Brevet FR2784737A1 — publié le 20000421

i Cette invention porte sur le remplissage d'un gaz sous pression dans un réservoir. Elle émane de certains problèmes associés aux méthodes, déjà existantes, de pompag-: du xénon, ou du kripton, dans les réservoirs de satellites. Ces gaz sont utilisés comme prpulsants dans les systèmes de propulsion électrique utilisés pour manoeuvrer les satellites en orbite avec la Terre jusqu'à leur emplacement orbital final. Les gaz sont stockés dans le satellite sous haute pression (typiquement 200 à 300 bars) à une température supérieure à leu r point critique de façon à les conserver sous forme entièrement gazeuse. Pour limiter les risques liés à la manipulation de réservoir sous pression, le remplissage de ces réservoirs se fait généralement le plus tard possible durant la phase de préparation au tir du satellite, juste avant son installation sur le lanceur. Four des raisons de sécurité, le remplissage doit se faire généralement en absence de personnel Ceci emp&he le déroulement de toute autre activité pendant la durée du remplissage, et.ar conséquen: le temps passé à remplir le réservoir, a une répercussion directe sur le temus nécessaire au programme de lancement. Il est donc nécessaire de réduire le plus possible le temps passé au remplissage du réservoir. Ceci est d'autant plus nécessaire lors de la mise en place de constellations de satellites à des intervalles de temps rapprochés. La vitesse de remplissage du réservoir est limitée par l'échauffement dO à i compression du gaz. Une température élevée, typiquement au dessus de 60 C, pourrait âtre incompatible avec les matériaux utilisés pour la construction du râservoii, et des équiptments adjacents, et limiterait la masse de gaz possible à une pression nmaximale déterminée. Il est donc nécessaire de remplir le réservoir lentement pour permettre à la chaleur de se dissiper. Cependant, la dissipation de la chaleur peut être gênée par les propriétés d'isolation thermique du matériel (typiquement carbone/alliage du type "Inconel" (marque déposée) dont le réservoir est fabriqué; et par l'isolation thermique appliquée à la surface du réservoir. La dissipation de la chaleur repose également sur le lent procédé de convection naturelle pour transférer la chaleur du gaz à la peau du réservoir. Les propositions pour raccourcir le procédé de remplissage ont compris la suppression temporaire de l'isolation du réservoir pour lui permettre de refroidir plus rapidement. Cependant, ceci peut être difficile lorsque le réservoir est incorporé dais la structure du satellite. Une autre proposition était de fournir un système de refroidisse ment utilisant des conduits pour refroidir le fluide autour de la surface externe du réservoir. (Cependant, du fait de difficultés d'accès. une fraction seulement de la surface externe du réser,,roir est accessible au système de refroidissement. De plus, l'utilisation d'un système de refridissement aurait nécessité l'ajout d'équipements non détachables sur la structure du satellite. Ces équipements seraient surabondants quand le satellite est en vol, et auraient eu un effet negatif sur le poids, la performance, et Ia fiabilité du satellite. De plus, l'efficacité du système de refroidissement serait limitée par le besoin d'éviter le refroidissement de la surface du rés42rvoir en dessous d'une température déterminée, typiquement 15 à 20 C. Si la température é ait descendue au dessous dz ce:iveau dans lintention de réaliser un refroidissement rapide d:. contenu gazeux du réservoir, un risque de condensation de l'humidité de l'air sc formant.;ur la surface du réservoir serait possible. et pourrait s'gourter sur les équ:pements élect-oniques voisins, causant ainsi des dégdits. Une autre proposition impliquait Finstallation. à l'intérieur du réservoir, d'un tuyau (serpentin) dans lequel de l'eau ou de l'azote froid passerait. Cependant, ceci augmenterait sérieusement le poids du réservoir, et présenterait des problirmes de concep ion, de coûlt et de fiabilité, du fait du besoin d'ajouter des entrées étanches dans la peau du réservoir, celles-ci pouvant être soumises à une forte pression. De telles entrées doiven être conçues et construites soigneusement, de façon à rester efficaces sur de longues pSriodes de temps, même lorsqu'ellzs sont soumises à des gradients et des chocs thermiques 'é.evés. D'après l'invention, il est proposé, dans une méthode de mise sous pression d'un fluide dans un réservoir, de contrOler la température maximale causée par la mise sous pression, en prélevant du fluide du réservoir dans l'intention de le refroidir, pour ensuite le réintroduire dans le réservoir. L'invention est équipée d'un appareil pour remplir un réservDir avec un flude sous pression, cet appareil comprenant un compresseur et un premier connecteur pour connecter la sortie du compresseur au réservoir, caractérisé par un second connecteur pour prélever du fluide du réservoir, un équipement de refroidissement pour refroidir le fluide prélevw, et des éléments pour réintroduire le fluide refroidi dans le réservoir. Il faut comprendre qu'en utilisant l'invention, il est possible le prélever de la chaleur causée par la mise sous pression d'un fluide propulsant dans un réservoir de satellite, ou autre véhicule utilisant un équipement de refroidissement, qui est entièrement situé à l'extérieur du véhicule, de façon à pouvoir être détaché une fois l'opération de remplis:age terminée, et n'affecte pas l'efficacité ou le poids du véhicule. Le fluide p.ut alors être lis sous pression par une pompe située à l'extérieur du véhicule, passer da.s le réservoir par le biais d'une connexion démontable, être prélevé du réservoir par le biais d'une connexion démontable, et être refroidi par un équipement de refroidissement situé à l'extérieur du véhicule avant d'être réintroduit dans le réservoir par le biais des connexions mentionnées ci-dessus. Il peut être avantageux de séparer les connexions d'entrée et de sortie l'une de l'autre, do préférence à des extrêmrités différentes du réservoir, de façon à ce que la circulation du flide par le biais de l'équipement de refroidissement entratne des perturbations ou des turbulences à l'intérieur du réservoir pour assurer que le fluide à l'intérieur du réservoir est à une température réellement constante. Dans un montage prioritaire en accord avec l'invention, le fluide est alime.nté par le biais de flexibles à des connexions d'entrée et de sortie du réservoir, celles-ci étant démontables. Ceci permet à un assemblage comprenant la pompe, la source de fluide e: l'équipement de refroidissement, d'être changé de place pour être proche du réservoir, por r être y connecté facilement en utilisant des connexions flexibles, et d'être démonté et e ilevé une fois le réservoir rempli Un avantage particulier des montages avec cdes flexibles, est que cela permet au réservoir (ou à la totalité du véhicule sur lequel le réservoir est monté, d'être pesé pour donner une indication de la quantité de fluide à l'intérieur de ce dernier. Une autre technique serait de peser la source du fluide, de préférence avec l'équipement de re froidissement qui contient également du fluide. Il faut se rendre compte que l'invention permet au fluide à 'intérieur du réservoir d'être refroidi sans intervenir d'aucune façon avec l'isolation thermique qui peut être installée sur la surface du réservoir étant donné que l'effet de refroidissement obtenu par l'invention ne repose pas sur la transmission à travers les parois du réservoir. De préférence le fluide prélevé du réservoir est refroidi suffisamment [jour augmenter sa densité d'une manière significative, et le montage est tel que la différence ie densité entre le fluide chaud et le fluide froid entraîne la circulation du fluide autour d'un circuit passant au travers du réservoir et de l'équipement de refroidissement. Ce montage::hermno siphon est considéré comme étant particulièrement avantageux étant donné qu'aucun élément mobile n'entre en contact avec le fluide, réduisant le risque d'introduction d'élémmnts contaminants dans le fluide. Le fluide refroidi est capté de préférence dans un tuyau ou colonne s'étendant verticalement ou ayant au moins un organe vertical de longueur. Le degré cd pression thermo siphon produit de cette façon peut être contrôlé en contrôlant la température de l'équipement de refroidissement étant donné que la densité du fluide refroidi dépendra ce sa température. Il peut être nécessaire de chauffer le fluide après qu'il soit pa.sé au fond du tuyau ou colonne de façon à ce que le fluide réintroduit dans le réservoir ne soit pas trop fr',:id pour entraiîner des risques de condensation L'action de thermo siphon décrTite ci-dessus pourrait être utilisée dans un montage o le fluide resterait dans le même état (gazeux de préférence) dans tous les éléments du circuit. Cependant, une action thermo siphon plus forte est obtenue dans un montage o le fluide change d'ur état gazeux à un état liquide quand il est refroidi Le gaz lique fié, capté dans le tuyau ou la colonne mentionné plus tôt, peut fournir une pression hydrostatique fournissant ainsi un effet de circulation plus intense que si le fluide restait dans un ét.t gazeux. Quand le gaz est liquéfié, il est revaporisé de préférence en le chauffant après qu'il ioit passé au fond du tuyau ou colonne. Il a été mentionné qu'il serait peut être préférable de chauffer le fluide après qu'il soit passé au fond du tuyau ou colonne qui fournit la pression thermno siphon ou hydrostatique. Le chauffage fournit à cette fin peut étre utilisé d'une autre façcn quand on souhaite prélever du fluide du réservoir, ceci étamnt souvent nécessaire pour des besoins de test dans le cas de réservoirs propulsants dans des satellites. Quand on permet au fluide de s'échapper du réservoir, il faut s'assurer que la température du réservoir ne tombe pas en dessous du seuil minimum déterminé, du fait du danger, mentionné précédemment, survenant de la condensation. En re circulant et chauffant du fluide, il est pDssible d'accél.rer le procédé de débit sans permettre à la température de toraber en dessous de ce seuiL Cette technique est considérée avoir de la valeur, indépendemment du système de refroidissement, et donc, selon un autre aspect de l'invention, une méthode ou un appareil est fourni pour dépressuriser le fluide dans un réservoir, caractérisé par le fait que la température minirrale causée par la depressurisalion est contrôle en chauffant du fluide libéré dlu réservoir et en re circulant le fluide chauffé dans le réservoir. Pour expliquer ces propos, l'invention va maintenant être décrite, avec l'aide d'exemple et en se référant au dessin qui illustre, sous une forme très schématique et a,,ec ses différents éléments qui ne sont pas montrés à l'échelle, une méthode de remplissage d'un réservoir propulsant dans un satellite avec du xénon sous pression. En se référant au dessin, le système illustré est conçu pour satisfaire le bes,)in de remplir un réservoir pour propulsant, monté sur un satellite, avec 290 kg de xénon à urj, pression qui ne dépasse par les 200 bars, et sans permettre à la température de s'élever au d:.ssus de 60 C. Il est également nécessaire de ne pas laisser tomber la température de la surfa ce extérieure du réservoir en dessous de 20 C de façon à éviter la condensation qui pourrait endommager le matériel du réservoir. Sur le dessin, un satellite indiqué schématiquement par la ligne en pointill I repose sur un détecteur de poids 2 fournissant un signal de débit w indiquant le poids total du satellite, incluant le poids du propulsant. Le propulsant est contenu Cans un réserve ir 3 qui est conçu pour supporter une pression de 200 bars. Le réservoir a une isolation 4 et la température de la surface extérieure du réservoir est surveillée par un détecteur de température 5 qui produit un signal de débit t,. Le réservoir a une entrée et une sortie qui sont fermées par des valves respectives de contrôle manuel 6A et 6B. Sur le dessin, le satellite 1 est montré lié à une station service mobile 7 par des flexibles SA et 8B. Ces flexibles sont liés au satellite par des connecteurs de dégagement rapides 9A et 9B. La station service mobile 7 renferme une bouteille 10 de xénon. Ceci n'est pas montré à l'échelle et en pratique sera beaucoup plus grand que le réservoir 3. La sortie de la bouteille de xénon est connectée à rl'entrée de la pompe 11 qui peut être un compresseur mécanique mais est concrétisé comme un compresseur thermique pour éviter l'introduction de polluants causée par le déplacement des éléments mécaniques. Le taux de pompage du compresseur 1 est contrôlé par un signal v, et le xénon compressé à sa sortie est passé au tlexibe 8A via un détecteur de température 12 (produisant un signal de débit t2) et un détecteur de pression 13 (produisant un signal de débit p). La station service mobile 7 comprend également un système de refroidisse ment comprenant: une chambre évacuée 14; un condenseur 15 situé dans La chambre 14 et connecté pour recevoir le xénon du flexible 8B; et les valves 16A, 16B et 16 C fonctionnint électriquement contrôlées par des signaux de contrôle respectifs vy, v3 et v,. La sortie du condernseur est biée par un tuyau vertical 15C a l'évaporateur 17 La sortie de l'évaporateur 17 est connectée par le biais de la valve 16A fonctionnant électriquement pour se joindre au ga:z chaud à la sortie de la pompe 11. Le condenseur 15 comprend un boîtier 15A et un tuyaux 15B (serpentin). L'azote de la bouteille 18 peut passer dans le serpentin via une valve 16C, qui est contr5dlée par un signal de contrôle élecruique v4. L'azote froid refroidit le xénon entrantm dans le corLdenseur de façon à ce que le xÉnon se liquéfie; et l'azote est alors évacué à 19. Les signaux w, Àl, tz et p sont appliques à un processeur 20 qui contrôle le, différents débits vl à v5 d'une alimentation d'énergie 21. Le fonctionnement du systèe illustré est indiqué ci-après. Premièrement, la station service mobile 7 est déplacée pour être proche du satellite qui est supposé être à l'étape finale de préparation avant son montage dans le véhicule de lancement. Les flexib]es 8A et 8B sont connectés en utilisant les connexions de déchargement rapides 9A et 9(3. L'alimentation d'énergie 21 est alors allurmée entraînant la pompe 1l à commencer à pomper le xénon dans le réservoir 3. Si le réservoir 3 contient de l'air au début, il faudra le vida:ger de cet air en laissant la connexion de déchargement rapide 9A déconnectée pendant un moment. Pendant l'opération de pompage, une partie du xénon est prGlevée, par le fais du flexible 88 et dc la valve 16B, et est refroidi et liqudéfié dans le condenseur 15. Le xér)n liquéfié remplit le tuyau vertical 15C et une partie du boîtier S15A du conden;eur. Ce liquid:: est évaporé dans l'6vaporateur 17, situé plus bas que le condenseur. Dans; l'évaporareur 17 se trouve un chauffage 17 A qui est équipé d'une tension variable v5. Cette tension varit!Le v.5 est contrôlée de façon à augmenter la température du xénon au dessus de son point critique. Le xénon par conséquent s'évapore mais est encore considér& comrnme étant plus froid.:ue le contenu du réservoir 3. Ce xénon refroidi passe alors dans la valve 16A à un endroit o il rejoind la sortie de la pompe 11 et est réintroduit dans le réservoir 3. Lors du fonctionnement, le fluide est circulé autour de la boucle, entre le réservoir 3, le condenseur 15 et l'évaporateur 17, par la Dression hydrostatique d- 5m de liquide approximativement dans le tuyau vertical 15C. La circulation peut être aug:'centée ou baissée en contrôlant la valve 16C et par conséquent la température et la densité du xénon liquéfié dans le tuyau 15C. Si le débit t,, qui indique la température du gaz entrant dans le réservoir. est proche de la limite maximale de 60 C, le signal v5 (qui est une tension variable) peut êtr, réduit, bien qu'il ne puisse pas être réduit à un rtiveau inférieur à celui nécessaiJ-e pour fourni- assez de chaleur à la v-aporisation du xénon. Un autre contrôle est fourni en augmentant la te:sion v4 de façon à augmenter le débit d'azote et par conséquent la densité du liquide dans a12 colonne 15C. La circulation au travers du système de refroidissement est alors augmentée. ei trainant la baisse de la température du gaz entrant dans le réservoir. Si la sortie p du détecteur de pression 13 approche les 200 bars, la tension v, est réduite de façon à réduire le taux de pompage du compresseur 11. Quand le signal w du détecteur de poids 2 indique que le poids nécessaire dc xénon a été introduit dans le réservoir, le processeur éteint l'alimentation d'énergie 21 fermant ainsi les valves 16A, 16B et 16C. Les valves à contrôle manuel 6A, 6B sont alors fermées et les flexibles SA, 8B sont débranchés en utilisant les connexions de déchargem'ent rapide 9A, 9B. Le réservoir est alors prêt à fournir du xénon à un système de propulsion du satellite par le d'une connexion (non montrée) à un tuyau entre le réservoir 3 et la valve 6(B. L'utilisation de la chambre évacuée 14 permet d'utiliser des températur's beaucoup plus basses que ce qui est nécessaire quand le réservoir doit être rempli avec dulL xénon et permet à l'équipement d'être utilisé pour remplir des réservoirs avec du krypton, qui nécessite une température inférieure pour être liquéfié. Quand un mélange de xénon et krypton est utilisé, il est nécessaire de maintenir la température à un niveau entre la tempé&ature critique du krypton et la température de point triple du xénon (161K) pour éviter que le xénon se solidifie. Le résultat de l'invention peut être obtenu sans liquéfier le fliuide. Dans ce:as, l'équipement de refroidissemrenL 15 servira à refroidir le gaz pour qu'il air une plus fore densité dans la colonne 15C que dans le reste du système. Ceci entraînera la circulation autour de la boucle par une action de thermo siphon, bien que la pression ne sera pas telle que lorsqu'il y a liquéfaction. Il Le système illustré est également de valeur lorsqu'on désire décharger le f iide sous pression du resenvoir 3 comme i[ est souvent nécessaire lors de besoin de test. Ce procédé de déchargement peut être accompli plus rapidement que ce qtui a été possible auparavant, sans permettre à la température du réservoir 3 de tomber au dessous de la limit: de 15 C à 20 C. Dans ca but, les valves 6A, 6B1 et 6C sont ouvertes partiellement, permett nt à du gaz d'être pompé, par un compresseur (non montré) par 6C à un autre réservoir de stockage; alors qu'une partie, à une température déjà froide due à l'expansion par la valve SB, est poussée à travers le condenseur 15 et le tuyau vertical 15C à l'évaporateur 17. La tension v5, dans ce mode de fonctionnement, est contrôlée de façon à augmenter la température à un niveau au dessus de celui du gaz entrant dans le condenseur, avant d'être réintroduit dans le réservoir 3 via la valve 6A. De cette façon la température du réservoir est maintenue au dessus de son niveau miminal permis. 12 2784737 Revendications 1. Une méthode de mise sous pression d'un fluide dans un réservoir (3) dans laquelle la température maximale causée par la mise sous pression est contrôlée par le prélèvement du fluide du réservoir (3), son refroidissement, et la réintroduction du fluide refroidi dans le réservoir (3). 2. Une méthode selon la revendication 1 dans laquelle le réservoir (3) est transporté par un véhicule déplaçable (1), et par le fait que le fluide est mis sous pression par une pompe (11) située à l'extérieur du véhicule (1); passe dans le réservoir (3) par le biais d'une connexion d'entrée détachable (9A); est prélevé du réservoir (3) par le biais d'une connexion de sortie détachable (9B); est refroidi par un équipement de refroidissement (15) situé à l'extérieur du véhicule (1); et est réintroduit dans le réservoir (3) par le biais de la connexion d'entrée (9A). 3. Une méthode selon la revendication 2 dans laquelle le fluide est alimenté par le biais de flexibles (8A, 8B) à la connexion d'entrée détachable (9A) et de la connexion de sortie détachable (9B). 4. Une méthode selon la revendication 3 dans laquelle une indication de la quantité de fluide dans le réservoir (3) est obtenue en percevant un changement de poids alors que le réservoir (3) est rempli. 5. Une méthode selon la revendication 3 dans laquelle une indication de la quantité de fluide dans le réservoir (3) est obtenue en percevant le changement de poids du véhicule ou d'un assemblage comprenant, une source (10) de fluide à être mis sous pression, et l'équipement de refroidissement (14). 6. Une méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le réservoir (3) est un réservoir pour propulsant situé dans un véhicule spatial (1). 7. Une méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le réservoir (3) a une isolation thermique (4). 8. Une méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le fluide est circulé de/à un équipement de refroidissement (15) par action themoo siphon. 9. Une méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le fluide est refroidi suffisamment pour se liquéfier. 10. Une méthode selon la revendication 8, ou la revendication 9 quand celle-ci dépend de la revendication 8, dans laquelle le taux de débit de fluide prélevé de, et réintroduit dans le réservoir (3) est contrôlé en réglant la température et donc la densité du fluide refroidi. 1. Une méthode selon la revendication 10 dans laquelle le fluide est chauffé avant d'être réintroduit dans le réservoir. 12. Une méthode selon la revendication 11, quand celle-ci dépend de la revendication 9, dans laquelle le fluide est chauffé suffisamment pour se vaporiser de nouveau. 13. Une méthode selon la revendication 1 1 ou 12 dans laquelle la température du fluide réintroduit dans le réservoir (3) est contrôlée en réglant l'échauffement du fluide. 14. Appareil pour remplir un réservoir avec un fluide sous pression comprenant un compresseur (11) et un premier connecteur (9A) pour connecter la sortie du compresseur au réservoir, caractérisé par un second connecteur (9B) pour prélever du fluide du réservoir, un équipement de refroidissement (15, 18) pour refroidir le fluide prélevé et des éléments (16A, 8A, 9A) pour réintroduire le fluide refroidi dans le réservoir. 15. Appareil selon la revendication 14 pour remplir un réservoir (3) transporté par un véhicule déplaçable (1) caractérisé par le fait que le premier (9A) et le second (9B) connecteurs sont démontables. 16. Appareil selon la revendication 15 dans laquelle les flexibles (8A, 8B) connectent le compresseur (11) à la connexion d'entrée démontable (9A) et connectent la connexion de sortie démontable (9B) à l'équipement de refroidissement (15). 17. Appareil selon la revendication 16 dans laquelle les éléments (2) pèsent le véhicule (1) lorsque le réservoir (3) est rempli et terminent l'opération de remplissage quand un poids déterminé ou un changement de poids est atteint. 18. Appareil selon la revendication 17 dans laquelle les éléments pèsent un assemblage (10, 14), ce dernier comprend une source (10) du gaz à être mis sous pression et l'équipement de refroidissement (14), et terminent l'opération de remplissage quand le changement de poids indique qu'une quantité déterminée de fluide a été versée dans le réservoir (3). 19. Appareil selon l'une quelconque des revendications 14 à 18 pour remplir un réservoir (3) formant un réservoir pour propulsant situé dans un véhicule spatial (1) et caractérisé par un mécanisme pour déplacer l'appareil de/à un emplacement o le véhicule (1) doit être préparé avant le lancement. 20. Appareil selon l'une quelconque des revendications 14 à 19 dans lequel une sortie de l'équipement de refroidissement (15) est connectée à un tuyau ou colonne vertical(e) (15C) dans laquelle, lors de l'utilisation, le fluide refroidi, de densité augmentée, s'accumule, fournissant une pression thermo siphon servant à faire circuler le fluide de/à l'équipement de refroidissement (15). 21. Appareil selon la revendication 20 dans lequel un chauffage (1 7A) chauffe le fluide adjacent au fond du tuyau ou colonne (15C). 22. Une méthode pour dépressuriser un fluide dans un réservoir (3) dans laquelle la température minimale causée par la dépressurisation est contrôlée en chauffant du fluide venant du réservoir et en réintroduisant le fluide chauffé dans le réservoir. 23. Appareil pour dépressuriser un fluide dans un réservoir (3) comprenant les éléments (16B, 15, 15C) prélevant une partie du fluide venant du réservoir, un chauffage (17A) pour le chauffer, et des éléments (16A, 8A, 9A, 6A) pour réintroduire le fluide chauffé dans le réservoir.