BRPI0616028A2 - tanque de propelente para lìquidos criogênicos - Google Patents

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Abstract

TANQUE DE PROPELENTE PARA LìQUIDOS CRIOGêNICOS. A presente invenção refere-se a um tanque de propelente, que serve principalmente para armazenagem de combustíveis criogênicos, por exemplo de naves espaciais e que é operado com um gás propelente servindo como meio transportador, a separação do propelente do gás propelente é feita em um dispositivo de retirada de propelente por meio de crivo e com aproveitamento de forças hidrostáticas e forças capilares. O dispositivo de retirada possui a forma de um reservatório recarregável, que é disposto nas proximidades do fundo do tanque fora da cuba do tanque na região de fundo do tanque de propelente e está unido com o interior do tanque de pro- pelente através de um número de furos. O próprio dispositivo de retirada consiste em uma caixa de parede dupla e é adicionalmente e termicamente isolado. Chapas capilares e reforços adicionais estão dispostos em forma de L no reservatório. Além disso, para impedir amplamente a penetração de gás proveniente do conduto de propelente está disposto um crivo plissado, cilíndrico, na extremidade do conduto de propelente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TANQUE DEPROPELENTE PARA LÍQUIDOS CRIOGÊNICOS".
A presente invenção refere-se a um tanque de propelente, espe-cialmente a um tanque para armazenagem de líquidos criogênicos para aoperação de aeronaves, com um gás propelente servindo como meio trans-portador, bem como com ao menos um dispositivo de retirada em forma deum reservatório recarregável, em que com aproveitamento da tensão super-ficial é produzida uma separação do propelente do gás propelente.
Em espaçonaves freqüentemente gases propelentes servempara o transporte do propelente dos tanques de propelente para a câmara decombustão ou reação. Em líquido criogênicos se emprega usualmente comogás propelente hélio (He), que ativa o recipiente de propelente e assim pres-siona o propelente para dentro do sistema de canalização conduzindo aorespectivo dispositivo motriz. Importante nesse tanque, como se conhece porexemplo da DE 101 17 557 A1, é então uma completa e segura separaçãoentre o gás propelente servindo como meio transportador e o propelentechegando ao dispositivo motriz, pois este último deve ser incondicionalmentelivre de depósitos de gás alheio quando de sua ignição.
Devido a sua maior eficácia com peso simultaneamente menor,são preferidos, se possível, combustíveis criogênicos aos combustíveis lí-quidos convencionais, como por exemplo MMH. A desvantagem no caso decombustíveis criogênicos é, contudo, que eles não são passíveis de arma-zenagem à temperatura ambiente, diferentemente de combustíveis conven-cionais. Hidrogênio líquido, também chamado de LH2, a uma temperatura decerca de -243,15QC (30 K) por exemplo passa ao estado gasoso, de modoque é indispensável um suficiente isolamento do tanque de propelente paragarantir a armazenabilidade por um período de tempo suficiente. Isso se a-plica similarmente ao oxigênio líquido (LOX), que é empregado com o LH2 earmazenado em tanques separados. Um isolamento do tanque de propelen-te com armazenagem mais longa é necessário devido às atuações térmicasinclusive por radiação solar e componentes quentes como mecanismos mo-trizes.À diferença de um emprego de combustíveis não criogênicos,armazenáveis, em combustíveis criogênicos a parede de tanque em geralmais quente pode levar à ebulição do líquido nas proximidades da parede dotanque, dificultando um transporte do propelente isento de bolhas. Especial-mente, o isolamento térmico do reservatório formando o dispositivo de reti-rada para se evitar a formação de gás dentro do reservatório e a configura-ção de chapas condutoras dispostas no reservatório são, portanto, exigên-cias especiais a um tanque desse tipo. Essas chapas condutoras são entãode tal maneira dispostas dentro do reservatório que o líquido no reservatórioé posicionado de modo estável e bolhas de gás são expelidas de volta doreservatório para o tanque. Esse efeito de retenção é auxiliado pela modifi-cação local da pressão capilar.
Um problema adicional é o transporte de propelente isento debolhas sob o estado da ausência de gravidade. Um transporte de propelente isento de bolhas pode ser obtido, por exemplo, mediante a uma pré-aceleração por meio de foguetes adicionais adicionalmente carregados. Es-sa pré-seleção leva então a uma reorientação e posicionamento do líquidonas proximidades do tubo de saída. A operação de ignição inclui então inici-almente que ocorra uma fase de resfriamento do sistema de condução paraa temperatura operacional, seguida pela fase de ignição propriamente ditados propelentes. Na fase de resfriamento propelente líquido, extremamentefrio, é transportado do tanque de propelente para o sistema de condução.Também para essa fase de resfriamento a invenção pode fornecer propelen-te ilimitadamente. Uma ignição do mecanismo propelente só ocorre quandodepois do resfriamento para a temperatura operacional todo o sistema estáisento de bolhas.
Constitui objetivo da invenção configurar de tal maneira um tan-que de propelente do tipo mencionado no início que, quando do emprego decombustíveis criogênicos, alternativamente a uma pré-aceleração, garantaum transporte de propelente isento de bolhas pelo aproveitamento de forçashidrostáticas, bem como de forças capilares.
A invenção atinge esse objetivo por um tanque de propelente,em que o dispositivo de retirada está disposto na região inferior no lado ex-terno da parede do tanque. Esse reservatório está unido através de abertu-ras de preferência circulares na parede do tanque com o interior do tanquede propelente, de modo que o líquido possa fluir para o reservatório.
Na forma de execução preferida da invenção, o reservatório éprovido de um isolamento bem como de uma queda de calor e é assim a -propriado especialmente para tanques toroidais bem como tanques comfundo intermediário, como são empregados ou venham a ser empregados nofuturo em forma similar por exemplo, como os tanques de LH2 no estágiosuperior criogênico ESC-A ou no ESC-B planejado do Ariane 5.
A configuração do dispositivo de retirada previsto no tanque depropelente de acordo com a invenção apresenta então a vantagem de que,mesmo a taxas de rotação muito altas em torno do eixo longitudinal do tan-que, pode transportar propelente com um estágio de foguete equipado comesse tanque. É garantido assim, um seguro transporte de propelente mesmocom comportamento não nominal do estágio. O dispositivo de retirada deacordo com a invenção, por exemplo completamente montado, pode ser tes-tado em um posto de teste separado. Além disso, não são necessários ou-tros componentes dentro do tanque de propelente; antes, pelo contrário, odispositivo de retirada pode ser disposto externamente na parede do tanquecomo componente separado. As cubas do tanque consistem em grandestanques, como no tanque ESC-A LH2 do Ariane 5, usualmente, em segmen-tos individuais, de modo que o reservatório pode ser ajustado em um dossegmentos antes das cubas do tanque serem montadas.
A dispensa de uma pré-aceleração e, portanto, da provisão defoguetes adicionais separados possibilita uma economia adicional de peso e,por conseguinte, maior carga útil com múltipla reignição. O reservatório ga-rante um estável posicionamento do propelente na saída e não limita assimo número de reignições, mesmo com graus muito pequenos de carga restan-te no tanque. O número de possíveis reignições é assim dependente apenasda quantidade de propelente respectivamente necessária. Segundo a inven-ção, o tanque é então apropriado da mesma maneira tanto para a conserva-ção de propelente criogênico, como LH2, como também para a conservaçãode oxigênio líquido em forma de LOX.
O tanque de propelente de acordo com a invenção será maisdetalhadamente explicado com auxílio de um exemplo de execução repre-sentado no desenho. Mostram:
figura 1 - um recorte de um tanque de propelente LH2 com umdispositivo de retirada,
figura 2 - um dispositivo de retirada segundo a figura 1, obser-vado de cima e cortado na região do adaptador de crivo,
figura 3 - um recorte de um dispositivo de retirada segundo as
figuras 1 e 2 em representação tridimensional e
figura 4 - um recorte do tubo de saída dentro do dispositivo deretirada segundo as figuras 1 a 3, que é executado como assim chamado"Heat Pipe".
No tanque de propelente representado em um corte parcial nafigura 1, trata-se de um tanque para o alojamento e armazenagem de prope-lente criogênico como elemento parcial de um tanque toroidal, que constitui,em forma similar, por exemplo, a parte inferior do tanque LH2 no estágio su-perior atual ESC-A do foguete Ariane 5. Em geral, tanques toroidais se ca-racterizam pelo fato de que quatro tanques de propelente, dois para LH2 edois para LOX, constituem juntos a forma de um toróide. Com tal execuçãode tanque do exemplo de execução aqui representado para cada tanque depropelente seria empregada uma saída separada.
O tanque de propelente representado na figura 1 consiste emduas semicubas 1 e 1\ que são unidas entre si e formam um recipiente dealojamento 7 toroidal. Na região de união de ambas as semicubas 1 e 1', aparede do tanque forma assim uma curvatura muito acentuada, de modoque no estado sem gravidade os líquidos se acumulam de preferência nessaregião. Ademais, nessa região a diferença de pressão capilar é particular-mente alta, de modo que ocorre um efeito de bombeamento na direção des-se canto. Essa região do tanque de propelente é, portanto, especialmentebem apropriada para, como mostrado na figura 1, se dispor aqui um disposi-tivo de retirada em forma de um reservatório 2 recarregável.
Para garantir um perfeito transporte também durante fases devôo com altas taxas de rotação, o reservatório 2 é de tal maneira dispostopor fora na parede de tanque 1' que o líquido pode se acumular de preferên-cia nesse reservatório 2 mesmo com mera carga spin. O reservatório 2 éexecutado em parede dupla para, como ainda mais detalhadamente explica-do a seguir, minimizar a entrada de calor nesse reservatório 2.
O propelente é aspirado do reservatório 2 através de um crivo 3provido de dobras , isto é "plissado". O crivo tanto tem a função de um crivo de poluentes como também de uma queda de bolhas, que impede ampla-mente a penetração de gás no reservatório 2 proveniente de um conduto depropelente 4 cheio com vapor, durante longas fases balísticas. O conduto depropelente 4, também chamado de tubo de saída, que se encontra segundoa figura 3 por fora do reservatório 2, desemboca no mesmo e termina no a-daptador de crivo 3. Do conduto de propelente 4 para o reservatório 2 o gásque penetra é descarregado através das chapas 5 e 6 previstas no reserva-tório 2 para dentro do recipiente de alojamento 7 do tanque de propelente.Com isso é garantida uma umectação do crivo 3 durante fases balísticas.Para garantir uma taxa de fluxo pelo crivo 3 suficientemente alta, a área decrivo deve ser tão grande quanto possível. Por esse motivo, como se podever na figura 2, dois elementos de crivo 17 cilíndricos com seção transversalem forma de estrela, também descrita como plissada, são dispostos à direitae à esquerda do tubo de saída 4 dentro do reservatório 2. O tubo de saída 4é executado em sua região parcial se estendendo dentro do reservatório 2como assim chamado "Heat Pipe" e possui uma superfície exterior providade ranhuras longitudinais. Assim, o calor penetrante pode ser melhor emitidodo tubo 4 para o líquido. O líquido evaporando na parede do tubo, caracteri-zado com a referência 15 na figura 4, é substituído por líquido que continuaa fluir devido às forças capilares atuantes, de modo que a superfície é no-vãmente umectada nessa região e é evitado um ressecamento da superfíciedo tubo; simultaneamente, graças a esse processo, o calor é descarregadodo tubo 4. A alimentação de calor ao longo do tubo 4 na direção do adapta-dor de crivo 3 é assim reduzida. Na fase de resfriamento realizada antes danova ignição propriamente dita, o tubo deve ainda ser menos acentuada-mente resfriado.
Para minimizar o calor residual alimentado, o reservatório 2, co-mo se pode ver na figura 1, é executado com parede dupla e isolado a vá-cuo. Devido à maior pressão interna do tanque, de cerca de 300 Kpa (3 bar),por motivos estruturais, o reservatório 2 é executado como elemento de cu-ba. Antes da partida, para efeito de um melhor isolamento térmico, no fundopode ser conectada uma bomba de vácuo, que durante essa fase é operadano fundo e pode ser rematada pouco antes da partida. Dentro da parede 8do reservatório 2, executada como parede dupla, está além disso previstoum isolamento adicional em várias camadas, em forma de um assim chama-do isolamento de múltiplas camadas (MLI), que é isolado contra o calor deradiação. Além disso, o reservatório 2 é termicamente isolado adicionalmen-te por fora por espuma isolante 9.
Dentro do reservatório 2, como se pode ver na figura 3, a umadistância de cerca de seis a oito milímetros da parede do reservatório estádisposta uma chapa 6 em forma de L. Perfurações nessa chapa 6 possibili-tam então seu fluxo. Nervuras transversais 5 perpendiculares reforçam achapa 6 em forma de L e promovem, adicionalmente, a expulsão de gás doreservatório 2. As nervuras transversais 5 estão dispostas segundo à figura2 relativamente ao tanque ligeiramente e conicamente entre si. O efeito capi-lar assim obtido ajuda adicionalmente a expulsão de gás ou vapor do reser-vatório 2. No ângulo da chapa 6 em forma de L se encontra o crivo 3 plissa-do, que está unidopor duas chapas extremas perpendiculares e pelo tubo desaída 4 com a chapa 6 em forma de L.
A chapa 6 está unida com a parede de reservatório 10 por meiode distanciadores 14. Esses distanciadores 14 se encontra à máxima distân-cia possível do crivo 3 plissado, para assim melhor desacoplar termicamenteo crivo 3 da parede de tanque 1,1' quente. Além disso, os distanciadores 14são de tal maneira produzidos que garantem um ótimo isolamento entre aparede do reservatório 8 e a chapa 6 em forma de L.O crivo 3 é limitado, de um lado, pela parede de reservatório 8 e,de outro, por uma chapa 11 perfurada em uma forma similar a um recortecilíndrico. Devido ao seu efeito capilar, isso promove a reumectação do crivo3. Bolhas de gás resultantes são impelidas de volta ao recipiente de aloja-mento 7 do tanque de propelente pela fenda entre a parede de reservatório10 interior e a chapa 6 em forma de L do reservatório 2.
Aberturas 12, 13 de preferência circulares ou ovais na parede detanque 1' para o reservatório 2 permitem uma troca tanto de líquido comotambém de gás entre essas duas regiões. O gás ou vapor pode retornar poressas aberturas ao recipiente de alojamento 7 do tanque de propelente, e olíquido do recipiente de alojamento 7 do tanque de propelente pode com-plementar o volume de gás. Estão então previstas várias aberturas 12 maio-res, em diâmetro aproximadamente correspondentes ao diâmetro do tubo desaída 4, na região inferior e superior do reservatório 2, e várias aberturas 13menores na parte central do reservatório 2.

Claims (11)

1. Tanque de propelente, especialmente a um tanque para ar-mazenagem de líquidos criogênicos para a operação de naves espaciais,com um gás propelente servindo como meio transportador bem como comao menos um dispositivo de retirada em forma de um reservatório recarregá-vel, em que com aproveitamento da tensão superficial é produzida uma se-paração do propelente do gás propelente, caracterizado pelo fato de que odispositivo de retirada (2) está disposto na região inferior no lado externo daparede de tanque (1').
2. Tanque de propelente de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que o reservatório (2) é executado em parede dupla eisolado a vácuo.
3. Tanque de propelente de acordo com a reivindicação 2, carac-terizado pelo fato de que o reservatório (2) na região de vácuo é adiciona-mento blindado por uma folha isolante em várias camadas.
4. Tanque de propelente de acordo com uma das reivindicações-1 a 3, caracterizado pelo fato de que o reservatório (2) está blindado parafora por espuma isolante (9).
5. Tanque de propelente de acordo com uma das reivindicações-1 a 4, caracterizado pelo fato de que na parede de tanque (1') estão previs-tas perfurações (12, 13) como união ao reservatório (2).
6. Tanque de propelente de acordo com uma das reivindicações-1 a 5, caracterizado pelo fato de que no reservatório (2) está prevista umachapa (6) aproximadamente em forma de L, cônica, em cujo ângulo estádisposta uma chapa (11) recortada à maneira de um recorte cilíndrico.
7. Tanque de propelente de acordo com a reivindicação 6, carac-terizado pelo fato de que as chapas (6, 11) são providas de furos.
8. Tanque de propelente de acordo com a reivindicação 6 ou 7,caracterizado pelo fato de que um crivo (3) cilíndrico e plissado está fixadopor meio de placas extremas à direita e à esquerda bem como adicionalmen-te na região de um tubo de saída (4) à chapa (6) em forma de L.
9. Tanque de propelente de acordo com a reivindicação 7, carac-terizado pelo fato de que várias chapas (5) estão dispostas conicamente nachapa (6) em forma de L, não apresentando os mesmos contatos com a pa-rede de tanque (1).
10. Tanque de propelente de acordo com a reivindicação 7, ca-racterizado pelo fato de que estão previstos pontos de apoio de retenção(14) para fixação das chapas (6, 11) com máximo afastamento do crivo (3)atuando como ponto de retirada.
11. Tanque de propelente de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que o tubo de saída (4) é executado em sua regiãose estendendo no interior do reservatório (2) como "Heat Pipe" e provido deranhuras longitudinais em sua superfície exterior.
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