Brevet FR3159152A1 — publié le 20250815

Réservoir d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial L’invention concerne un réservoir d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial, comprenant une paroi délimitant un volume de stockage pour l’ergol cryogénique, la paroi étant en matériau composite et comprenant un renfort fibreux sous la forme d’un empilement (110) fibreux qui est densifié par une matrice organique, l’empilement fibreux comprenant au moins en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur (E) de la paroi : (a) un premier pli (113) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, (b) un deuxième pli (115) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de -β°, (c) un troisième pli (117) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et (d) un quatrième pli (119) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +β°, avec α compris entre 5° et 20° et β compris entre 40° et 50°, chaque angle étant pris par rapport à un axe longitudinal du réservoir. Figure pour l’abrégé : Fig. 4. Réservoir d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial Le présent exposé concerne un réservoir d’ergol cryogénique en matériau composite pour un moteur d’engin spatial présentant des propriétés mécaniques et une étanchéité améliorées aux basses températures. Les moteurs de lanceurs spatiaux consomment typiquement des ergols cryogéniques stockés dans des réservoirs dédiés. Les ergols cryogéniques sont maintenus à des températures très basses de l’ordre de 90 K pour l’oxygène, 20 K pour l’hydrogène ou 110 K pour le méthane. Les matériaux composites ont été proposés comme une alternative intéressante aux matériaux métalliques afin d’alléger la masse du réservoir. Il est néanmoins possible d’améliorer les solutions composites existantes en termes de maintien de l’étanchéité et de conservation des propriétés mécaniques aux faibles températures mises en jeu. Le présent exposé concerne un réservoir d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial, comprenant une paroi délimitant un volume de stockage pour l’ergol cryogénique, la paroi étant en matériau composite et comprenant un renfort fibreux sous la forme d’un empilement fibreux qui est densifié par une matrice organique, l’empilement fibreux comprenant au moins en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur de la paroi : (a) un premier pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, (b) un deuxième pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de -β, (c) un troisième pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et (d) un quatrième pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +β, avec α compris entre 5° et 20° et β compris entre 40° et 50°, chaque angle étant pris par rapport à un axe longitudinal du réservoir. Les premier et troisième plis ayant l’orientation +/- α décrite ci-dessus sont relativement peu désorientés l’un par rapport à l’autre ce qui confère à la paroi du réservoir une bonne reprise des efforts qui s’exercent lorsque le réservoir est rempli et mis à froid. Les inventeurs ont néanmoins constaté que l’utilisation seule des premier et troisième plis pouvait conduire à une perte d’étanchéité du réservoir si des fissures matricielles apparaissaient lesquelles pouvaient alors générer un réseau de fissures de longueur importante dans le pli concerné ainsi que dans le ou les plis adjacents. Pour répondre à cet inconvénient, l’invention propose d’ajouter à l’empilement les deuxième et quatrième plis décrits ci-dessus lesquels sont suffisamment désorientés par rapport aux premier et troisième plis pour limiter l’ouverture des fissures matricielles en minimisant les interactions entre plis adjacents, mais dont la désorientation reste limitée pour ne pas générer de contraintes thermomécaniques trop importantes lors de la mise à froid du réservoir. Dans un exemple de réalisation, α est compris entre 13° et 17°, par exemple est sensiblement égal à 15°. Dans un exemple de réalisation, β est compris entre 43° et 47°, par exemple est sensiblement égal à 45°. Une telle caractéristique permet avantageusement de limiter davantage encore l’ouverture des fissures matricielles, sans générer de contraintes thermomécaniques trop importantes lors de la mise à froid. Dans un exemple de réalisation, l’empilement fibreux comprend en outre un pli additionnel de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et le premier pli étant situé entre ledit pli additionnel et le deuxième pli. Une telle caractéristique permet avantageusement de limiter davantage encore le taux de fissuration au sein de la paroi. Dans un exemple de réalisation, chaque pli de l’empilement fibreux a une épaisseur inférieure ou égale à 150 µm, par exemple inférieure ou égale à 100 µm. L’utilisation de plis fins permet de retarder davantage encore l’initiation de la fissuration matricielle. Dans un exemple de réalisation, l’empilement fibreux est en fibres de carbone. Dans un exemple de réalisation, la matrice organique est une matrice époxy. Dans un exemple de réalisation, le volume interne contient du dihydrogène à l’état liquide. En variante, le volume de stockage contient du dioxygène à l’état liquide. L’invention concerne également un moteur d’engin spatial comprenant un réservoir d’ergol cryogénique tel que décrit plus haut. Brève description des dessins FIG. 1 La FIG. 1 illustre, de manière schématique et partielle, l’effet d’interaction des fissures entre plis superposés adjacents dans le cadre d’un réservoir hors invention. FIG. 2 La FIG. 2 illustre, de manière schématique et partielle, l’effet d’ouverture des fissures au sein de plis superposés adjacents sous chargement de traction dans le cadre d’un réservoir hors invention. FIG. 3 La FIG. 3 illustre, de manière schématique et partielle, un exemple de réservoir selon l’invention. FIG. 4 La FIG. 4 illustre, de manière schématique et partielle, un exemple d’empilement fibreux formant le renfort de la paroi du réservoir de la FIG. 3 . L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière. Les figures 1 et 2 concernent un réservoir composite hors invention dont le renfort ne comprend qu’un empilement de plis 10 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, et de plis 30 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, avec α compris entre 5° et 20° et chaque angle étant pris par rapport à un axe longitudinal du réservoir. Vis-à-vis des sollicitations d’origine thermomécanique (induites par la mise à froid du réservoir), les empilements permettant de limiter au maximum les contraintes dans les différents plis sont constitués de plis d’orientation la plus proche possible (i.e. cas le plus favorable : deux plis adjacents de même orientation ; cas le plus défavorable : deux plis adjacents d’orientations α° et α°+90°). En effet, dans le cas des composites unidirectionnels, la dilatation thermique est fortement anisotrope : dans la direction des fibres, le matériau se dilate très peu tandis qu’il se dilate significativement dans le sens perpendiculaire aux fibres. Ainsi, lorsque l’on empile des plis fortement désorientés les uns par rapport aux autres, une variation de température importante, comme dans le cas de la mise à froid du réservoir, va générer des contraintes internes très importantes, réduisant la capacité de l’empilement à reprendre les efforts d’origine mécanique (pression interne du réservoir). Aussi, vis-à-vis de l’initiation de fissures matricielles pouvant conduire à la non-étanchéité du réservoir, il serait souhaitable de minimiser l’angle entre deux plis adjacents. Toutefois, en cas d’initiation de ces fissures, leur propagation génère un réseau de fissures de longueur importante dans le pli concerné et initie des fissures dans les plis adjacents. La FIG. 1 illustre cet effet d’interaction en désignant par FM30 la fissure matricielle se propageant dans le pli 30, et par FM10 la fissure matricielle initiée dans le pli 10 adjacent au pli 30. Ces fissures résultent en une augmentation du nombre de points de fuite, et dégradent alors fortement l’étanchéité du réservoir d’autant qu’aucune fibre ne bloque leur ouverture en pression interne. La FIG. 2 illustre cette ouverture des fissures, notée OFM, sous l’effet du flux de traction FT. La FIG. 3 illustre un exemple de réservoir 100 selon l’invention qui renferme un ergol cryogénique 108, en particulier du dihydrogène à l’état liquide, dans le volume V de stockage, étant entendu que l’invention peut être appliquée au stockage d’autres fluides cryogéniques. A titre illustratif, la pression interne régnant au sein du volume V peut être d’au moins 10 bar. Le réservoir 100 comprend une paroi 102 qui délimite le volume V. La paroi 102 est en matériau composite à matrice organique et comprend un renfort fibreux dont la structure sera décrite plus en détails en lien avec la FIG. 4 . La paroi définit un corps 103, ici de forme généralement cylindrique, qui est solidaire avec des fonds 104. Les fonds 104 peuvent être monoblocs (d’un seul tenant) avec le corps 103. Le réservoir 100, ainsi que le corps 103, s’étendent le long d’un axe X longitudinal. Les fonds 104 délimitent le réservoir le long de l’axe X. Dans l’exemple illustré, un des fonds 104 est muni d’un port 106 qui est, de manière connue en soi, destiné à être en communication avec un circuit (non représenté) comprenant une turbopompe apte à transmettre l’ergol cryogénique 108 du réservoir 100 vers une chambre de combustion, lorsque le réservoir 100 est intégré au sein d’un moteur d’engin spatial. Cette communication est matérialisée par la flèche C à la FIG. 3 . Le moteur peut en outre comprendre un deuxième réservoir contenant un deuxième ergol cryogénique qui est destiné à être apporté et à réagir avec le premier ergol dans la chambre de combustion pour générer la poussée. A titre d’exemple, le premier ergol peut être le dihydrogène et le deuxième ergol le dioxygène. La paroi 102 comprend un renfort fibreux, par exemple en fibres de carbone, qui est densifié par une matrice organique, comme une matrice époxy. Le renfort fibreux est, dans l’exemple illustré, sous la forme d’un empilement fibreux 110 formé d’une superposition de plis de fibres unidirectionnelles ayant des orientations particulières. L’empilement 110 comprend en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur E de la paroi 102 : - un premier pli 113 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, - un deuxième pli 115 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de -β, en contact avec le premier pli 113, - un troisième pli 117 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, en contact avec le deuxième pli 115, et - un quatrième pli 119 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +β, en contact avec le troisième pli 117, avec α compris entre 5° et 20° et β compris entre 40° et 50° et, dans l’exemple illustré, égal à 45°, chaque angle étant pris par rapport à l’axe X. Dans l’exemple illustré, l’empilement 110 comprend en outre un pli additionnel 111 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, en contact avec le premier pli 113, le premier pli 113 étant situé entre ledit pli additionnel 111 et le deuxième pli 115. Ainsi, l’empilement illustré comprend en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur E de la paroi 102 : - le pli additionnel 111, - le premier pli 113 en contact avec le pli additionnel 111, - le deuxième pli 115 en contact avec le premier pli 113, - le troisième pli 117 en contact avec le deuxième pli 115, et - le quatrième pli 119 en contact avec le troisième pli 117. Selon une variante non illustrée, on peut s’affranchir du pli additionnel 111. Selon une variante non illustrée, l’empilement qui vient d’être décrit peut être répété dans le sens de l’épaisseur E de la paroi 102 avec une symétrie miroir (symétrie par rapport à une nappe médiane de l’empilement). Quel que soit l’exemple considéré, α peut être compris entre 13° et 17° et/ou β peut être compris entre 43° et 47°. Quel que soit l’exemple considéré, chaque pli 111-119 de l’empilement 100 peut avoir une épaisseur ep inférieure ou égale à 150 µm, par exemple inférieure ou égale à 100 µm. D’une manière générale, l’empilement 110 peut être fabriqué par drapage manuel ou par placement automatique de fibres (« Automated Fiber Placement » ; « AFP ») sur un mandrin ayant la forme du réservoir 100 à obtenir. L’empilement 110 peut ensuite être imprégné d’une résine destinée à former la matrice organique. Cette imprégnation peut être réalisée par une technique connue en soi comme le moulage par transfert de résine (« Resin Transfer Molding » ; « RTM ») ou l’infusion. Selon une variante, l’empilement 110 est réalisé à partir de plis pré-imprégnés par la résine. La résine peut être thermoplastique ou thermodurcissable. Dans ce dernier cas, un traitement thermique de réticulation de la résine est réalisé après l’imprégnation. Le réservoir 100 peut être un réservoir de premier étage ou de deuxième étage de lanceur spatial. L’effet de l’invention sur la perméabilité du matériau sous charge a été observé lors d’essais de type « bulge test ». Ces essais visent à pressuriser des éprouvettes composites en environnement cryogénique (jusqu’à 20K) et identifier l’instant où le taux de fuite à l’hélium augmente significativement. Les essais ont porté sur deux types de composites représentatifs d’une paroi de réservoir. Le premier, hors invention, ne comprenait qu’une alternance de plis unidirectionnels à -α et +α, avec 5° FIG. 4 . Dans chacun des composites, les plis avaient une épaisseur de 76 µm. Les plis étaient en fibres de carbone commercialisées sous la référence HexTow® IMA par la société Hexcel et densifiés par une résine époxy M56 de la société Hexcel. Une fuite prématurée importante (à 3 bars), due à des fissurations matricielles de longueur importante comparativement à la zone utile des éprouvettes, a été observée pour le premier composite hors invention. L’apparition de la fuite a été significativement retardée pour le second composite selon l’invention. Dans ce cas, la pression de fuite était prévue entre 9 et 14 bars et celle-ci a été mesurée à 13 bars pour un spécimen et 15 bars pour un autre spécimen. De plus, bien qu’une fuite ait été observée lors de ces essais, aucune fissure n’a pu être observée lors des analyses tomographiques post-mortem avec une résolution de 40 µm. Le réseau de fissures généré semblait donc constitué de fissures de longueur très faible et probablement refermées lors de la dépressurisation du spécimen. L’expression « compris entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes. Réservoir (100) d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial, comprenant une paroi (102) délimitant un volume (V) de stockage pour l’ergol cryogénique, la paroi étant en matériau composite et comprenant un renfort fibreux sous la forme d’un empilement (110) fibreux qui est densifié par une matrice organique, l’empilement fibreux comprenant au moins en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur (E) de la paroi : (a) un premier pli (113) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, (b) un deuxième pli (115) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de -β, (c) un troisième pli (117) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et (d) un quatrième pli (119) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +β, avec α compris entre 5° et 20° et β compris entre 40° et 50°, chaque angle étant pris par rapport à un axe (X) longitudinal du réservoir. Réservoir (100) selon la revendication 1, dans lequel α est compris entre 13° et 17°. Réservoir (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel β est compris entre 43° et 47°. Réservoir (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’empilement (110) fibreux comprend en outre un pli (111) additionnel de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et dans lequel le premier pli (113) est situé entre ledit pli additionnel et le deuxième pli (115). Réservoir (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque pli (111-119) de l’empilement (110) fibreux a une épaisseur ( ep ) inférieure ou égale à 150 µm. Réservoir (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’empilement (110) fibreux est en fibres de carbone. Réservoir (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la matrice organique est une matrice époxy. Réservoir (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le volume (V) de stockage contient du dihydrogène à l’état liquide. Réservoir (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le volume (V) de stockage contient du dioxygène à l’état liquide. Moteur d’engin spatial comprenant un réservoir (100) d’ergol cryogénique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.