Brevet FR3147255A1 — publié le 20241004

Aéronef comprenant un système de distribution d’hydrogène. L’aéronef comprend un système de propulsion (3) utilisant de l’hydrogène ainsi qu’un système (16) de distribution d’hydrogène comprenant un ensemble d’équipements et prévu pour alimenter le système de propulsion en hydrogène à partir d’un réservoir d’hydrogène. Le système de distribution d’hydrogène comprend un caisson (18) étanche à l’air disposé de façon à envelopper au moins un sous-ensemble d’équipements du système de distribution d’hydrogène. Le caisson étanche est raccordé à une canalisation (20) de l’aéronef débouchant à l’extérieur de l’aéronef. Une pompe à vide (22a, 22b) est montée en série sur la canalisation (20) et commandée de façon à maintenir une pression à l’intérieur du caisson étanche (18) inférieure ou égale à une pression prédéterminée. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Aéronef comprenant un système de distribution d’hydrogène. L’invention est relative au domaine des aéronefs comprenant un système de propulsion utilisant de l’hydrogène (H2) comme source d’énergie. Le système de propulsion correspond par exemple à un turbopropulseur fonctionnant par combustion d’hydrogène, ou bien à au moins un moteur électrique entraînant une hélice de propulsion, l’au moins un moteur électrique étant alimenté électriquement par un ensemble de piles à combustible alimentées en hydrogène. L’aéronef comprend au moins un réservoir d’hydrogène, ainsi qu’un système de distribution d’hydrogène installé entre le réservoir d’hydrogène et le système de propulsion de façon à alimenter le système de propulsion en hydrogène à partir du réservoir d’hydrogène. Le système de distribution d’hydrogène comprend un ensemble d’équipements tels par exemple que des tuyaux, des pompes, des vannes, etc. Les tuyaux sont par exemple du type à double peau. Afin de préserver la sécurité de l’aéronef, il convient qu’en cas de fuite d’hydrogène au niveau d’un équipement du système de distribution d’hydrogène, l’hydrogène issu de la fuite ne risque pas d’exploser à l’intérieur de l’aéronef. La présente invention a notamment pour but d’apporter une solution à ce problème. Elle concerne un aéronef comprenant : - un système de propulsion utilisant de l’hydrogène comme source d’énergie ; - un réservoir d’hydrogène ; - un système de distribution d’hydrogène installé entre le réservoir d’hydrogène et le système de propulsion de façon à alimenter le système de propulsion en hydrogène à partir du réservoir d’hydrogène, le système de distribution d’hydrogène comprenant un ensemble d’équipements. L’aéronef est remarquable en ce que le système de distribution d’hydrogène comprend un caisson étanche à l’air disposé de façon à envelopper au moins un sous-ensemble d’équipements parmi les équipements de l’ensemble d’équipements du système de distribution d’hydrogène, et en ce que le caisson étanche est raccordé à une canalisation de l’aéronef débouchant à l’extérieur de l’aéronef, une pompe à vide étant montée en série sur la canalisation et commandée de façon à maintenir une pression à l’intérieur du caisson inférieure ou égale à une pression prédéterminée. Ainsi, si une fuite d’hydrogène vient à se produire au niveau d’un équipement du système de distribution d’hydrogène situé à l’intérieur du caisson, au moins une partie de l’hydrogène issu de la fuite est évacué vers l’extérieur de l’aéronef via la canalisation. De plus, le fait que la pression à l’intérieur du caisson soit inférieure à la pression prédéterminée permet de garantir que de l’hydrogène contenu dans le caisson ne risque pas d’exploser sans un apport d’une énergie d’activation minimale correspondant à cette pression prédéterminée. Plus la pression prédéterminée est petite, plus l’énergie d’activation minimale nécessaire pour déclencher une explosion est élevée et par conséquent, plus le risque d’explosion est faible. La valeur de la pression prédéterminée est choisie de telle façon que l’énergie d’activation correspondant à cette valeur de pression soit supérieure d’une marge prédéterminée à une énergie d’activation susceptible d’être mise en œuvre dans le caisson. Selon différents modes de réalisation pouvant être pris isolément ou en combinaison : - la pression prédéterminée est choisie dans un intervalle [0,05 bar ; 0,2 bar], de préférence égale à 0,1 bar ; - la pompe à vide est une pompe à vide mécanique ou électromécanique ; - l’aéronef comprend en outre un clapet anti-retour monté en série sur la canalisation en aval de la pompe à vide ; - l’aéronef comprend en outre une pompe à air et la pompe à vide est une pompe à vide à jet d’air dont le jet d’air est issu de la pompe à air ; - l’aéronef comprend en outre un clapet anti-retour monté en série sur la canalisation, entre le caisson et la pompe à vide ; - outre ledit au moins un sous-ensemble d’équipements du système de distribution d’hydrogène, le caisson est disposé de façon à envelopper en outre au moins un équipement de distribution d’air ou au moins un équipement utilisant à la fois de l’air et de l’hydrogène ; - le caisson est équipé d’une porte dite de surpression, prévue pour s’ouvrir en cas d’explosion à l’intérieur du caisson ; - l’aéronef comporte au moins deux pompes à vide montées en série ou en parallèle sur la canalisation ; - le caisson est raccordé en outre à une deuxième canalisation de l’aéronef débouchant à l’extérieur de l’aéronef, une deuxième pompe à vide étant montée en série sur la deuxième canalisation et commandée de façon à maintenir une pression à l’intérieur du caisson inférieure ou égale à la pression prédéterminée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures annexées. La est une vue d’un aéronef comprenant un système de distribution d’hydrogène. La illustre de façon schématique un système de distribution d’hydrogène d’un aéronef, conforme à un mode de réalisation de l’invention. La illustre de façon schématique un système de distribution d’hydrogène d’un aéronef, conforme à un mode de réalisation de l’invention. La illustre de façon schématique une pompe à vide à jet d’air utilisée dans le mode de réalisation correspondant à la . La représente 4 courbes correspondant à différentes pressions d’un mélange gazeux contenant de l’hydrogène, pour lesquelles l’axe des ordonnées correspond à une énergie minimum d’ignition en mJ du mélange gazeux et l’axe des abscisses correspond à une concentration d’hydrogène en pourcents dudit mélange gazeux. L’aéronef 1 représenté sur la comprend des systèmes de propulsion 3 alimentés en hydrogène, ainsi qu’un réservoir d’hydrogène 12. De façon non limitative de l’invention, le réservoir 12 est implanté dans un fuselage 2 de l’aéronef. L’aéronef comprend aussi un système de distribution d’hydrogène 16 installé entre le réservoir d’hydrogène 12 et un système de propulsion 3 de façon à alimenter le système de propulsion en hydrogène à partir du réservoir d’hydrogène. Le système de distribution d’hydrogène comprend un ensemble d’équipements non représentés tels par exemple que des pompes, des vannes, des tuyaux, etc. Il comprend en outre au moins un caisson 18 étanche à l’air disposé de façon à envelopper au moins un sous-ensemble d’équipements parmi les équipements de l’ensemble d’équipements du système de distribution d’hydrogène. Comme illustré sur la , le caisson étanche 18 est traversé par une canalisation d’hydrogène 16a reliant les équipements situés dans le caisson étanche à une partie du système de distribution d’hydrogène 16 extérieure au caisson étanche. Le caisson 18 est raccordé à une canalisation 20 de l’aéronef débouchant à l’extérieur de l’aéronef par une extrémité 21. Une pompe à vide 22a est montée en série sur la canalisation 20 et commandée de façon à maintenir, à l’intérieur du caisson 18, une pression inférieure ou égale à une pression prédéterminée. La pompe à vide 22a est par exemple une pompe à vide de type mécanique ou électromécanique. De façon avantageuse, la pompe à vide 22a est de type antidéflagrant. De façon particulière, outre ledit au moins un sous-ensemble d’équipements du système de distribution d’hydrogène, le caisson est disposé de façon à envelopper en outre au moins un équipement de distribution d’air et/ou au moins un équipement utilisant à la fois de l’air et de l’hydrogène tel en particulier qu’une pile à combustible. De façon particulière, la pompe à vide 22a est commandée par un contrôleur électronique 40. Le contrôleur électronique 40 comprend par exemple un microprocesseur, un microcontrôleur ou un réseau logique programmable, en particulier de type FPGA (« Field Programmable Gate Array » en anglais). Le caisson étanche 18 est équipé d’un capteur de pression 32 dont une sortie est reliée au contrôleur électronique 40 qui commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a en fonction de valeurs de pression mesurées par le capteur de pression 32. Lorsque la pression mesurée par le capteur de pression 32 est supérieure à une valeur de pression prédéterminée, le contrôleur électronique 40 commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a de façon à faire diminuer la pression dans le caisson étanche 18. Lorsque la pression mesurée par le capteur de pression 32 est inférieure ou égale à la valeur de pression prédéterminée, à une hystérésis près, le contrôleur électronique 40 commande l’arrêt de la pompe à vide 22a. La valeur de pression prédéterminée est par exemple choisie dans un intervalle [0,05 bar ; 0,2 bar], de préférence égale à 0,1 bar. Les courbes illustrées sur la représentent une énergie minimum d’ignition E (en milli-Joules) qu’il est nécessaire de fournir pour provoquer une explosion d’un mélange gazeux comprenant de l’air et de l’hydrogène (H2), en fonction d’un pourcentage de concentration de l’hydrogène dans l’air. L’échelle des ordonnées est logarithmique. Ces courbes correspondent à différentes pressions du mélange gazeux : C1 correspond à une pression de 1 bar, C2 correspond à une pression de 0,5 bar, C3 correspond à une pression de 0,33 bar et C4 correspond à une pression de 0,2 bar. Ainsi, pour une pression de 0,2 bar, l’énergie minimum d’ignition qu’il est nécessaire d’apporter est supérieure à 0,5 mJ, quelle que soit la concentration d’hydrogène dans l’air, comme représenté par la courbe C4. Cette énergie minimum d’ignition présente une marge de sécurité par rapport à une énergie minimum d’ignition d’environ 0,2 mJ correspondant à un mélange gazeux contenant des vapeurs de kérosène à pression ambiante (1 bar), laquelle est considérée acceptable du point de vue de la sécurité de l’aéronef. Le choix de la valeur prédéterminée dans l’intervalle [0,05 bar ; 0,2 bar] permet donc de garantir la sécurité de l’aéronef. De plus, une telle valeur de pression choisie dans cet intervalle de valeurs de pression ne requiert pas un vide très poussé, ce qui est facile à mettre en œuvre sans nécessiter d’utiliser des matériels coûteux et lourds (pompes à vide, qualité du caisson étanche 18, etc.). Par exemple, il est ainsi possible de prévoir un caisson étanche plus facile à maintenir que s’il devait permettre un vide poussé (par exemple 0,01 mBar) : ainsi, le caisson étanche est par exemple équipé de portes permettant l’accès aux équipements contenus à l’intérieur pour en assurer la maintenance. De simples joints d’étanchéité au niveau desdites portes sont suffisants pour permettre d’obtenir une pression choisie dans l’intervalle de valeurs de pression précité. Cela facilite aussi les opérations de maintenance puisque qu’il n’est pas nécessaire de faire un vide poussé, long à mettre en œuvre, après ces opérations de maintenance. De plus, même si une énergie supérieure à l’énergie minimum d’ignition venait à être fournie au mélange gazeux contenu à l’intérieur du caisson étanche 18, entraînant une explosion du mélange gazeux, étant donné que la pression dans le caisson étanche est choisie dans l’intervalle précité, la surpression résultant de l’explosion serait de faible valeur et les conséquences seraient très amoindries par rapport à une explosion survenant à pression ambiante. Dans un mode particulier de réalisation, le caisson 18 comprend en outre une porte dite anti-surpression, prévue pour s’ouvrir en cas d’explosion. Cela permet alors d’amoindrir encore les conséquences d’une explosion du mélange gazeux contenu à l’intérieur du caisson étanche 18. Dans un mode de réalisation, la canalisation 20 est équipée d’un clapet anti-retour 24 en amont de la pompe à vide 22a, qui permet de maintenir le niveau de pression dans le caisson étanche 18 lorsque la pompe à vide est arrêtée, en évitant l’entrée d’air dans le caisson étanche 18 depuis la canalisation 20. Dans un mode de réalisation, la canalisation 20 est équipée d’un clapet anti-retour 26 en aval de la pompe à vide 22a, qui permet d’éviter l’ingestion d’air ambiant par la pompe à vide 22a lorsque celle-ci est arrêtée. De façon avantageuse, un deuxième capteur de pression 30, dont une sortie est reliée au contrôleur électronique 40, est installé en entrée de la pompe à vide 22a. Le contrôleur 40 commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a en fonction en outre de valeurs de pression mesurées par le capteur de pression 30. Dans un mode de réalisation, le contrôleur 40 commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a lorsque la pression mesurée par le capteur de pression 30, majorée d’une marge de pression prédéterminée, est supérieure à la pression à l’intérieur du caisson étanche 18 mesurée par le capteur de pression 32. Cela permet d’économiser le fonctionnement de la pompe à vide 22a dans certaines phases de vol de l’aéronef pour lesquelles la pression atmosphérique à l’extérieur de l’aéronef est inférieure à la valeur de pression prédéterminée. De façon avantageuse, une canalisation de bypass est prévue en parallèle de la pompe à vide. Cette canalisation de bypass est équipée d’une vanne d’arrêt commandée par le contrôleur 40 de telle façon que cette vanne soit à l’état fermé lorsque la pompe à vide fonctionne et cette vanne soit à l’état ouvert lorsque la pompe à vide est à l’arrêt. De façon avantageuse encore, le caisson étanche 18 est équipé d’un capteur 34 de concentration d’hydrogène dans l’air. Une sortie du capteur 34 est reliée au contrôleur électronique 40 qui commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a en fonction de valeurs de concentration d’hydrogène dans l’air mesurées par le capteur 34. Lorsque la concentration d’hydrogène dans l’air mesurée par le capteur de pression 32 est supérieure à une valeur de concentration prédéterminée, le contrôleur électronique 40 commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a de façon à évacuer de l’hydrogène contenu dans le caisson étanche, même si la pression dans le caisson étanche 18 telle que mesurée par le capteur de pression 32 est inférieure à la valeur de pression prédéterminée. Cela permet de réduire le risque d’explosion du mélange gazeux contenu dans le caisson étanche 18 lorsqu’une fuite d’hydrogène se produit au niveau d’un équipement enveloppé par le caisson étanche 18. De façon avantageuse encore, le caisson étanche 18 est équipé d’un capteur (non représenté) de concentration d’oxygène dans l’air. Une sortie du capteur est reliée au contrôleur électronique 40 qui commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a en fonction de valeurs de concentration d’oxygène dans l’air mesurées par le capteur. Lorsque la concentration d’oxygène dans l’air mesurée par le capteur de pression 32 est supérieure à une valeur de concentration prédéterminée, le contrôleur électronique 40 commande le fonctionnement de la pompe à vide 22a de façon à évacuer de l’oxygène contenu dans le caisson étanche, même si la pression dans le caisson étanche 18 telle que mesurée par le capteur de pression 32 est inférieure à la valeur de pression prédéterminée. Cela permet de réduire la concentration d’oxygène dans l’air et donc le risque d’explosion du mélange gazeux contenu dans le caisson étanche 18 si une fuite d’hydrogène vient à se produire au niveau d’un équipement enveloppé par le caisson étanche 18. Le mode de réalisation représenté sur la est similaire à celui représenté sur la , à ceci près que la pompe à vide 22a (par exemple de type mécanique ou électromécanique) est remplacée par une pompe à vide 22b de type à jet d’air. Une pompe à air 36 de type mécanique ou électromécanique permet de fournir un jet d’air nécessaire au fonctionnement de la pompe à vide 22b de type à jet d’air, via une canalisation d’air 38, comme illustré plus en détail sur la . Le jet d’air fourni par la pompe à air 36 sort par une buse 38a dans la pompe à vide 22b et il permet de créer une aspiration dans la pompe à vide 22b et dans la canalisation 20 en amont de la pompe à vide 22b, ce qui permet d’aspirer le mélange gazeux contenu dans le caisson étanche 18. La pompe à vide de type à jet d’air présente l’avantage d’être intrinsèquement antidéflagrante puisqu’elle ne comporte pas d’élément mécanique en mouvement ou d’élément électromécanique. De façon avantageuse, le caisson étanche 18 est raccordé à au moins deux canalisations similaires à la canalisation 20 précitée, chacune équipée d’au moins une pompe à vide 22a ou 22b. Cela permet une redondance et donc une meilleure sécurité de fonctionnement. De façon avantageuse encore, la canalisation 20 est équipée d’au moins deux pompes à vide montées en série ou en parallèle. Cela permet une redondance des pompes à vide et donc une meilleure disponibilité des pompes à vide et par conséquent une meilleure sécurité de fonctionnement. Dans les différents modes de réalisation, étant donné que la pression dans le caisson étanche 18 est contrôlée à une valeur inférieure à la pression prédéterminée choisie dans l’intervalle [0,05 bar ; 0,2 bar], la pression dans le caisson étanche 18 est inférieure à la pression de l’air ambiant entourant le caisson étanche (pression ambiante environ égale à 1 bar). Par conséquent, même si le caisson étanche à l’air n’est pas parfaitement étanche à l’hydrogène gazeux, en cas de fuite d’hydrogène au niveau d’un équipement enveloppé par le caisson étanche 18, de l’hydrogène gazeux ne risque pas de sortir à l’extérieur du caisson étanche 18, du fait du différentiel de pression. Cela permet d’utiliser un caisson étanche moins cher à fabriquer et plus léger. De plus, du fait du fonctionnement de l’invention, toutes les fuites d’hydrogène ou d’air vers l’intérieur du caisson sont pompées et évacuées à l’extérieur de l’aéronef. Ces fuites peuvent aussi bien correspondre à des conditions normales de fonctionnement (imperfection des joints d’étanchéité du caisson 18, légères fuites d’hydrogène au niveau des équipements enveloppés par le caisson 18, etc.) qu’à des conditions de panne (fuite avérée d’hydrogène au niveau d’un équipement enveloppé par le caisson 18). 1) Aéronef (1) comprenant : - un système de propulsion (3) utilisant de l’hydrogène comme source d’énergie ; - un réservoir d’hydrogène (12) ; - un système (16) de distribution d’hydrogène installé entre le réservoir d’hydrogène et le système de propulsion de façon à alimenter le système de propulsion en hydrogène à partir du réservoir d’hydrogène, le système de distribution d’hydrogène comprenant un ensemble d’équipements, caractérisé en ce que le système de distribution d’hydrogène comprend un caisson (18) étanche à l’air disposé de façon à envelopper au moins un sous-ensemble d’équipements parmi les équipements de l’ensemble d’équipements du système de distribution d’hydrogène, et en ce que le caisson étanche est raccordé à une canalisation (20) de l’aéronef débouchant à l’extérieur de l’aéronef, une pompe à vide (22a, 22b) étant montée en série sur la canalisation (20) et commandée de façon à maintenir une pression à l’intérieur du caisson étanche inférieure ou égale à une pression prédéterminée. 2) Aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression prédéterminée est choisie dans un intervalle [0,05 bar ; 0,2 bar, de préférence égale à 0,1 bar. 3) Aéronef selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pompe à vide (22a) est une pompe à vide mécanique ou électromécanique. 4) Aéronef selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un clapet anti-retour (26) monté en série sur la canalisation (20) en aval de la pompe à vide (22a, 22b). 5) Aéronef selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une pompe à air (36) et la pompe à vide est une pompe à vide à jet d’air (22b) dont le jet d’air est issu de la pompe à air (36). 6) Aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un clapet anti-retour (24) monté en série sur la canalisation (20), entre le caisson étanche (18) et la pompe à vide. 7) Aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, outre ledit au moins un sous-ensemble d’équipements du système de distribution d’hydrogène (16), le caisson étanche (18) est disposé de façon à envelopper en outre au moins un équipement de distribution d’air ou au moins un équipement utilisant à la fois de l’air et de l’hydrogène. 8) Aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caisson étanche (18) est équipé d’une porte dite de surpression, prévue pour s’ouvrir en cas d’explosion à l’intérieur du caisson étanche (18). 9) Aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux pompes à vide (22a, 22b) montées en série ou en parallèle sur la canalisation (20). 10) Aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caisson étanche (18) est raccordé en outre à une deuxième canalisation de l’aéronef débouchant à l’extérieur de l’aéronef, une deuxième pompe à vide étant montée en série sur la deuxième canalisation et commandée de façon à maintenir une pression à l’intérieur du caisson étanche (18) inférieure ou égale à la pression prédéterminée.