Brevet FR3042268A1 — publié le 20170414

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des capteurs de niveau de fluide dans un réservoir, et trouve une application particulière dans le 5 domaine des engins spatiaux pour la mesure de niveau dans des réservoirs d'ergols. ETAT DE L'ART 10 La détermination du niveau d'ergols dans les réservoirs d'un lanceur est réalisée selon les objectifs dudit lanceur par un capteur couvrant la hauteur du réservoir ou segmenté, depuis la mise en oeuvre d'un lanceur jusqu'à l'exploitation de son vol. 15 Une telle détermination est nécessaire afin de garantir un niveau donné d'ergol dans les réservoirs lors du remplissage ou de la vidange des réservoirs au sol, et de détecter en fin de vol un niveau de vidange des réservoirs. 20 Les sondes de niveau permettant de réaliser de telles mesures peuvent également servir afin d'évaluer le débit de vidange des réservoirs lors de l'exploitation. De plus, elles sont indispensables afin d'assurer une gestion active des ergols, notamment afin d'adapter les paramètres de vol en fonction des niveaux dans les réservoirs. Par gestion active des 25 ergols, on entend une fonction permettant d'identifier la quantité courante des ergols, et permettant d'en définir les corrections nécessaires au fonctionnement du lanceur pour obtenir une consommation souhaitée. 30 Les mesures de niveaux dans les réservoirs lors du vol d'un lanceur sont cependant perturbées par plusieurs phénomènes qui peuvent entraver leur précision, notamment les ballottements dans les réservoirs, les contractions et dilatations thermiques des réservoirs et des jauges, les 3042268 2 erreurs de placement des jauges, ou encore l'inclinaison de la surface libre des ergols due à la trajectoire du lanceur et à son accélération. Par ailleurs, les mesures de niveau sont utilisées pour connaitre les masses résiduelles d'ergol dans les réservoirs. La reconstitution de ces masses est perturbée par les conditions thermodynamiques de l'ergol (masse volumique) et par le volume occupé par cet ergol résiduel. En l'état actuel, le moyen usuel mis en oeuvre pour s'affranchir de l'attitude de l'engin spatial sur la surface libre est la prise en compte d'une marge forfaitaire censée couvrir le cas pire de l'orientation du vecteur accélération du lanceur. La reconstitution de la masse résiduelle d'ergol dans le réservoir est alors biaisée. La présente invention vise à remédier au moins partiellement à ces problématiques, en utilisant l'inclinaison de la surface libre de l'ergol dans les réservoirs. PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention propose un système de mesure du niveau de fluide dans un réservoir d'engin spatial, ledit réservoir s'étendant selon un axe vertical, ledit réservoir, caractérisé en ce que ledit système de mesure comprend un calculateur, un système de détermination du vecteur accélération dudit réservoir, et une ou plusieurs sondes de niveau identiques, disposées régulièrement sur les parois internes du réservoir, à une même hauteur mesurée selon l'axe vertical, le calculateur étant configuré de manière à déterminer le niveau de fluide dans le réservoir au moyen de l'accélération à laquelle est soumis le réservoir mesurée par le système de détermination du vecteur accélération, et par la mesure de niveau réalisée par au moins une des sondes de niveau. 3042268 3 Le calculateur est par exemple configuré de manière à, en fonction de l'orientation de l'accélération mesurée par rapport à l'axe vertical, déterminer le niveau de fluide dans le réservoir au moyen d'une unique sonde de niveau parmi lesdites sondes de niveau. 5 Le calculateur peut également être configuré de manière à déterminer une hauteur de fluide équivalente dans le réservoir, ladite hauteur de fluide équivalente dans le réservoir correspondant à la hauteur de fluide dans le réservoir pour une accélération parallèle à l'axe vertical du 10 réservoir. Le calculateur est typiquement configuré de manière à réaliser une fonction de filtrage des mesures effectuées par les sondes de niveau. Ladite fonction de filtrage est alors typiquement réalisée de manière à 15 écarter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement de fluide dans le réservoir. Le système de mesure comprend par exemple trois sondes de niveau identiques, chacune disposée dans le réservoir à une même hauteur 20 mesurée selon l'axe vertical, et disposées espacées de 120° autour de l'axe vertical dans le réservoir. L'invention concerne également un réservoir muni d'un tel système de mesure, et un engin spatial muni d'un tel réservoir. 25 L'invention concerne en outre un procédé d'estimation du niveau de fluide dans un réservoir d'un engin spatial, ledit procédé comprenant des étapes de : - détermination en utilisant un ensemble de mesures du vecteur 30 accélération auquel est soumis le réservoir, - mesure d'un niveau de fluide dans le réservoir, - détermination d'un niveau de fluide dans le réservoir, en fonction de l'accélération et du niveau de fluide mesuré. 3042268 4 Le niveau de fluide dans le réservoir est par exemple déterminé au moyen d'une hauteur de fluide équivalente dans le réservoir, ladite hauteur de fluide équivalente dans le réservoir correspondant à la 5 hauteur de fluide dans le réservoir pour une accélération parallèle à un axe vertical du réservoir. Le procédé comprend typiquement une étape de filtrage du niveau de fluide mesuré dans le réservoir, ladite étape de filtrage étant réalisée de 10 manière à rejeter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement de fluide dans le réservoir. PRESENTATION DES FIGURES 15 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 figures annexées, sur lesquelles : - Les figures la et lb illustrent schématiquement un réservoir d'ergol, 20 Les figures 2 et 3 représentent schématiquement un exemple de positionnement de sondes au sein d'un réservoir d'ergol, - Les figures 4a et 4b illustrent deux exemples de mesures de niveau d'ergols au sein de réservoirs, - La figure 5 illustre schématiquement le fonctionnement du 25 système selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. 30 DESCRIPTION DETAILLEE Les figures la et lb illustrent schématiquement un réservoir d'ergol en vue de dessus et en vue de côté. 3042268 5 Le réservoir 1 est représenté comme un cylindre de révolution selon un axe vertical Z, de rayon R et de hauteur Hres. 5 On considère une sonde positionnée sur une paroi du réservoir 1, à une hauteur Hsonde. L'accélération du lanceur est représentée par une flèche A. On repère ainsi son inclinaison y par rapport à l'axe vertical Z, l'angle y étant dans 10 le plan défini par l'axe longitudinal du lanceur et le vecteur accélération, et son orientation par rapport à la position d'une sonde considérée sur les parois du réservoir 1 par l'angle Ô. Comme décrit par le schéma, l'orientation du vecteur accélération 15 entraine une inclinaison de la surface libre de l'ergol dans le réservoir 1, représentée par un trait dans le réservoir 1 (les ballottements ne sont pas représentés). Cette inclinaison est d'un angle y par rapport à la direction horizontale, définie comme étant perpendiculaire à l'axe vertical Z du réservoir 1. 20 On comprend donc bien qu'une telle inclinaison perturbe les mesures de niveau d'ergol dans le réservoir 1, en ce que le niveau mesuré par une sonde unique ne correspond pas à un niveau réel sur toute la périphérie du réservoir 1. 25 La multiplication des sondes afin d'avoir une mesure continue sur toute la périphérie du réservoir 1 n'est pas envisageable, à la fois pour des problématiques de coût et de masse. Le système proposé vise donc à déterminer, au moyen des données 30 mesurées par au moins un capteur de niveau et de données concernant l'accélération du lanceur comprenant le réservoir 1, un niveau équivalent d'ergol dans le réservoir 1, ce niveau équivalent d'ergol dans le réservoir 1 permettant ainsi de déterminer la quantité et la masse d'ergol restant. 3042268 6 Ainsi, si on considère le niveau moyen d'ergol H dans le réservoir, correspondant à l'intersection entre la surface libre de l'ergol et l'axe vertical Z du réservoir, on définit une distance AH entre le niveau moyen 5 H et le niveau Hsonde mesuré par la sonde. Or, on déduit des figures les relations suivantes : AH tan y = R x cos 8 Soit AH = R x cos 8 x tan y Donc H = Hsonde - AH = Hsonde - R x cos S x tan y 10 On peut ainsi, à l'aide de la hauteur d'ergol mesurée par une sonde, et des données concernant l'accélération, définir une hauteur équivalente d'ergol dans le réservoir 1, cette hauteur équivalente définissant un volume équivalent d'ergol défini par un cylindre de révolution avec une 15 surface libre horizontale (i.e. perpendiculaire à l'axe vertical Z du réservoir 1). Le réservoir 1 est donc équipé d'un système de détermination de l'accélération 4configuré de manière à recueillir les données concernant 20 le vecteur accélération, par exemple un ensemble d'accéléromètres ou des moyens de calcul transmettant le vecteur accélération, d'une ou plusieurs sondes de niveau 2, et d'un calculateur 3 adapté pour déterminer la hauteur équivalente d'ergol dans le réservoir à partir notamment des données fournies par l'ensemble d'accéléromètres et la 25 ou les sonde(s) de niveau. Afin de fiabiliser les mesures, plusieurs sondes de niveau identiques sont typiquement disposées dans le réservoir 1. Ces sondes de niveau sont 3042268 7 disposées régulièrement le long de la paroi du réservoir 1, préférentiellement à une même hauteur selon l'axe vertical Z. Le réservoir comprend ainsi par exemple trois sondes de niveau 5 identiques, ce qui permet de fiabiliser les mesures, tout en étant acceptable en termes de coût et de masse, selon les contraintes du projet considéré. Les figures 2 et 3 représentent un exemple d'implantation des sondes de 10 niveau 2 dans le réservoir 1. On voit sur ces figures que les trois sondes de niveau 2 sont disposées à une même hauteur Hs, et sont réparties à 120° les unes des autres autour de l'axe vertical Z. 1 5 La figure 4 représente deux exemples de courbes traduisant le niveau d'ergol dans un réservoir, respectivement pour un réservoir d'hydrogène cryogénique (figure 4a), et un réservoir d'oxygène cryogénique (figure 4b). 20 On remarque plusieurs tracés sur chacun des graphes. Les tracés linéaires M1 représentent le niveau théorique d'ergol dans les réservoirs en fonction du temps, et traduisent donc une consommation régulière d'ergol. Les tracés les plus irréguliers M2 traduisent les niveaux d'ergol mesurés 25 par les sondes de niveau 2 disposées dans les réservoirs 1. L'irrégularité de ces tracés est due notamment aux variations de l'accélération, aux ballottements des ergols dans les réservoirs 1, et plus généralement aux phénomènes conduisant à un mouvement des ergols dans les réservoirs 1. 30 Le calculateur 3 est ainsi configuré de manière à réaliser un filtrage des mesures effectuées par les sondes de niveau 2, de manière à obtenir un niveau filtré à partir du niveau mesuré par les sondes de niveau 2, ce filtrage étant configuré de manière à écarter les variations de niveau 3042268 8 dues à un ou plusieurs modes de ballottement. La troisième courbe M3 représentée sur les graphes de la figure 4 traduit donc le niveau filtré. Le calculateur 3 utilise alors typiquement le niveau filtré d'ergol dans le 5 réservoir 1 afin de déterminer le niveau équivalent d'ergol, ce qui fiabilise et augmente la précision des calculs effectués. La figure 5 illustre schématiquement le fonctionnement du système tel que présenté. 10 On représente ainsi sur cette figure les données d'entrée, qui sont relevées par des sondes de niveau et par un système de détermination du vecteur accélération, à savoir une ou plusieurs sondes de niveau relevant des niveaux d'ergol dans un réservoir (en l'occurrence trois 15 sondes de niveau relevant donc trois niveaux d'ergol N1, N2 et N3), et un système de détermination du vecteur accélération relevant les angles ô et y traduisant l'orientation de l'accélération de l'engin comprenant le réservoir 1. 20 Les données correspondant aux niveaux d'ergol mesurés par la ou les sondes de niveau sont ensuite typiquement filtrées de manière à écarter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement. Une fois ce filtrage optionnel réalisé, les données sont ensuite vérifiées, 25 et exploitées par le calculateur 3 afin de déterminer un niveau moyen d'ergol dans le réservoir considéré, ce qui permet de déterminer ensuite aisément la masse et le volume d'ergol restant dans ce réservoir 1. Le système proposé permet donc d'améliorer la précision de mesures 30 dans les réservoirs d'ergol, grâce au filtrage de l'inclinaison de la surface libre. De plus, une sonde étant suffisante pour déterminer le niveau d'ergol, le système proposé permet d'obtenir une fiabilité accrue, dans la mesure 3042268 9 où la panne d'une des sondes de niveau n'impacte alors pas les mesures. REVENDICATIONS1. Système de mesure du niveau de fluide dans un réservoir (1) d'engin spatial, ledit réservoir (1) s'étendant selon un axe vertical (Z), ledit réservoir (1), caractérisé en ce que ledit système de mesure comprend un calculateur (3), un système de détermination du vecteur accélération (4) dudit réservoir (1) et une ou plusieurs sondes de niveau (2) identiques, disposées régulièrement sur les parois internes du réservoir (1), à une même hauteur mesurée selon l'axe vertical (Z), le calculateur étant configuré de manière à déterminer le niveau de fluide dans le réservoir (1) au moyen de l'accélération à laquelle est soumis le réservoir (1) mesurée par le système de détermination du vecteur accélération (4), et par la mesure de niveau réalisée par au moins une des sondes de niveau (2). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le calculateur (3) est configuré de manière à, en fonction de l'orientation de l'accélération mesurée par rapport à l'axe vertical (Z), déterminer le niveau de fluide dans le réservoir (1) au moyen d'une unique sonde de niveau (2) parmi lesdites sondes de niveau (2). 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le calculateur (3) est configuré de manière à déterminer une hauteur de fluide équivalente (H) dans le réservoir (1), ladite hauteur de fluide équivalente (H) dans le réservoir (1) correspondant à la hauteur de fluide dans le réservoir (1) pour une accélération parallèle à l'axe vertical (Z) du réservoir (1). 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le calculateur (3) est configuré de manière à réaliser une fonction de filtrage des mesures effectuées par les sondes de niveau (2). 3042268 11 5. Système selon la revendication 4, dans lequel ladite fonction de filtrage est configurée de manière à écarter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement de fluide dans le réservoir (1). 5 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le système de mesure comprend trois sondes de niveau (3) identiques, chacune disposée dans le réservoir (1) à une même hauteur (Hsonde) mesurée selon l'axe vertical (Z), et disposées espacées de 120° autour de l'axe 10 vertical (Z) dans le réservoir (1). 7. Réservoir d'ergol d'un engin spatial, comprenant un système selon l'une des revendications 1 à 5. 1 5 8. Procédé d'estimation du niveau de fluide dans un réservoir (1) d'un engin spatial, ledit procédé comprenant des étapes de : - détermination au moyen d'un système de détermination de l'accélération (4) auquel est soumis le réservoir (1), - mesure d'un niveau de fluide dans le réservoir (1), 20 - détermination d'un niveau de fluide dans le réservoir (1), en fonction de l'accélération et du niveau de fluide mesuré. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le niveau de fluide dans le réservoir (1) est déterminé au moyen d'une hauteur de fluide 25 équivalente (H) dans le réservoir (1), ladite hauteur de fluide équivalente (H) dans le réservoir (1) correspondant à la hauteur de fluide dans le réservoir (1) pour une accélération parallèle à un axe vertical (Z) du réservoir (1). 30 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel on réalise une étape de filtrage du niveau de fluide mesuré dans le réservoir (1), ladite étape de filtrage étant réalisée de manière à écarter les variations 3042268 12 de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement de fluide dans le réservoir (1).