Brevet FR2969986A1 — publié le 20120706

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un système de propulsion d'un véhicule spatial comprenant un réservoir d'ergol à membrane. ETAT DE LA TECHNIQUE Un système de propulsion d'un véhicule spatial permet au véhicule spatial, au cours d'une mission, de changer d'orbite, de se maintenir sur une orbite souhaitée et de contrôler son attitude. Un tel système de propulsion comprend principalement un réservoir d'ergol et des propulseurs. Le réservoir est pressurisé au lancement du véhicule spatial. Les systèmes de propulsion actuels comprennent un réservoir comprenant une membrane étanche délimitant un volume supérieur et un volume inférieur. Dans ce type de système de propulsion, un gaz pressurisant sous pression est stocké dans le volume supérieur et l'ergol est stocké dans le volume inférieur. Le gaz pressurisant permet l'alimentation en ergol des propulseurs. Au cours de la mission le gaz va se détendre de 24 bars à 50°C jusqu'à 5,5 bars à 10°C, pression minimale admise pour alimenter les propulseurs. Ainsi, en début de mission, le réservoir est rempli d'un volume Vc,o d'ergol et 20 d'un volume Vg,o de gaz pressurisant. La quantité de gaz est déterminée pour qu'au cours de la mission il y ait l'égalité suivante : Vg,o/Vg,f = (Pf/Po)*To/Tf où Vg,f est le volume de gaz en fin de mission lorsque le réservoir ne contient plus d'ergol, Po est la pression dans le réservoir lorsque il est rempli à sa capacité maximale à la température To et Pf est la pression dans le réservoir à la température Tf lorsque le 25 réservoir est vide. Un problème est que le volume Vc,o maximal d'ergol est limité du fait qu'il faut que le réservoir contienne du gaz pour respecter les contraintes ci-dessus. Ainsi, la durée d'une mission est impactée par la capacité du réservoir qui est telle que Vc,o =Vgf - Vgo. 30 PRESENTATION DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est d'obtenir un système de propulsion dans lequel le réservoir d'ergol est capable de contenir un volume d'ergol supérieur au volume habituel pour un réservoir donné. Pour atteindre cet objectif, l'invention concerne, selon un premier aspect, un système de propulsion d'un véhicule spatial, comprenant : un réservoir principal destiné à contenir un volume d'ergol et un gaz pressurisant qui applique une pression sur l'ergol ; un circuit de pressurisation couplé au réservoir principal, destiné à contenir un gaz pressurisant qui applique une pression sur l'ergol ; le système de propulsion étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réservoir auxiliaire, destiné à contenir également du gaz pressurisant, disposé le long dudit circuit de pressurisation, ledit réservoir étant dimensionné pour que le volume de gaz pressurisant dans ledit système de propulsion soit tel que le volume d'ergol maximal du réservoir principal soit supérieur ou égal à 75% du volume du réservoir principal. D'autres aspects du système de propulsion selon le premier aspect de l'invention sont les suivants : le réservoir auxiliaire a une capacité de deux litres ; l'ergol est de l'hydrazine, le gaz est un gaz inerte et la pression de fonctionnement est supérieure à 5,5 bars à 10°C ; le réservoir principal comprend une membrane délimitant un volume supérieur destiné à contenir le gaz pressurisant et un volume inférieur destiné à contenir l'ergol, le gaz appliquant la pression à l'ergol par l'intermédiaire de ladite membrane ; le réservoir principal, le réservoir auxiliaire et le circuit de pressurisation sont dimensionnés pour que la pression maximale dans le réservoir principal soit de 24 bars à 50°C lorsque le réservoir contient le volume maximal d'ergol ; il comprend une vanne de remplissage/vidange du gaz disposée à l'extrémité du circuit de pressurisation ; Et, l'invention concerne également un véhicule spatial comprenant un système de propulsion selon le premier aspect de l'invention. PRESENTATION DE LA FIGURE D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard de la figure 1 qui illustre schématiquement un système de propulsion conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le système de propulsion conforme à l'invention comprend un réservoir principal 10 d'ergol contenant un ergol et un gaz pressurisant ainsi qu'un réservoir 15 auxiliaire 140 contenant également du gaz pressurisant. Le réservoir principal 10 est défini par un volume supérieur Vsup et un volume inférieur Vinf. Le gaz pressurisant est contenu dans le volume Vsup, tandis que l'ergol est contenu dans le volume inférieur Vint'. Le réservoir principal 10 est de préférence sphérique. D'autres formes peuvent 20 être envisagées en fonction du porteur, par exemple un satellite. L'ergol est de préférence de l'hydrazine N2H4 liquide utilisée comme monoergol dans le système de propulsion. Le gaz est de préférence un gaz inerte tel que de l'azote N2. Le réservoir principal 10 est relié à au moins un propulseur au moyen d'un 25 circuit d'alimentation. Quatre propulseurs 20, 21, 22, 23 sont représentés sur la figure. Le gaz permet d'appliquer une pression P sur l'ergol pour alimenter les propulseurs et améliorer leurs performances. De manière avantageuse, le réservoir principal 10 comprend une membrane 11 pour définir le volume supérieur d'une part et pour définir le volume inférieur d'autre part. La membrane peut être constituée d'un polymère qui peut se déformer. La membrane 11 est étanche et isole le gaz pressurisant de l'ergol. En outre, la membrane 11 permet de transmettre, sans perte, la pression générée par le gaz pressurisant sur l'ergol. Le gaz pressurisant est contenu dans un circuit de pressurisation 14, d'une part couplé à une entrée 10' du réservoir 10 et d'autre part fermé à son extrémité par une vanne 12 de remplissage/vidage. Le circuit de pressurisation 14 se présente, par exemple, sous la forme d'un tuyau cylindrique de diamètre typiquement égal à 1/4 de pouce. En fonctionnement, le gaz dans le circuit de pressurisation pousse l'ergol jusqu'à une sortie 10" du réservoir au moyen de la membrane 11. L'entrée 10' et la sortie 10" du réservoir sont de préférence opposées et alignées le long d'un axe de symétrie (non représenté) du réservoir 10. Les entrée 10' et sortie 10" sont circulaires et sont telles que les connexions avec le circuit de pressurisation 14 et le circuit d'alimentation des propulseurs sont étanches. Le circuit d'alimentation est constitué d'un réseau de tuyauteries le long duquel sont disposés une restriction 17, une vanne d'isolation pyrotechnique 18 et un filtre 19. La ligne 15 permet le remplissage du réservoir en ergol, et la ligne 16 est une ligne de test pour les essais d'intégration comprenant à son extrémité une vanne 28. En outre, des vannes 24, 25, 26, 27 sont disposées respectivement en amont des propulseurs 20, 21, 22, 23 pour contrôler le débit d'ergol vers chaque propulseur. Le système de propulsion est tel que le gaz pressurisant est en majorité contenu dans le réservoir auxiliaire 140 et le circuit 14 de pressurisation pour permettre de stocker dans le réservoir principal, un volume d'ergol supérieur ou égal à 75% du volume du réservoir principal 10. En effet, dans les systèmes de l'art antérieur, le volume de gaz stocké dans le circuit de pressurisation est négligeable car le gaz est majoritairement contenu dans le volume supérieur du réservoir 10. Avec la configuration du système de propulsion décrit, le volume de gaz, habituellement stocké dans le volume supérieur du réservoir, est déporté vers le circuit de pressurisation par l'intermédiaire du réservoir auxiliaire 140. De cette façon il est possible, pour un réservoir principal donné, d'augmenter la capacité de stockage de l'ergol dans le système de propulsion. Le réservoir auxiliaire 140 est par exemple sphérique mais d'autres formes peuvent être envisagées en fonction de l'espace disponible dans le porteur. En outre, le réservoir auxiliaire 140 est dimensionné pour contenir 2L de gaz pressurisant lorsque le réservoir principal est rempli au maximum d'ergol. Avec un gaz tel que de l'azote N2 et un ergol tel que de l'hydrazine, un réservoir principal 10 ayant un volume V=5,8 L peut contenir au maximum un volume d'ergol de 5,79 L ayant une pression Pc,o=24 bars et une température de 50°C (soit une masse de 5,68 kg). Pour un tel volume d'ergol il faut Vg,o=2,02 L de gaz pressurisant stocké à une pression Pg,o=24 bars et une température de 50°C dans le réservoir auxiliaire. Les systèmes de propulsion de l'art antérieur ne peuvent contenir au maximum que 4,29 L d'hydrazine à une pression de 24 bars et une température de 50°C. Le système de propulsion ci-dessus décrit est avantageusement destiné à des véhicules spatiaux tels que des satellites de télécommunication ou de mesure (par exemple Demeter, Jason-1). REVENDICATIONS1. Système de propulsion d'un véhicule spatial, comprenant : un réservoir principal (10) destiné à contenir un volume d'ergol et un gaz pressurisant qui applique une pression sur l'ergol ; un circuit (14) de pressurisation couplé au réservoir principal (10), destiné à contenir un gaz pressurisant qui applique une pression sur l'ergol ; le système de propulsion étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réservoir auxiliaire (140), destiné à contenir également du gaz pressurisant, disposé le long dudit circuit de pressurisation (14), ledit réservoir étant dimensionné pour que le volume de gaz pressurisant dans ledit système de propulsion soit tel que le volume d'ergol maximal (Vc,O) du réservoir principal soit supérieur ou égal à 75% du volume du réservoir principal (10). 2. Système de propulsion selon la revendication 1 dans lequel le réservoir auxiliaire a une capacité de deux litres. 3. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ergol est de l'hydrazine, le gaz est un gaz inerte et la pression de fonctionnement est supérieure à 5,5 bars à 10°C. 4. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes dans lequel le réservoir principal (10) comprend une membrane (11) délimitant un volume supérieur destiné à contenir le gaz pressurisant et un volume inférieur destiné à contenir l'ergol, le gaz appliquant la pression à l'ergol par l'intermédiaire de ladite membrane (11). 5. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes dans lequel le réservoir principal, le réservoir auxiliaire et le circuit de pressurisation sontdimensionnés pour que la pression maximale dans le réservoir principal soit de 24 bars à 50°C lorsque le réservoir contient le volume maximal d'ergol. 6. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes 5 comprenant une vanne de remplissage/vidange du gaz disposée à l'extrémité du circuit de pressurisation (14). 7. Véhicule spatial comprenant un système de propulsion selon l'une des revendications précédentes. Io