Brevet FR3047978A1 — publié le 20170825

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un réservoir d'ergol pour la propulsion cryogénique spatiale. ETAT DE LA TECHNIQUE Une des problématiques dans la conception des réservoirs des systèmes spatiaux est la pressurisation du carburant injecté dans le moteur. Pour ce faire, on connait des solutions complexes qui mettent en oeuvre des systèmes de pressurisation du réservoir, puis une turbopompe permettant d'alimenter à une pression donnée le moteur. Pour diminuer la complexité de ces solutions, on connait une autre solution qui permet de maintenir une pression dans un réservoir par évaporation. Cette solution est connue sous le nom de VAPAK pour en anglais « vapor pressunzation». Le VAPAK utilise l'évaporation du liquide contenu dans le réservoir pour maintenir la pression au cours de l'alimentation du moteur. Pour atteindre la pression nécessaire, la température du liquide doit être ajustée pour avoir la bonne pression saturante. Par exemple, pour le méthane, pour avoir une pression saturante de 15 bar, le méthane liquide du réservoir doit être porté à une température de 160K. A mesure de l'alimentation du moteur et donc de la vidange du réservoir, le volume gazeux augmente, la pression a tendance à baisser, ce qui force l'évaporation du liquide, et a tendance à maintenir la pression. Cette solution présente toutefois plusieurs inconvénients : Le liquide doit être maintenu à la bonne température, qui correspond à la pression saturante visée. C'est d'autant plus complexe que le réservoir est grand : il peut falloir apporter beaucoup d'énergie pour chauffer un grand volume, et les phénomènes de stratification nuisent à l'homogénéité de la température de l'ergol. Certains liquides saturés et notamment les ergols saturés sont très sensibles aux variations de pression, qui peuvent provoquer une évaporation subite. C'est problématique lorsque le liquide passe dans le circuit d'alimentation moteur : une restriction de section, un coude, un obstacle du par exemple à un capteur, ont tous tendance à provoquer des pertes de pression, et donc l'évaporation du liquide. On se retrouve alors avec un débit diphasique, difficile à analyser, prédire, et maitriser. Dans le cas d'une propulsion bi-ergols, de nouveaux défis apparaissent : le taux d'évaporation dans les deux réservoirs est difficile à prédire, et il est difficile de s'assurer que les deux réservoirs vont être vidés simultanément. On peut se 3047978 2 retrouver avec une alimentation liquide coté carburant et gazeuse coté comburant, et une brusque variation de rapport de mélange dans la chambre. PRESENTATION DE L'INVENTION 5 L'invention proposée est une architecture du réservoir équipé, permettant de maintenir la pression réservoir par l'évaporation d'ergols portés à saturation, sans avoir les inconvénients classiques d'un Vapak. Elle propose notamment un réservoir d'un système de propulsion spatial, comprenant : 10 - une paroi faiblement isolée délimitant un volume principal adapté pour contenir un ergol (le réservoir); - un compartiment interne disposé au centre du réservoir ; - un compartiment externe entourant le compartiment interne ; - une cloison isolée séparant les compartiments interne et externe, les 15 compartiments interne et externe étant en communication via le sommet de la cloison, la cloison et la paroi étant configurées pour maintenir le volume d'ergol contenu dans le compartiment interne à une température différente du volume d'ergol contenu dans le compartiment externe. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises 20 seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la cloison comprend une ouverture à son sommet de telle sorte que le compartiment interne et le compartiment externe communiquent par cette ouverture ; - l'ouverture est grillagée par une grille pour limiter les échanges d'ergol liquide tout en permettant les échanges gazeux entre les deux compartiments ; 25 - le réservoir comprend un dispositif de chauffage disposé sur la paroi du réservoir de manière à chauffer le volume d'ergol contenu dans le compartiment externe ; - la paroi du réservoir est configurée pour avoir une isolation thermique inférieure à celle de la cloison ; - le réservoir comprend une ligne d'alimentation s'étendant depuis le compartiment 30 interne de sorte que le compartiment interne soit en communication fluidique avec un moteur pour alimenter celui-ci en ergol ; - le compartiment interne est dimensionné de sorte avoir un volume supérieur au volume du compartiment externe. Ainsi, l'invention propose plus précisément de scinder le réservoir en deux compartiments, tous deux contenants le même ergol liquide, mais à des températures 3047978 3 différentes. Chaque compartiment recevant des flux thermiques différents a une fonction différente : l'un alimente le moteur en ergol liquide non saturé, l'autre maintient la pression réservoir par évaporation d'un liquide saturé. Le compartiment externe est de faible volume, et il présente une faible isolation 5 thermique vis-à-vis de l'extérieur. Il est dédié à la pressurisation du réservoir. Le compartiment interne contient la majorité du volume réservoir. Il présente une forte isolation thermique vis-à-vis de l'extérieur. Il est dédié à l'alimentation du moteur en liquide non saturé. Les deux compartiments sont séparés par une cloison bien isolée, interne au 10 réservoir. La cloison ne sépare pas complétement les deux compartiments : il y a une ouverture au sommet de la paroi, qui peut permettre un échange gazeux entre les deux compartiments. Cette ouverture peut être grillagée pour limiter les échanges liquides en cas de ballotements. 15 Les avantages de l'invention sont multiples : La partie liquide qui est dédiée à la pressurisation occupe un faible volume (bien limité par un compartiment). Il est donc beaucoup plus simple d'en conditionner la température. La présence de bulles dans le liquide étant sans importance (le liquide n'alimente pas le moteur), on peut augmenter la température par des flux externes, 20 via les parois donnant sur l'extérieur. Grace à l'apport de flux extérieurs, un chauffage complémentaire (par chauffage électrique ou par caloducs en provenance du moteur) peut être inutile. Cependant, si un chauffage complémentaire était nécessaire, la puissance requise sera modique, en particulier à cause du faible volume à réchauffer. 25 La séparation en deux compartiments permet de garder le liquide dans le compartiment intérieur à une température relativement basse, inférieure à la température de saturation. On peut s'assurer ainsi que le moteur est toujours alimenté en carburant liquide, même en cas de perte de pression dans la ligne d'alimentation. Le débit alimentant le moteur est alors aisé à analyser et à maitriser. 30 En cas de propulsion bi-ergol, le fait que le moteur soit alimenté uniquement en liquide non saturé rend plus aisé la synchronisation de la fin de vidange des deux réservoirs. Cela évite une alimentation d'un côté liquide, de l'autre côté gazeuse, ce qui dérèglerait le rapport de mélange et nuirait à la tenue et à la performance du moteur. 35 3047978 4 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 : 5 - la figure 1 illustre le réservoir avec ses différents composants - les figures 2 et 3 illustrent le fonctionnement du réservoir de l'invention à deux instants différents. Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques. 10 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En relation avec la figure 1, un réservoir d'un système de propulsion spatial, comprend une paroi 1 faiblement isolée délimitant un volume principal adapté pour contenir un ergol. Cette paroi est de forme générale cylindrique. On précise ici que l'on entend par « paroi faiblement isolée » une paroi qui permet des échanges thermiques entre deux fluides situés 15 de part et d'autre de la paroi. Le volume principal est scindé en deux compartiments : un compartiment 2 interne disposé au centre du réservoir et un compartiment 3 externe entourant le compartiment 2 interne. Les deux compartiments 2, 3 sont séparés par une cloison 4 isolée. On précise ici 20 que l'on entend par « cloison isolée » une cloison fortement isolée thermiquement qui ne permet pas ou presque pas d'échanges thermiques entre les deux fluides situés de part et d'autre. Les compartiments interne et externe 2, 3 sont en communication via le sommet 41 de la cloison 4. A ce titre, la cloison 4 comprend une ouverture 5 à son sommet de telle 25 sorte que le compartiment interne et le compartiment externe communiquent par cette ouverture. Cette ouverture est de préférence grillagée pour limiter les échanges d'ergol liquide tout en permettant les échanges gazeux entre les deux compartiments (comme on le verra dans la suite de la description). 30 La paroi et la cloison permettent de maintenir le volume d'ergol contenu dans le compartiment interne à une température différente du volume d'ergol contenu dans le compartiment externe. En effet, la paroi 1 étant faiblement isolée et donnant sur l'extérieur du réservoir, elle permet le passage des flux thermiques venant de l'extérieur (notamment au cours du 35 fonctionnement du réservoir). 3047978 5 Pour compléter les flux thermiques venant de l'extérieur, le réservoir peut comprendre un dispositif 6 de chauffage disposé sur la paroi 1 de manière à chauffer le volume d'ergol contenu dans le compartiment externe 3. Un tel dispositif de chauffage est par exemple une résistance électrique... 5 Pour alimenter un moteur (non représenté), le réservoir comprend une ligne 7 d'alimentation s'étendant depuis le compartiment interne de sorte que le compartiment interne soit en communication fluidique avec le moteur pour alimenter celui-ci en ergol. En relation avec les figures 2 et 3 on décrit un fonctionnement d'un réservoir au cours du vol d'un système de propulsion spatial. 10 Au début du vol, les compartiments interne et externe ont même niveau liquide (voir la figure 1) et comprend une phase liquide 4liquide et une phase gazeuse 4gaz. Le liquide présente des températures différentes (le compartiment externe est à la température de saturation, le compartiment interne est plus froid). Cette différence de température s'établit grâce aux flux thermiques externes, entrant dans le compartiment externe, cela entre le laps 15 de temps qui s'écoule entre le moment où l'on remplit le réservoir (au sol), et le moment où on commence à drainer le réservoir pour alimenter le moteur. En fonctionnement, Le compartiment interne est drainé pour alimenter le moteur, via la ligne d'alimentation 7. Le niveau de liquide dans le compartiment interne baisse alors. Le volume gazeux augmente, ce qui a tendance à faire baisser la pression (voir la figure 2). 20 La baisse de pression entraine une évaporation du liquide saturé contenu dans le compartiment externe (voir la figure 3). Cela fait revenir la pression dans le ciel gazeux à l'objectif. L'évaporation du liquide a tendance à diminuer la température du liquide 4'liquide restant dans le compartiment externe. Cependant la température peut rester constante 25 grâce aux flux radiatif solaire Fts, au flux radiatif Ften provenance du moteur, et si besoin grâce au dispositif de chauffage complémentaire. Durant la vidange, le fluide dans le compartiment externe reste à température T saturante (T=Tsat) et le fluide dans le compartiment interne à une température T inférieure (T REVENDICATIONS1. Réservoir d'un système de propulsion spatial, comprenant : - une paroi (1) faiblement isolée délimitant un volume principal adapté pour contenir un ergol ; - un compartiment (2) interne disposé au centre du réservoir ; - un compartiment (3) externe entourant le compartiment (2) interne ; - une cloison (4) isolée séparant les compartiments interne et externe (2, 3), les compartiments interne et externe (2, 3) étant en communication via le sommet (41) de la cloison, la cloison (4) et la paroi (1) étant configurées pour maintenir le volume d'ergol contenu dans le compartiment interne à une température différente du volume d'ergol contenu dans le compartiment externe. 2. Réservoir selon la revendication 1, dans lequel la cloison (4) comprend une ouverture à son sommet de telle sorte que le compartiment interne et le compartiment externe communiquent par cette ouverture. 3. Réservoir selon la revendication 2, dans lequel l'ouverture est grillagée par une grille pour limiter les échanges d'ergol liquide tout en permettant les échanges gazeux entre les deux 20 compartiments. 4. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant un dispositif (6) de chauffage disposé sur la paroi (1) de manière à chauffer le volume d'ergol contenu dans le compartiment externe (3). 25 5. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la paroi (1) est configurée pour avoir une isolation thermique inférieure à celle de la cloison (4). 6. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une ligne (7) d'alimentation 30 s'étendant depuis le compartiment interne de sorte que le compartiment interne soit en communication fluidique avec un moteur pour alimenter celui-ci en ergol. 7. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le compartiment interne est dimensionné de sorte avoir un volume supérieur au volume du compartiment externe.