vide de tout gaz et comporte au moins un capteur 10 destiné à vérifier en permanence le maintien de ce vide de manière à contrôler l'intégrité structurale des peaux externe 4 et interne 6 de la paroi 2 et l'étanchéité du réservoir cryogénique. Selon un mode préféré de réalisation, illustré par la figure 3, la paroi 2 présente une structure modulaire constituée par juxtaposition de plusieurs panneaux adjacents 12. Comme on peut le voir sur cette figure 3, chacun desdits panneaux 12 est constitué par assemblage d'une peau externe 4 et d'une peau interne 6 enfermant une cavité évacuée 7 contenant une structure thermiquement isolante 8 et un capteur 10 destiné à vérifier en permanence le maintien du vide dans ladite cavité évacuée 7 de manière à contrôler l'intégrité desdites peaux externe 4 et interne 6 et l'étanchéité du réservoir cryogénique. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 3, la structure isolante 8 est une structure en nid d'abeille dont les cloisons 16 sont soit perméables, soit percées d'un ou de plusieurs trous 18 de manière à laisser passer le gaz d'une cellule 14 à une autre en cas de fuite. Selon un premier mode de montage de la paroi 2 illustré par la figure 4, les bords respectifs 20, 21 et 22, 23, des peaux externes 4 et des peaux internes 6 de deux panneaux adjacents 12 débordent légèrement au- dessus de leur parois latérales 25 respectives et sont reliés mécaniquement par un moyen de fixation 26 constitué d'une vis 27 et d'un écrou 28 par exemple. Dans ce mode de réalisation, les peaux externes 4 et les peaux internes 6 sont de préférence en matériau composite et les parois latérales 25 des panneaux 12 sont également en matériaux composites le coefficient de dilatation de la structure isolante 8 est voisin de celui de la peau interne 6. En outre, les efforts exercés sur la paroi 2 sont transmis de la peau externe 4 (respectivement de la peau interne 6) d'un panneau 12 vers la peau externe 4 (respectivement la peau interne 6) du panneau 12 adjacent. Selon un deuxième mode de montage illustré par la figure 5, deux panneaux adjacents 12 sont reliées mécaniquement de telle sorte que les efforts mécaniques subis par la paroi 2 sont transmis uniquement par lesdites peaux externes 4. Dans ce mode de réalisation, la peau interne 6 de chacun desdits panneaux adjacents 12 est fixée sur la peau externe 4 de ce panneau. Lesdites peaux externes 4 peuvent être soit métalliques soit en matériau composite tandis que les peaux internes 6 des panneaux 12 sont de préférence en matériaux composites. Le coefficient de dilatation de la structure isolante 8 est faible et est voisin de celui de la peau interne 6. Selon une caractéristique importante de l'invention, l'espace 30 situé entre les parois latérales 25 de deux panneaux adjacents 12 est évacué et est couvert par un premier capotage 32 et un deuxième capotage 34 en forme de croix ou de T rapportés respectivement sur les peaux externe 4 et interne 6 desdits panneaux adjacents. Ledit espace 30 contient un capteur (non représenté) destiné à y vérifier le maintien du vide. Dans le deuxième mode de réalisation illustré par la figure 5, le capotage 34 est rigidifié par une structure en sandwich. Afin de faciliter le montage/démontage des panneaux, les bords (20, 21) des peaux externes 4 de deux panneaux 12 consécutifs sont fixés alternativement sur la face inférieure 42 puis sur la face supérieure 44 de la peau externe 4 du panneau adjacent 12 de manière à créer un motif périodique. Pour fabriquer la paroi cryogénique 2 on assemble progressivement des panneaux 12 en intercalant au besoin des pièces intermédiaires de reprise d'effort et des pièces d'extrémité d'assemblage, en particulier à la sortie des tuyaux de remplissage/vidage. La géométrie desdites pièces d'extrémité d'assemblage est adaptée aux caractéristiques géométriques et mécaniques recherchées pour la paroi 2. Ces pièces assurent l'étanchéité de la cavité inter-panneaux 30. Ensuite, on recouvre toutes ces cavités inter-panneaux 30 par des capotages 32, 34 qui sont rentrés en force puis collés dans des logements 46 prévus à cet effet sur les peaux externes 4 et internes 6. Les jonctions entre les extrémités 46 des capotages (32, 34) consécutifs sont ensuite recouvertes par des capotages auxiliaires 48 permettant de les étanchéiser. Pour diagnostiquer une panne dans la paroi 2, on détecte la perte du vide dans les cavités inter-panneaux ou dans les cavités 7 enfermées entre les peaux externes 4 et les peaux internes 6 des panneaux 12. La défaillance d'un panneau 12 est détectée au moyen du capteur 10 qui est relié à une unité centrale de traitement (non représentée), en cas de fuite détectée dans un panneau 12, on change ledit panneau, tandis que si la perte de vide est constatée dans la cavité inter- panneau 30, on injecte un gaz traceur dans cette cavité inter-panneau 30, de manière à localiser précisément la fuite et à changer le capotage (32, 34) correspondant à cette fuite. REVENDICATIONS 1. Paroi (2) pour réservoir cryogénique structural comportant une peau externe (4) et une peau interne (6) enfermant une cavité (7) contenant une structure thermiquement isolante (8), caractérisée en ce que ladite cavité (7) est vide de tout gaz et comporte au moins un capteur (10) destiné à vérifier en permanence le maintien de ce vide de manière à contrôler l'intégrité structurale desdites peaux externe (4) et interne (6) et l'étanchéité dudit réservoir cryogénique. 2. Paroi (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente une structure modulaire constituée par juxtaposition de plusieurs panneaux (12) adjacents, chacun desdits panneaux (12) étant constitué par assemblage d'une peau externe (4) et d'une peau interne (6) enfermant une cavité évacuée (7) contenant une structure thermiquement isolante (8) et un capteur (10) destiné à vérifier en permanence le maintien du vide dans ladite cavité évacuée (7) de manière à contrôler l'intégrité desdites peaux externe (4) et interne (6) et l'étanchéité du réservoir cryogénique. 3. Paroi selon la revendication 2, caractérisée en ce que la structure thermiquement isolante (8) est une structure en nid d'abeille dont les cloisons sont poreuses (16) ou percées d'un ou de plusieurs trous (18). 4. Paroi selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la peau externe (4) et la peau interne (6) de deux panneaux adjacents (12) sont reliées mécaniquement de telle sorte que les efforts exercés sur la paroi (2) soient transmis de la peau externe (4) (respectivement de la peau interne (6)) d'un panneau (12) vers la peau externe (4) (respectivement la peau interne (6)) du panneau (12) adjacent. 5. Paroi selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que deux panneaux adjacents (12) sont reliées mécaniquement de telle sorte que les efforts mécaniques subis par la paroi (2) soient transmis uniquement par les peaux externes (4) tandis que la peau interne (6) de chacun desdits panneaux adjacents (12) est fixée sur la peau externe (4) de ce panneau. 6. Paroi selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que l'espace (30) situé entre les parois latérales (25) de deux panneaux adjacents (12) est évacué et est couvert par un premier capotage (32) et un deuxième capotage (34) en forme de croix ou de T rapportés respectivement sur les peaux externe (4) et interne (6) desdits panneaux adjacents (12) et en ce que ledit espace (30) contient un capteur (10) destiné à contrôler le maintien du vide dans cet espace (30). 7. Paroi selon les revendications 5 et 6, caractérisée en ce que le capotage (34) est rigidifié par une structure en sandwich. 8. Paroi selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les bords (20, 21) des peaux externes (4) (respectivement internes (6)) de deux panneaux consécutifs sont fixés alternativement sur la face inférieure (42) puis sur la face supérieure (44) de la peau externe (4) du panneau adjacent (12) de manière à créer un motif périodique. 9. Paroi selon la revendication 4, caractérisée en ce que les peaux externes (4) et les peaux internes (6) sont en matériau composite et les parois latérales (25) des panneaux (12) sont également en matériaux composites en ce que le coefficient de dilatation de la structure isolante (8) est voisin de celui de la peau interne (6). 10. Paroi selon la revendication 5, caractérisée en ce que les peaux externes (4) sont métalliques ou en matériau composite tandis que les peaux internes (6) sont en matériau composite et en ce que le coefficient de dilatation de la structure isolante (8) est voisin de celui de la peau interne (6). 11. Réservoir cryogénique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une paroi (2) selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Procédé de fabrication d'une paroi cryogénique (2) conforme à l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on assemble progressivement des panneaux (12) en utilisant au besoin des pièces intermédiaires de reprise d'effort et des pièces d'extrémité d'assemblage dont la géométrie est adaptée aux caractéristiques géométriques et mécaniques recherchées pour la paroi (2), lesdites pièces assurant l'étanchéité de la cavité inter-panneaux (30), ensuite on recouvre toutes ces cavités inter-panneaux (30) par des capotages (32, 34) qui sont rentrés en force puis collés dans des logements (46) prévus à cet effet sur les peaux externes (4) et internes (6), les jonctions entre les extrémités des capotages (32, 34) consécutifs sont ensuite recouvertes par des capotages auxiliaires (48). 13. Procédé de diagnostic de panne dans une paroi conforme à l'une des revendications 10 ou 11, 1! caractérisé en ce que l'on détecte la perte du vide dans la cavité inter-panneaux (30) ou dans la cavité (7) enfermée entre la peau externe (4) et la peau interne (6) d'un panneau (12), en cas de fuite détectée dans un panneau (12), on change ledit panneau, tandis que si la perte de vide est constatée dans la cavité inter-panneau (30), on injecte un gaz traceur dans cette cavité inter- panneau (30), de manière à localiser précisément la fuite et à changer le capotage (32, 34) correspondant à cette fuite.