Brevet FR3084277A1 — publié le 20200131

RESERVOIRS ULTRA LEGER HAUTE PRESSION ET STRUCTURES DE FUSEES, NOTAMMENT RESERVOIRS CRYOGENIQUES, SE DETRUISANT LORS D'UNE RENTREE ATMOSPHERIQUE Domaine de l'invention : a) afin de contenir de l'hélium sous pression, du xénon et des ergols pressurisés, à température ambiante, on utilise, pour les fusées et satellites des réservoirs à haute pression, soit en titane soit en composite à fibre de carbone, d'aramide, avec liner titane. En ce qui concerne les ergols cryogéniques tel l'oxygène, le méthane, l'hydrogène, on a utilisé de grandes structures en aluminium, toutefois, afin d'améliorer la performance des lanceurs une tendance forte consiste à envisager désormais l'emploi de composites notamment : carbone- époxy. b) il est fait appel à des réservoirs à haute pression pour réaliser le stockage de gaz comprimés, que ce soit pour les besoins industriels ou les transports ; par transports on comprend, l'automobile, les cars et bus, les autorails, les camions, les bateaux, les avions, les fusées, les véhicules spatiaux. Le gaz à stocker sous pression, peut-être de l'air comprimé, du gaz naturel, toute sorte de gaz industriel et en particulier de l'hydrogène, ou de l'hélium, ces derniers gaz ont la particularité d'être extrêmement fugaces, cela implique donc des réservoirs parfaitement étanches. L'avenir de la mobilité routière passe par l'usage de l'hydrogène, plutôt que par celui des batteries électriques, il faut donc envisager des technologies de production des réservoirs à pression de faible coût et de grande fiabilité. Etat de l'art : Un grave problème, lors de la rentrée atmosphérique incontrôlée d'un satellite ou d'un lanceur, est qu'il ne brute pas complétement et que des débits peuvent atteindre le sol et blesser des civils. En particulier, lors d'une rentrée atmosphérique, les réservoirs métalliques (en général en titane) ou les liners métalliques arrivent intact au sol ; il est à noter que les réservoirs à enveloppe composite réalisée avec des fibres de carbone ne brulent également pas durant la rentrée atmosphérique. Ceci est un grave problème de sécurité publique I Les réservoirs : On utilise couramment des réservoirs métalliques qui présentent un inconvénient de masse considérable dans le cadre de leur acheminement et à plus forte raison s'ils sont utilisés dans les transports. Afin de réduire la masse des réservoirs une tendance importante, dans les transports, et d'utiliser des réservoirs composites confectionnés par un système : fibres-résine bobinés par enroulement filamentaire. Les fibres étant soit des fibres de carbone soit des assemblables hybrides fibres de carbone, fibres de verre. La matrice étant soit une matrice époxy, vinylester, ou polyester. Par souci de simplification, on désigne par réservoir, dans la suite du texte toute enceinte composite telle que réservoir haute pression, structure de fusée (par exemple à poudre), ou structure de fusée cryogénique. LA PRESENTE INVENTION A POUR BUT : 1) D'AMELIORER LA SECURITE : a) Décomposition lors d'un retour atmosphérique Incontrôlé : Les fibres que nous revendiquons dans le cadre de la présente invention sont les fibres dites HMPE (HighModulus Polyethylene fibers = fibres polyéthylène à haut module) elles sont obtenu à partir de molécules de polyéthylène, (-CH2-)n, à très haute masse moléculaire (Mw) (ultra-high molecular weight polythylene [UHMWPE]), typiquement Mw > 106 g/ mol. Encore appelées DYNEEMA ® (ces fibres sont produites par la société DSM). Ces fibres sont egalement produite sous licence par Honeywell Specialty Materials aux USA sous le nom de Spectra® et au Japon par Toyobo Co sous le nom de IzanasTM. En particulier nous considérons le grade DM20 du DYNEEMA® qui présente l'avantage stratégique de ne pas fluer sous charge. La fibre DYNEEMA® fond à 150°C et se décompose chimiquement des 300°C (ce qui favorise sa parfaite disparition lors d'une rentrée dans l'atmosphère). Dans la suite du texte toutes ces 2 fibres et en particulier le grade DM20 du DYNEEMA® sont désignées sous le nom de DYNEEMA®. b) Tenue aux impacts : sur orbite basse autour de la terre, c'est à dire à 800 km d'altitude un 5 objet, tel un réservoir, a une probabilité de 10 sur une période de 25 ans d'être percuté à une vitesse moyenne de 14km/s par une particule de 1 cm de diamètre. Le DYNEEMA® est employé pour réaliser des protection anti balistiques (gilets pare-balles, gants anti coupures). Contrairement au carbone, Le DYNEEMA® DM 20 est donc particulièrement adapté à la réalisation de réservoirs à pression exposés dans l'espace, à des impacts. 10 c) Marge de sécurité : lors de missions interplanétaires, les réservoirs à enveloppe composite carbone doivent être extrêmement fiable car leur explosion peut détruire une mission. Ils sont donc en général calculés de manière à fonctionner à 67% de la pression nominale de dessin, pression nominale qui n'est, elle-même, qu'à 66% de la pression d'explosion .... On 15 utilise donc des réservoirs à seulement 45% de ladite pression d'explosion, ce qui est navrant I Ceci est dû au fait que les fibres de carbone ont un allongement à la rupture très faible de l'ordre du pourcent. Le moindre défaut aléatoire de fabrication, la moindre dilatation ou micro déformation focale du réservoir peut localement atteindre la limite de rupture et briser des fibres, ce qui aboutit progressivement à la rupture totale du réservoir. 20 Grâce à son allongement ultime de 3% à 3.5%, le DYNEEMA® DM20 est nettement moins sensible à ces phénomènes, on peut donc réduire la marge de sécurité prise par rapport à la rupture appliquée au réservoir. 53,04% 106g/ mol et notamment par le grade DYNEEMA° DM20, b. De fibres de carbone, c. De fibres d'aramides, 25 d. De fibres de verre. Les fibres DYNEEMA° doivent être prétraltées par effet corona ou tout procédé équivalent connu de l'homme de l'art, ce traitement et suivi préférentiellement par la mise en oeuvre d'un surfactant contenant notamment, pour toutes les fibres, un mélange : c. D'une part un « éposilane », à chaine carbonées, dont le nom chimique est : « glycidyl- 30 3 oxypropyl-trimethoxysilane », dont la formule chimique est : « 031-12005Si » et dont le numéro CAS est : « 2530-83-8 », d. Et d'autre part un « EPOSILOXANE ® », comprenant : i. Une terminaison active portant un « oxygène ponté » sur une liaison carbone-carbone dénommée « oxacycloalcane » plus souvent abrégé en « oxiranes » de 35 formule chimique : (-C2H30) à une extrémité ii. Et d'un à trois groupes de terminaisons fonctionnelles actives, à l'autre extrémité, dit coté hydroxyle, lesdites terminaisons fonctionnelles peuvent être choisi dans l'un des trois groupes suivants : le groupe méthyle (-CH3) qui est un alkyle, le groupe éthyle (-C2H5) qui est un alkyle, le groupe hydroxyle (-OH) 40 Ili. La partie centrale, attachée du côté hydroxyle, est une chaine élastique « siloxane », ladite chaine siloxane est composés à base d'une chaine d'atomes de silicium et d'oxygène ayant pour formule, en particulier, l'une des deux solutions suivantes : [-SI(CH3)20-]n (poly(diméthylsiloxane) dont le numéro CAS est : 6314862-9 et ESi(OCH3)20-fri (poly(diméthoxysiloxane)) dont le numéro CAS est : 25498- 45 02-6 avec n compris entre 4 et 12 7 iv. La partie centrale attachée à la chaine siloxane et la reliant à oxacycloalcane est une chaine carbonée qui peut être choisi parmi l'une des 4 compositions suivantes : (-CH20(CH2).-), (-CH2O-), (-CHr), (-O-), avec m compris entre 1 et 4 et p compris entre 1 et 2. 5 c. le mélange composé d'une quantité « q » d'éposilane et d'une quantité « 1-q » d'EPOSILOXANE° peut être adapté à l'application, q variant de 0 à 95%. Le (ou les) ruban(s) préimprégné(s) est (sont) constitué(s) d'un arrangement bidimensionnel en section, comprenant préférentiellement plusieurs couches de stratifils empilées en quinconce les unes sur les autres et comprenant également plusieurs couches de stratifiés disposées côte à côte, 10 pour former le dit ruban, un stratifil ayant une épaisseur comprise entre 0.05 mm et 03 mm et une largeur comprise entre 0.5 mm et 15 mm, de façon à obtenir la structure en quinconce, sur une couche « complète » comprenant « X » stratifils de largeur « L » on dépose une couche « partielle » comprenant « X-1 » stratifils de largeur « L », en son milieu et à chaque extrémité, de la dite couche, sont déposés de chaque côté de celle-ci un stratifil de largeur « L/2 » ; et ainsi de suite en alternant 15 les couches « complètes » et « partielles ». Le (ou les) ruban(s) préimprégné(s) est (sont) constitué(s) d'un arrangement bidimensionnel en section, comprenant préférentiellement plusieurs couches de stratifils empilées les unes sur les autres et comprenant, également préférentiellement, plusieurs couches de stratifiés disposées côte à côte, pour former le dit ruban, un stratifil ayant une épaisseur comprise entre 0.05 mm et 0.5 mm et 20 une largeur comprise entre 0.5 mm et 15 mm. Le liner du réservoir est : - Soit constitué d'une enveloppe thermoplastique monolithique dite barrière, - Soit constitué, d'un empilement concentrique d'au moins deux couches structurales thermoplastiques prenant en sandwich une couche de matériau dit barrière, tel soit l'EVOH 25 (copolymère d'alcool vinylique), le PVCD (chlorure de polyvinylidéne) le PAN (polyacrylonitrile), le polyamide 11 (polyundécanamide), le PEEK (PolyEtherEtherKetone), le KAPTON. (polyimide=poly (4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide)), Polyvinyl fluoride ((PVF) ou - (CH2CHF)n- ), EPN2P2, - Soit constitué d'une fine couche d'un métal malléable et ductile tel l'aluminium, le cuivre, 30 l'or, l'argent, notons que l'on peut également appliquer directement la couche du dit matériau barrière dans l'alésage du liner thermoplastique par roto enduction de dit matériau sous forme liquide, ou pulvérulente, enfin on peut procéder à la métallisation de l'alésage du liner par tout procédé connu de l'homme de l'art tel la PVD. - Soit constituer d'un liner massif, c'est à dire d'un dessin classique et qui peut être confectionné 35 par ordre de préférence : en aluminium, REVENDICATIONS1 Réservoirs ultra léger haute pression et structures de fusées, notamment reser cryogéniques, se détruisant de façon contrôlée lors d'une rentrée atmosphérique, rése haute pression destiné également au transport tel avion, poids lourds, trains, automobiles, le dit réservoir étant caractérisé par le fait que soit le ruban, soit les rubans, qui constituent sa 10 structure, sont confectionnés avec un composite préimprégné fibres-matrice, la matrice contenant des micro-agrégats de silice, d'une taille comprise entre 0.5 et 10 microns, lesdits micro-agrégats étant fonctionnalisés époxy .gràce à l'emploi d'un surfactant de type éposilane, ou tout agent chimique de fonctionnalisation équivalent connu de l'homme de l'art, lesdits micro-agrégats étant dispersés de façon homogène dans la matrice à raison de 15 5% à 15% en masse par rapport à la masse de la dite matrice. 2 Réservoir selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les fibres de renforcement constituant le réservoir sont constituées, par ordre préférentiel décroisant a. De fibres de DYNEEMA° (HMPE) obtenues à partir de molécules de polyéthylène, 20 (-CH2-)a, à très haute masse moléculaire (Mw) (ultra-high molecular weight polythylene [UHMWPE]), typiquement Mw > 106g/ mol et notamment par le grade DYNEEMA' DM20, b. De fibres de carbone, c, De fibres d'aramides, 25 d. De fibres de verre, 3 Réservoir selon au moins l'une des revendications t 2, caractérisé par le prétraitement, par effet corona des fibres de DYNEEMA, et tout procédé équivalent connu de l'homme de l'art le dit prétraitement étant suivi préférentiellement par la mise en oeuvre d'un surfactant contenant notamment, pour toutes les fibres, un mélange : 30 a) D'une part un « éposilane », à chaine carbonées, dont le nom chimique est « glycidyl-3 oxypropyl-trimethoxysilane », dont la formule chimique est : « C9H2005Si » et dont le numéro CAS est : « 2530-83-8 », b) Et d'autre part un « EPOSILOXANE », comprenant : I. Une terminaison active portant un « oxygène ponté » sur une liaison 35 carbone-carbone dénommée « oxacycloalcane » plus souvent abrégé en « oxiranes » de formule chimique : (-C2I-10) à une extrémité Il. Et d'un à trois groupes de terminaisons fonctionnelles actives, à l'autre extrémité, dit coté hydroxyle, lesdites terminaisons fonctionnelles peuvent être choisi dans l'un des trois groupes suivants : ie groupe méthyle (-0-13) 40 qui est un alkyle, le groupe éthyle (-C21-15) qui est un alkyle, le groupe hydroxyle (-OH) Ill. La partie centrale, attachée du côté hydroxyle, est une chaine élastique « siloxane », ladite chaine siloxane est composés base d'une chaine d'atomes de silicium et d'oxygène ayant pour formule, en particulier, l'une 45 des deux solutions suivantes : [-Si(CH3)20-1, (poly(diméthylsiloxane) dont le numéro CAS est : 63148-62-9 et [-Si(OCH3)20-], (poly(diméthoxysiloxane)) dont le numéro CAS est : 25498-02-6 avec n compris entre 4 et 12 IV. La partie centrale attachée à la chaine siloxane et la reliant à oxacycloalcane est une chaine carbonée qui peut être choisi parmi l'une des 4 compositions suivantes : (-CH20(C1-12)'-), (-CH201 (-OE), avec m compris entre : 1 et 4 , et p compris entre : 1 et2. c) Le mélange composé d'une quantité « q » d'éposilane et d'une quantité « 1-q » d'EPOSILOXANC peut être adapté à l'application, q variant de 0 à 95%. 4 Réservoir selon au moins l'une des revendications 1 et 3 , caractérisé par le fait que le ruban préimprégné est constitué d'un arrangement bidimensionnel en section, comprenant préférentiellement plusieurs couches de stratifils empilées en quinconce les unes sur les autres et comprenant également plusieurs couches de stratifiés disposées côte à côte, pour former le dit ruban, un stratifil ayant une épaisseur comprise entre 0.05 mm et 0.5 mm et une largeur comprise entre 0.5 mm et 15 mm, de façon à obtenir la structure en quinconce, sur une couche « complète » comprenant « X » stratifils de largeur « L » on dépose une couche « partielle » comprenant « X-1 » stratifils de largeur « L », en son milieu et à chaque extrémité, de la dite couche, sont déposés de chaque côté de celle-ci un stratifil de largeur « L/2 » ; et ainsi de suite en alternant les couches « complètes » et « partielles ». 5 Réservoir selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le ruban préimprégné est constitué d'un arrangement bidimensionnel en section, comprenant préférentiellement plusieurs couches de stratifils empilées les unes sur les autres et comprenant, également préférentiellement, plusieurs couches de stratifiés disposées côte à côte, pour former le dit ruban, un stratifil ayant une épaisseur comprise entre 0.05 mm et 0.5 mm et une largeur comprise entre 0.5 mm et 15 mm. 6 Réservoir selon au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le liner du réservoir est - Soit constitué d'une enveloppe thermoplastique monolithique dite barrière, u Soit constitué, d'un empilement concentrique d'au moins deux couches structurales thermoplastiques prenant en sandwich une couche de matériau dit barrière, tel soit l'EVOH (copolymère d'alcool vinylique), le PVCD (chlorure de polyvinylidéne) le PAN (polyacrylonitrile), le polyamide 11 (poiyundécanamide), le PEEK (PolyEtherEtherKetone), le KAPTONte (polyimide=poly (4,4s-oxydiphenylenepyromellitimide)), Polyvinyl fluoride ((PVF) ou -(CH2CHF)n- ), EPN2P2, - Soit constitué d'une fine couche d'un métal malléable et ductile tel l'aluminium, le cuivre, l'or, l'argent, notons que l'on peut également appliquer directement la couche du dit matériau barrière dans l'alésage du liner thermoplastique par roto enduction de dit matériau sous forme liquide, ou pulvérulente, enfin on peut procéder à la métallisation de l'alésage du liner par tout procédé connu de l'homme de l'art tel la PVD. - Soit constituer d'un liner massif, c'est à dire d'un dessin classique et qui peut être confectionné par ordre de préférence : en aluminium, en magnésium.