Brevet FR3030024A1 — publié le 20160617

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des systèmes correcteurs POGO pour conduits cryogéniques, trouvant notamment une application particulière dans le domaine des engins spatiaux. ETAT DE L'ART Dans le domaine des fusées à propergols liquides, on a donné le nom d'effet POGO à l'entrée en résonance d'un propergol liquide dans le circuit d'alimentation du moteur-fusée avec des oscillations mécaniques de la fusée. Les systèmes d'alimentation en fluide cryogéniques comprennent ainsi 15 avantageusement des moyens visant à atténuer cet effet POGO. De tels systèmes comprennent usuellement un réservoir aménagé autour d'un conduit d'alimentation en fluide cryogénique, dans lequel est formée une bulle de gaz, de sorte que le réservoir comprend un volume 20 de gaz et un volume de fluide cryogénique. La bulle de gaz permet de réaliser une modification des modes d'ensemble de la ligne d'alimentation dans le débit de fluide cryogénique, avec l'objectif d'éviter tout couplage possible avec les modes mécaniques de structure de l'étage, et d'absorber les fluctuations de pressions dans la ligne 25 principale. Ces systèmes comprennent usuellement une ligne de purge munie d'une électrovanne cryogénique, permettant ainsi de réaliser une purge du gaz présent dans le réservoir, et d'inhiber ainsi le système. 30 Or, de telles électrovannes cryogéniques sont non seulement très coûteuses, mais également très pénalisantes en termes de masse et d'intégration, ce qui rend leur usage problématique pour des applications spatiales. 3030024 2 PRESENTATION DE L'INVENTION Afin de répondre au moins partiellement à ces problématiques, la 5 présente invention propose un système d'amortissement de l'écoulement d'un fluide cryogénique dans une conduite, comprenant un réservoir disposé autour d'une portion de ladite conduite, reliée à la conduite de manière à définir une admission de fluide cryogénique dans le réservoir, le volume de fluide cryogénique admis dans le réservoir 10 étant piloté au moyen d'un volume de gaz présent dans le réservoir, le réservoir étant muni d'un conduit de purge permettant de réaliser une purge du gaz présent dans le réservoir, et d'une source d'alimentation en gaz débouchant dans le réservoir caractérisé en ce que le conduit de purge est configuré de manière à ce 15 que lorsque le débit volumique de gaz injecté par la source d'alimentation dans le réservoir est inférieur à une valeur seuil, réaliser une purge du gaz présent dans le réservoir. La ligne de purge peut comprendre une restriction calibrée de manière à 20 définir un débit volumique maximum de purge de gaz Qvpurgemax. La source d'alimentation est alors par exemple configurée pour sélectivement injecter un débit volumique de gaz dans le réservoir strictement supérieur audit débit volumique Qvpurgemax. 25 Selon un mode de réalisation particulier, le conduit de purge comprend une soupape tarée configurée de manière à être ouverte lorsque la pression en amont de la soupape tarée est inférieure à une valeur seuil de purge, et fermée lorsque la pression en amont de la soupape tarée est supérieure ou égale à une valeur seuil de purge, la source 30 d'alimentation est reliée au réservoir via une restriction d'alimentation, et la source d'alimentation est adaptée pour sélectivement appliquer une pression d'alimentation strictement supérieure à ladite valeur seuil de purge. 3030024 3 La restriction peut être munie d'un clapet anti-retour et est disposée en amont de la soupape tarée, et la source d'alimentation reliée est également reliée au conduit de purge entre la restriction et la soupape tarée. 5 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, 10 et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - Les figures 1 et 2 présentent schématiquement deux exemples de systèmes selon un aspect de l'invention, - Les figures 3 et 4 présentent schématiquement deux autres exemples de systèmes selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE Les figures 1 à 4 présentent schématiquement deux exemples de systèmes selon un aspect de l'invention. On représente schématiquement sur ces figures une conduite de fluide cryogénique 1, dans laquelle s'écoule un fluide cryogénique, selon une direction indiquée par une flèche F. Le fluide cryogénique est typiquement de d'Oxygène liquide, ou de l'Hydrogène liquide, ou tout autre fluide cryogénique. Un réservoir 2 est aménagé autour d'une portion de la conduite 1, avantageusement autour d'une portion linéaire de la conduite 1, de 3030024 4 manière à se trouver dans une section ayant un écoulement sensiblement régulier. Le réservoir 2 est typiquement un réservoir entourant tout ou partie 5 d'une portion de la conduite 1, et est relié à la conduite par des orifices d'admission 21 de manière à permettre une circulation de fluide cryogénique entre la conduite 1 et le réservoir 2. Comme représenté sur les figures, les orifices d'admission 21 sont 10 typiquement aménagés à proximité du fond du réservoir 2. Le réservoir 2 est également relié à une source d'alimentation en gaz 3, typiquement de l'Hélium. Dans le mode de réalisation représenté, le réservoir 2 est relié à la 15 source d'alimentation en gaz 3 via un clapet anti-retour 31 et une restriction 32, définissant un débit maximum de gaz pouvant être injecté dans le réservoir 2. L'alimentation en gaz est typiquement réalisée via la partie supérieure 20 du réservoir 2, par opposition aux orifices d'admission 21 qui sont représentés à proximité du fond du réservoir 2. Comme représenté sur les figures, le gaz injecté dans le réservoir 2 forme une bulle dans la partie supérieure du réservoir 2, du fait de sa 25 densité inférieure à celle du fluide cryogénique. Le fluide cryogénique a en effet une densité fortement supérieure à celle du gaz, typiquement de l'ordre de 1000 fois supérieure dans le cas de l'oxygène liquide et de l'Helium gazeux. 30 Le système comprend de plus un ou plusieurs lignes de repiquage, adaptées pour prélever du fluide cryogénique ou du gaz dans le 3030024 5 réservoir 2, et le réinjecter dans la conduite 1, de façon à réguler le volume moyen de gaz au sein du réservoir 2. Dans les exemples représentés sur les figures Figure 1 et 3, on définit 5 une ligne de repiquage 5, reliant le réservoir 2 à la conduite 1, et permettant ainsi de limiter le volume de la bulle de gaz dans le réservoir 2 en réinjectant le gaz excédentaire dans la conduite 1 via un tube de rejet 56 positionné dans la conduite 1 de manière à générer un effet d'aspiration du fait de la dépression générée dans le sillage du tube de 10 rejet 56. Dans les exemples représentés sur les figures Figure 2 et 4, on définit une première ligne de repiquage 5 et une seconde ligne optionnelle de repiquage 6, reliant chacune le réservoir 2 à la conduite 1, munies 15 d'électrovannes cryogéniques de repiquage, respectivement 51 et 61, lesdites lignes de repiquage permettant de piloter le volume de la bulle de gaz dans le réservoir 2 en réinjectant le gaz excédentaire dans la conduite 1 via un tube de rejet 56 positionné dans la conduite 1 de manière à générer un effet d'aspiration du fait de la dépression générée 20 dans le sillage du tube de rejet 56. Le pilotage des électrovannes cryogéniques de repiquage 51 et 61 permet donc de déterminer le volume de gaz et de fluide cryogénique dans le réservoir 2, et ainsi de définir des modes d'amortissement modifiant les modes propres de la conduite 1. 25 Le réservoir 2 comprend un conduit de purge 4 permettant de purger le gaz présent dans le réservoir 2. Tout comme l'alimentation en gaz, le conduit de purge 4 est disposé en partie supérieure du réservoir 2, par opposition aux orifices d'admission 30 21 qui sont représentés à proximité du fond du réservoir 2. On représente sur les figures 1 à 4 plusieurs variantes du conduit de purge 4. 3030024 6 Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le conduit de purge 4 comprend une restriction 41 définissant un débit volumique de purge maximum Qvpurgemax, établissant ainsi un débit volumique de purge constant Qvpurge pour un point de régime stabilisé. 5 Il y a donc en permanence du gaz évacué du réservoir 2, typiquement vers le milieu ambiant. Ainsi, en l'absence d'alimentation en gaz dans le réservoir 2, le gaz en présence est purgé via le conduit de purge 4. Afin d'augmenter le volume de gaz présent dans le réservoir 2, il est par 10 conséquent nécessaire d'injecter un débit volumique de gaz strictement supérieur au débit volumique de purge maximum Qvpurgemax défini par la restriction 41. Ce mode de réalisation permet donc de piloter une alimentation ou une 15 purge du gaz dans le réservoir 2 par une simple variation du débit volumique d'alimentation en gaz. On comprend bien que la présence d'une purge permanente de gaz va nécessiter une consommation de gaz d'alimentation plus importante pour le bon fonctionnement du système. 20 Une telle augmentation de consommation demeure toutefois fortement avantageuse, à la fois en terme de masse et de coût, comparativement à l'utilisation d'une électrovanne cryogénique sur le conduit de purge 4, comme dans les systèmes conventionnels. 25 Par ailleurs, les conduites de fluide cryogéniques sont vidangées entre deux impulsions, ce qui élimine la problématique liée à une consommation permanente de fluide cryogénique via le conduit de purge 4. 30 Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, le conduit de purge 4 comprend une soupape tarée 43, adaptée pour être ouverte (et donc passante) lorsque la pression en amont est inférieure à une valeur seuil de purge, typiquement définie au moyen d'un élément de 3030024 7 rappel tel qu'un ressort, et pour être fermée (et donc obturer le conduit de purge 4) lorsque la pression en amont est supérieure ou égale à ladite valeur seuil de purge. 5 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, la source d'alimentation 3 est reliée - d'une part au réservoir 2 via une restriction d'alimentation 32, et - d'autre part au conduit de purge 4, entre la restriction d'alimentation 32 et le clapet anti-retour 31.Le clapet anti-retour 10 31 et la restriction d'alimentation 32 sont donc ici nécessairement disposées de sorte que le clapet anti-retour 31 soit en amont de la restriction d'alimentation 32 ; le gaz délivré par la source d'alimentation 3 passe donc d'abord par le clapet anti-retour 31, puis par la restriction d'alimentation 32. 15 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, le conduit de purge 4 est relié au réservoir 2 en parallèle de la source d'alimentation 3, et comprend une restriction 41 définissant un débit volumique de purge constant, ainsi qu'un clapet anti-retour 42 n'autorisant un 20 passage que dans le sens d'une sortie du réservoir 2, La source d'alimentation 3 est reliée - d'une part au réservoir 2 via la restriction d'alimentation 32, et - d'autre part au conduit de purge 4, entre la soupape de purge 43 et le couple restriction 41/clapet anti retour 42. 25 En fonctionnement, la source d'alimentation 3 délivre un débit volumique de gaz dans le réservoir 2, ce débit étant calibré au moyen de la restriction d'alimentation 32. La pression fournie par la source d'alimentation 3 est de plus appliquée 30 en amont de la soupape de purge 43, de manière à l'obturer. La source d'alimentation 3 est donc adaptée pour fournir une pression supérieure à la valeur seuil de purge de la soupape tarée 43. 3030024 8 Dans l'exemple représenté sur la figure 4, le clapet anti-retour 42 assure que l'alimentation en gaz du réservoir 2 ne s'effectue que via la restriction d'alimentation 32. 5 Afin de réaliser une purge du gaz présent dans le réservoir 2, il suffit alors de stopper l'alimentation en gaz par la source d'alimentation 3. La pression en amont de la soupape tarée 43 va alors diminuer progressivement, jusqu'à être inférieure à la valeur seuil de purge, de 10 sorte que la soupape tarée 43 s'ouvre, et permet donc une sortie du gaz présent dans le réservoir 2. Le gaz est ainsi évacué du réservoir 2 - via la restriction d'alimentation 32 dans l'exemple représenté sur 1 5 la figure 3, ou - via la restriction d'alimentation 32 ainsi que via la restriction 41 et la soupape tarée 43 dans l'exemple représenté sur la figure 4. Le clapet anti-retour d'alimentation 31 assure que le gaz, puis le fluide 20 cryogénique, n'échappe pas vers la source d'alimentation 3. Dans les modes de réalisation représentés, on voit ainsi que la commande de la purge ou de l'alimentation en gaz du réservoir 2 peut être réalisée via un pilotage de l'alimentation en gaz, sans nécessiter 25 d'électrovanne cryogénique pour commander l'ouverture ou la fermeture de la ligne de purge 4. Abaisser le débit volumique d'alimentation en gaz en-dessous d'une valeur seuil de purge ou le couper permet en effet de déclencher une purge du gaz présent dans le réservoir 2. Or, la commande de 30 l'alimentation en gaz peut être réalisée au moyen d'électrovannes conventionnelles non cryogéniques, et donc peu onéreuses et peu pénalisantes en termes de masse, en particulier par rapport au coût et à 3030024 9 la masse d'une électrovanne cryogénique telle que nécessaire dans les systèmes conventionnels. REVENDICATIONS1. Système d'amortissement de l'écoulement d'un fluide cryogénique dans une conduite (1), comprenant un réservoir (2) disposé autour d'une portion de ladite conduite (1), reliée à la conduite (1) de manière à définir une admission de fluide cryogénique dans le réservoir (2), le volume de fluide cryogénique admis dans le réservoir (2) étant piloté au moyen d'un volume de gaz présent dans le réservoir (2), le réservoir (2) étant muni d'un conduit de purge (4) permettant de réaliser une purge du gaz présent dans le réservoir (2), et d'une source d'alimentation (3) en gaz débouchant dans le réservoir (2) caractérisé en ce que le conduit de purge (4) est configuré de manière à ce que lorsque le débit volumique de gaz injecté par la source d'alimentation (3) dans le réservoir (2) est inférieur à une valeur seuil, 1 5 réaliser une purge du gaz présent dans le réservoir (2). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la ligne de purge comprend une restriction (41) calibrée de manière à définir un débit volumique maximum de purge de gaz Qvpurgemax. 20 3. Système selon la revendication 2 dans lequel la source d'alimentation (3) est configurée pour sélectivement injecter un débit volumique de gaz dans le réservoir (2) strictement supérieur audit débit volumique Qvpurgemax. 25 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le conduit de purge (4) comprend une soupape tarée (43) configurée de manière à être ouverte lorsque la pression en amont de la soupape tarée (43) est inférieure à une valeur seuil de purge, et fermée lorsque 30 la pression en amont de la soupape tarée (43) est supérieure ou égale à une valeur seuil de purge, la source d'alimentation (3) est reliée au réservoir (2) via une restriction d'alimentation (32), 3030024 11 la source d'alimentation (3) est adaptée pour sélectivement appliquer une pression d'alimentation strictement supérieure à ladite valeur seuil de purge. 5 5. Système selon les revendications 2 et 4prises en combinaison, dans lequel la restriction (41) est munie d'un clapet anti-retour (42) et est disposée en amont de la soupape tarée (43), et la source d'alimentation (3) est également reliée au conduit de purge (4) entre le couple restriction (41)/clapet anti retour(42) et la soupape tarée (43). 10