Brevet FR3016413A1 — publié le 20150717

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des réservoirs pour fluides cryogéniques de lanceur spatial, et vise plus particulièrement un moyen de protection thermique d'un tel réservoir. ETAT DE L'ART Les lanceurs spatiaux utilisant des ergols cryogéniques présentent une problématique importante liée à la nature de ces ergols, qui disposent d'une faible durée de phase d'attente de tir. En effet, les ergols cryogéniques sont soumis à une augmentation de la température dans les réservoirs, ce qui entraine un changement de phase des ergols qui passent en phase gazeuse, provoquant ainsi une montée en pression importante dans les réservoirs pouvant atteindre des niveaux trop élevés. La solution actuelle consiste à évacuer le gaz des réservoirs afin de limiter la montée en pression. Toutefois, cela entraine une perte d'ergol qui doit donc être compensée quelques minutes avant le lancement, ce qui est contraignant en termes de préparatifs. En outre, en cas de report de tir, les pertes en ergol peuvent être très importantes, et nécessitent un re-remplissage important des réservoirs. Selon la durée du report de tir, il peut même être nécessaire de complètement vider les réservoirs puis de les remplir à nouveau préalablement au tir. Il y a donc un besoin de réservoir d'ergol cryogénique stable permettant un maintien thermique d'un ergol cryogénique sur une durée pouvant aller au-delà d'une journée. PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention propose un système de protection thermique pour un réservoir de fluide cryogénique d'engin spatial, 5 comprenant - une coque adaptée pour envelopper le réservoir de fluide cryogénique, la coque étant dimensionnée de manière à aménager un espace interne entre la coque et le réservoir, - des moyens d'injection d'un spray de fluide caloporteur dans ledit 10 espace interne, le fluide caloporteur étant à une température inférieure à celle du réservoir, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est injecté dans l'espace interne à l'état liquide de manière à intercepter le flux thermique entrant dans le réservoir de fluide cryogénique entrainant une 15 vaporisation dudit fluide caloporteur, la coque étant adaptée pour permettre au fluide caloporteur sous forme gazeuse de sortir dudit espace interne au travers de la coque. Le système présente avantageusement une ou plusieurs des 20 caractéristiques suivantes, prises indépendamment ou en combinaison : - la coque comprend une pluralité d'orifices permettant le passage du fluide caloporteur sous forme gazeuse au travers de ladite coque ; - le système comprend des moyens d'injection de gaz sec dans 25 l'espace interne ; - la coque comprend plusieurs segments articulés, adaptés de manière à sélectivement envelopper le réservoir de fluide cryogénique ou le libérer préalablement au lancement de l'engin spatial ; 30 la coque comprend une paroi interne et une paroi externe, entre lesquelles est disposé un matériau isolant thermiquement. L'invention concerne également un procédé de protection thermique d'un réservoir de fluide cryogénique d'engin spatial, dans lequel - on enveloppe le réservoir au moyen d'une coque de manière à former un espace interne entre la coque et le réservoir, - on injecte un spray de fluide caloporteur dans l'espace interne ainsi formé, le fluide caloporteur étant injecté sous forme liquide à une température inférieure à celle du réservoir, ledit fluide caloporteur étant vaporisé par échange thermique avec le réservoir - on évacue la vapeur de fluide caloporteur formée par échange 10 thermique avec le réservoir au travers de la coque. Selon un mode de réalisation particulier, préalablement à l'injection du spray de fluide caloporteur à l'état liquide dans l'espace interne, on injecte un gaz sec dans ledit espace interne de manière à éliminer 15 l'humidité dudit espace interne et éviter la formation de glace d'eau ou de gaz carbonique qui risquerait d'obturer les passages permettant à la vapeur de fluide caloporteur de passer à travers la coque. De manière optionnelle, préalablement au lancement de l'engin spatial 20 et après l'injection du fluide caloporteur dans l'espace interne, on injecte un gaz sec à température ambiante dans l'espace interne de manière à relever la température de surface du réservoir et éviter la formation de glace. 25 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : 30 - La figure 1 représente schématiquement un engin spatial muni d'un système selon un aspect de l'invention, - La figure 2 est une vue en coupe détaillée du système selon un aspect de l'invention, - La figure 3 illustre schématiquement un procédé selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente schématiquement un engin spatial muni d'un système selon un aspect de l'invention. On représente schématiquement sur cette figure un engin spatial 1, en l'occurrence un lanceur comprenant une coiffe 11, un étage de propulsion 12 et un propulseur 13. 1 5 Par étage de propulsion 12, on désigne de manière générale les étages de l'engin spatial comprenant des équipements et réservoirs cryogéniques. L'étage de propulsion 12 est ainsi représenté comme étant entouré par 20 un système 2 de protection thermique, comprenant une coque 3 adaptée pour envelopper des réservoirs de fluides cryogéniques que comprend l'étage de propulsion, et une base 4 assurant l'étanchéité au niveau du propulseur 13 et servant de support à la coque 3. La coque 3 enveloppe ainsi avantageusement l'ensemble des réservoirs 25 cryogéniques de l'engin spatial. La coque 3 est adaptée pour réaliser une fonction de protection thermique des réservoirs cryogéniques de l'engin spatial, et plus précisément pour éviter une montée en température et en pression au 30 sein des réservoirs cryogéniques de l'engin spatial lorsque les réservoirs cryogéniques contiennent un fluide cryogénique. On décrit ensuite en référence à la figure 2 un exemple de structure de la coque 3 selon un aspect de l'invention. La coque 3 telle que présentée comprend une paroi interne 31 et une paroi externe 32 entre lesquelles est disposée une cloison 33 en matériau isolant thermiquement. La paroi interne 31 et la paroi externe 32 sont par exemple réalisées en matériau métallique, tandis que la cloison 33 est par exemple composée de mousse de polyuréthanne. La coque 3 a typiquement une épaisseur de l'ordre de 10 à 20 cm. Le poids de la coque est ainsi avantageusement maintenu à une valeur la plus faible possible, afin de faciliter la mise en place et son retrait. 1 5 La coque 3 est typiquement formée de plusieurs segments articulés, de manière à pouvoir être assemblés afin d'envelopper un réservoir d'engin spatial 1, ou séparés afin de permettre le retrait de la coque 3 et ainsi libérer l'engin spatial 1, par exemple pour permettre son lancement. Lorsque la coque 3 est disposée autour de l'engin spatial 1, elle définit 20 un espace interne 21 entre la surface externe de l'engin spatial 1 et la coque 3. La coque 3 peut présenter des supports adaptés pour venir au contact de l'engin spatial 1 et assurent un espacement prédéfini entre l'engin 25 spatial 1 et la coque 3. Ces supports sont avantageusement réalisés en matériaux souples afin de ne pas détériorer les parois de l'engin spatial 1. Le système 2 comprend également des moyens d'injection d'un spray de 30 fluide caloporteur sous forme liquide dans l'espace interne 21 défini entre la coque 3 et le réservoir, par exemple sous forme d'un spray de gouttelettes ou de microgouttes. Dans le mode de réalisation représenté, ces moyens d'injection comprennent un conduit d'injection 35 relié à un réservoir de fluide caloporteur 36. Plusieurs moyens d'injection 35 et 36 sont répartis en différents points de la coque 3, de manière à avoir une distribution sensiblement homogène de spray de fluide caloporteur dans l'espace interne 21. Le fluide caloporteur est par exemple du diazote (N2), qui est compatible avec la température des ergols contenus dans les réservoirs cryogéniques d'appareils spatiaux, et intéressant en termes de prix et de disponibilité. Le système 2 comprend de plus des moyens d'injection de gaz sec dans l'espace interne 21. 1 5 Dans le mode de réalisation représenté, ces moyens d'injection de gaz sec comprennent des buses d'injection 37 alimentées par un réservoir de gaz sec 38. Plusieurs moyens d'injection de gaz sec 37, 38 peuvent être répartis en différents points de la coque 3, également de manière à permettre une diffusion sensiblement homogène de gaz sec dans 20 l'espace interne 21 entre la coque 3 et le réservoir. La coque 3 est adaptée pour permettre un passage de gaz de l'espace interne 21 vers l'extérieur en traversant la coque 3. Plusieurs modes de réalisation sont possibles pour réaliser cette fonction ; on peut 25 notamment citer l'utilisation de matériaux perméables pour la réalisation de tout ou partie de la coque 3. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, la coque 3 comprend des orifices 34 répartis en différents points de la coque 3 et permettant ainsi un échappement du gaz se trouvant dans l'espace interne 21 vers l'extérieur de la coque 3 30 en traversant la coque 3 via ces orifices 34. Les orifices 34 ont typiquement une dimension de l'ordre du millimètre. Leur multiplicité permet une bonne régulation du flux de gaz sortant, et limite l'impact de la dispersion au niveau de leur taille sur l'évacuation du gaz. La coque 3 est dimensionnée de manière à envelopper au moins les réservoirs cryogéniques de l'engin spatial 1. On décrit ensuite un exemple de fonctionnement du système 2 présenté, en référence à la figure 2 décrite précédemment et à la figure 3 qui schématise un procédé selon un aspect de l'invention. Le système 2 est positionné autour du réservoir cryogénique de l'engin spatial lors d'une étape de positionnement El. Le réservoir cryogénique a été rempli préalablement ou est en cours de remplissage, la coque 3 et les différents moyens d'injection 35, 36, 37 et 38 sont positionnés autour du réservoir. 1 5 On réalise ensuite une étape facultative E2 d'injection de gaz sec dans l'espace interne 21, via les moyens d'injection de gaz sec 37 et 38. Cette étape facultative permet d'évacuer l'humidité de l'espace interne 21 et évite ou à tout le moins réduit fortement le risque d'apparition de glace sur la paroi externe de l'engin spatial 1. Le gaz sec injecté est 20 évacué au travers de la coque 3, par exemple par les orifices 34 décrits précédemment. On réalise ensuite l'injection E3 d'un spray de fluide caloporteur sous forme liquide dans l'espace interne 21, via les moyens d'injection 35 et 25 36. Le fluide caloporteur sous forme liquide est injecté à une température inférieure à celle du réservoir cryogénique. De cette manière, le fluide caloporteur intercepte la chaleur qui parviendrait au réservoir cryogénique, et évite ainsi son réchauffement. La chaleur captée par le fluide caloporteur entraine sa vaporisation ; il passe donc 30 sous forme gazeuse, et est évacué de l'espace interne 21 au travers de la coque 3 lors d'une étape que l'on désigne par E4. Les étapes E3 et E4, bien que représentées comme étant distinctes, se produisent de manière simultanée lors du fonctionnement du système 2 de protection thermique. L'injection de fluide caloporteur dans l'espace interne 21 est en effet réalisée de manière continue afin d'assurer le maintien du réservoir à une température donnée, ce qui entraine une génération et une évacuation continue de vapeur de fluide caloporteur au travers de la coque 3. Cette évacuation de vapeur de fluide caloporteur au travers de la coque 3 est avantageusement facilitée par application d'une surpression dans l'espace interne 21 par rapport au milieu ambiant, qui permet également d'éviter que de l'air extérieur à température ambiante ne pénètre dans le volume interne 21. De plus, la vapeur de fluide caloporteur circule le long de la paroi interne 31 et de la paroi externe 32 de la coque 3, comme représenté schématiquement par des flèches sur la figure 2, ce qui permet à la fois 1 5 de limiter les échanges thermiques provenant du milieu extérieur vers l'espace interne 21, et de limiter la formation de glace sur la paroi externe 32 de la coque 3 en maintenant un flux continu de vapeur de fluide caloporteur sur la paroi externe 32. 20 Lorsque le lancement de l'engin spatial est imminent, on cesse d'injecter du fluide caloporteur, et on réalise à nouveau une injection de gaz sec E5, typiquement à température ambiante, dans l'espace interne 21, en élevant momentanément la température externe du lanceur à une température proche de la température de formation de la glace. 25 La coque 3, et plus généralement le système 2 sont ensuite retirés de l'engin spatial 1 lors d'une étape E6, avant le lancement E7 de l'engin spatial 1. 30 Le système 2 proposé présente ainsi plusieurs avantages. En premier lieu, il assure une protection thermique active, réalisant un maintien à une température souhaitée des réservoirs cryogéniques d'un engin spatial, permettant ainsi d'éviter de procéder à un dégazage voire à une vidange puis à un re-remplissage en cas de report de lancement. A titre d'exemple, pour un réservoir cryogénique de dihydrogène d'un volume de 16 mètres cube, soit des dimensions de 6m de hauteur et 2m de diamètre et présentant une isolation structurelle conventionnelle, le flux de chaleur entrant en l'absence d'un système de protection thermique tel que présenté est estimé à 8kW. Le système proposé permet de réduire le flux entrant en dessous de 400W, ce qui permet de réduire considérablement les pertes en dihydrogène, et rend la montée en pression au sein du réservoir très lente, rendant possible des temps d'attente pouvant être de plusieurs jours. A titre de comparaison, en considérant un réservoir cryogénique de dihydrogène de 7 mètres cube fermé hermétiquement, en l'absence de système de protection thermique tel que présenté, la pression au sein du réservoir est de l'ordre de 2,1 bar au bout d'une heure d'attente, correspondant à la pression de l'état monophasique. En utilisant le système tel que présenté, pour un même réservoir, la pression dans le réservoir atteint 1,6 bar après une durée de 12 heures. La consommation en fluide caloporteur est également relativement faible ; pour l'exemple présenté, le besoin en diazote est de 2 grammes par seconde. Le système 2 peut également être couplé aux moyens de remplissage des réservoirs cryogéniques, permettant ainsi de réduire les contraintes de temps imposées lors du remplissage des réservoirs cryogéniques. De plus, le système proposé prévient la formation de gel en surface de l'engin spatial 1, et est formé uniquement de composants externes à l'engin spatial 1 et ne nécessite donc pas de modifications structurelles de l'engin spatial 1. REVENDICATIONS1. Système (2) de protection thermique pour un réservoir de fluide cryogénique d'engin spatial (1), comprenant - une coque (3) adaptée pour envelopper le réservoir de fluide cryogénique, la coque (3) étant dimensionnée de manière à aménager un espace interne (21) entre la coque (3) et le réservoir, - des moyens d'injection (35, 36) d'un spray de fluide caloporteur dans ledit espace interne (21), le fluide caloporteur étant à une température inférieure à celle du réservoir, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est injecté dans l'espace interne (21) à l'état liquide de manière à capter le flux thermique dégagé par le réservoir de fluide cryogénique entrainant une vaporisation dudit fluide caloporteur, la coque (3) étant adaptée pour permettre au fluide caloporteur sous forme gazeuse de sortir dudit espace interne (21) au travers de la coque (3). 2. Système (2) selon la revendication 1, dans lequel ladite coque (3) comprend une pluralité d'orifices (34) permettant le passage du fluide 20 caloporteur sous forme gazeuse au travers de ladite coque (3). 3. Système (2) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre des moyens d'injection de gaz sec (37, 38) dans l'espace interne (21). 4. Système (2) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite coque (3) comprend plusieurs segments articulés, adaptés de manière à sélectivement envelopper le réservoir de fluide cryogénique ou le libérer préalablement au lancement de l'engin spatial (1). 5. Système (2) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite coque (3) comprend une paroi interne (31) et une paroi externe (32), entre lesquelles est disposé un matériau isolant (33) thermiquement. 25 30 6. Procédé de protection thermique d'un réservoir de fluide cryogénique d'engin spatial (1), dans lequel - on enveloppe (El) le réservoir au moyen d'une coque (3) de manière à former un espace interne (21) entre la coque (3) et le réservoir, - on injecte (E3) un spray de fluide caloporteur dans l'espace interne (21) ainsi formé, le fluide caloporteur étant injecté sous forme liquide à une température inférieure à celle du réservoir, ledit fluide caloporteur étant vaporisé par échange thermique avec le réservoir, - on évacue (E4) la vapeur de fluide caloporteur formée par échange thermique avec le réservoir au travers de la coque (3). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel préalablement à l'injection (E3) du spray de fluide caloporteur à l'état liquide dans l'espace interne (21), on injecte un gaz sec (E2) dans ledit espace interne (21) de manière à éliminer l'humidité dudit espace interne (21). 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel préalablement au lancement (E7) de l'engin spatial (1) et après l'injection (E3) du fluide caloporteur dans l'espace interne (21), on injecte un gaz sec (E5) à température ambiante dans l'espace interne (21) de manière à éliminer l'humidité dudit espace interne (21).