EP3491305A1 - Procédé de fabrication d'un projectile de glace - Google Patents

Procédé de fabrication d'un projectile de glace

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EP3491305A1
EP3491305A1 EP17784336.4A EP17784336A EP3491305A1 EP 3491305 A1 EP3491305 A1 EP 3491305A1 EP 17784336 A EP17784336 A EP 17784336A EP 3491305 A1 EP3491305 A1 EP 3491305A1
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EP
European Patent Office
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mixture
cooling
ice cube
water
ice
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Withdrawn
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EP17784336.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Frédérik GUYON
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Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25C—PRODUCING, WORKING OR HANDLING ICE
    • F25C1/00—Producing ice
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/003—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods using material which dissolves or changes phase after the treatment, e.g. ice, CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/04—Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants
    • F02C7/05—Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants having provisions for obviating the penetration of damaging objects or particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/12—Testing on a test bench
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a method of making and using an ice projectile.
  • a first method makes it possible to achieve a hailstone close to what nature does.
  • the projectile is produced by successive solidifications of water droplets suspended in supercooling.
  • Another known method is the manufacture of a hailstone by continuous solidification of water vapor around a cold finger.
  • Another method is to place water, if possible distilled or demineralized, in a cooling chamber type freezer.
  • the mold in which the water is placed confers a first roughing of the final shape, and final machining or polishing completes the shape.
  • This homogeneous ice projectile in its composition has significantly more degraded mechanical properties (less good mechanical resistance) than those of natural hailstone.
  • the disadvantage of the first two techniques is the complexity and the very long duration of manufacture of the ice projectile.
  • the disadvantage of the third technique is to use a projectile less resistant than the natural hailstone, and therefore to perform a test less destructive than a real hailstone and therefore underestimate the impact of a real hailstone.
  • the disadvantage of the fourth is to drive to an essay that overestimates the impact of a real hailstone.
  • this fourth technique by the heterogeneous nature of the projectile, can induce an important dispersion between two tests for small projectiles.
  • the third and fourth techniques are used together, which amounts to doubling the number of trials.
  • the invention relates to a method of manufacturing and using an ice projectile.
  • the method comprises the steps of:
  • the mixture of water and alcohol slows down the solidification process during cooling.
  • the liquid mixture passes through an aqueous phase in which crystals mainly consisting of water are surrounded by a liquid solution consisting mainly of alcohol.
  • This aqueous phase before the total solidification, allows a relaxation of the internal stresses induced by the crystallization of the water and its volumetric expansion.
  • the liquid solution that surrounds the crystals acts as a lubricant.
  • the mixture of water and alcohol makes it possible to precisely control the final dimensions of the ice cube: the thermal expansion taking place in the aqueous phase, it is distributed homogeneously in all directions of the ice cube, unlike an ice cube. pure water that deforms and congeals locally at moments slightly different from one point to the other of the ice cube.
  • the method according to the invention makes it possible to quickly and simply manufacture ice projectiles by using a mixture of water and alcohol.
  • the mixture of water and alcohol makes it possible to manufacture ice projectiles with mechanical characteristics similar to the mechanical characteristics of natural hailstones.
  • the process according to the invention makes it possible to manufacture ice packs composed of volatile elements which leave no solid residue after their projection and drying, unlike projectiles which contain a core of solid fibers.
  • the solidification temperature of the mixture is substantially equal to 200 ° K.
  • the step of cooling the mixture in the cooling and solidifying means of the ice cube mixture, to a solidification temperature of the mixture, to obtain at least one ice cube, has a transition temperature plateau in which the mixture has an aqueous phase composed of solid crystals mainly composed of water, the solid crystals being surrounded by a liquid solution mainly composed of alcohol.
  • the transition temperature plateau may be between 270 ° K and 230 ° K.
  • the cooling step of the mixture in the cooling and solidification means of the ice cube mixture, up to a solidification temperature of the mixture, to obtain at least one ice cube may be carried out at a speed greater than or equal to at 0.5 ° K per second.
  • the method according to the invention makes it possible to rapidly produce an ice projectile from liquid solutions.
  • the cooling step of the mixture in the cooling and solidifying means of the ice cube mixture, up to a solidification temperature of the mixture, to obtain at least one ice cube may be carried out at a lower speed or equal to 0.5 ° K per second.
  • the step of cooling the mixture in the cooling and solidifying means of the ice cube mixture, to a solidification temperature of the mixture, to obtain at least one ice cube can be carried out by stirring the mixture to maintain homogeneity.
  • the projection step of the or each ice cube is carried out at a temperature between 60 ° K and 250 ° K.
  • the temperature of the projectile ice during its projection allows to optimize the mechanical properties to simulate as accurately as possible a hailstone.
  • the cooling and solidification means may comprise at least one mold for shaping at least one ice cube.
  • the cooling and solidification means may comprise at least one tube for cooling and shaping at least one ice cube.
  • the or each tube may be connected to projection means for projecting the or each ice cube positioned in the corresponding tube.
  • the ice projectile can be solidified and projected by the same device.
  • the cooling and solidification means may comprise at least one cryostat.
  • the alcohol may belong to the group comprising ethanol, methanol, butanol and propanol.
  • the amount of alcohol is provided by an alcoholic solution having a purity greater than or equal to 90%.
  • the water is supplied by an aqueous solution taken from distilled water and demineralised water.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication et d'utilisation d'un projectile de glace. Le procédé comprend les étapes de: - Fourniture d'une quantité d'eau; -Fourniture d'une quantité d'alcool correspondant à au moins 5% en masse de la quantité d'eau; - Mélange de la quantité d'eau et de la quantité d'alcool; - Transfert du mélange vers des moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon; - Refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon; - Projection du, ou de chaque, glaçon sur une cible, par des moyens de projection.

Description

Procédé de fabrication d'un projectile de glace
La présente invention concerne un procédé de fabrication et d'utilisation d'un projectile de glace.
Dans le domaine de l'aéronautique, il s'avère nécessaire de tester la résistance de certaines structures aux grêlons. C'est par exemple le cas des pare-brise d'avion ou des aubes de réacteurs.
Actuellement, on distingue quatre procédés majoritairement utilisés pour réaliser un projectile simulant un grêlon.
Un premier procédé permet de réaliser un grêlon proche de ce que la nature réalise. Selon ce procédé, le projectile est réalisé par solidifications successives de gouttelettes d'eau en suspension en surfusion. Un autre procédé connu est la fabrication d'un grêlon par solidification en continue de vapeur d'eau autour d'un doigt froid. Ces deux procédés permettent d'obtenir des propriétés mécaniques proches de celles du grêlon naturel, mais sont très longs et complexes à mettre en œuvre.
Une autre méthode consiste à placer de l'eau, si possible distillée ou déminéralisée, dans une enceinte refroidissante type congélateur. Le moule dans lequel est placée l'eau confère une première ébauche de la forme finale, et un usinage ou un polissage final parfait la forme. Ce projectile de glace homogène dans sa composition a des propriétés mécaniques significativement plus dégradées (moins bonne tenue mécanique) que celles du grêlon naturel.
Enfin, il est connu d'ajouter une pelote de coton, ou plus généralement des fibres, à de l'eau si possible distillée ou déminéralisée. Ce procédé fait l'objet d'une norme « ASTM F320 : Standard Test Method for Hail Impact Résistance of Aerospace Transparent Enclosures». Comme pour le projectile de glace d'eau seule évoqué ci-avant, le tout est placé dans une enceinte refroidissante et la forme est donnée par le moule, puis une finition mécanique ou manuelle est réalisée. Ce projectile de glace, hétérogène dans sa composition, a des propriétés mécaniques significativement meilleures (meilleure tenue mécanique) que celles du grêlon naturel.
L'inconvénient des deux premières techniques est la complexité et la durée très longue de fabrication du projectile de glace. L'inconvénient de la troisième technique est d'utiliser un projectile moins résistant que le grêlon naturel, et donc de réaliser un essai moins destructif qu'un vrai grêlon et par conséquent sous-estimer l'impact d'un vrai grêlon. A contrario, l'inconvénient de la quatrième est de conduire à un essai qui surestime l'impact d'un vrai grêlon. De plus, cette quatrième technique, par le caractère hétérogène du projectile, peut induire une dispersion importante entre deux essais pour des projectiles de faibles dimensions. Généralement, afin d'encadrer les effets réels de la grêle, les troisième et quatrième techniques sont conjointement utilisées, ce qui revient à doubler le nombre des essais.
En conséquence, la présente invention a pour objectif de fournir un procédé de fabrication et d'utilisation qui permette de fabriquer rapidement et simplement des projectiles de glace présentant des caractéristiques mécaniques similaires aux caractéristiques mécaniques des grêlons naturels.
Selon une définition générale, l'invention concerne un procédé de fabrication et d'utilisation d'un projectile de glace. Le procédé comprend les étapes de :
Fourniture d'une quantité d'eau ;
Fourniture d'une quantité d'alcool correspondant à au moins 5% en masse de la quantité d'eau ;
Mélange de la quantité d'eau et de la quantité d'alcool ;
Transfert du mélange vers des moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon;
Refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon ;
Projection du, ou de chaque, glaçon sur une cible, par des moyens de projection.
Le mélange d'eau et d'alcool permet de ralentir le processus de solidification lors du refroidissement. Ainsi, avant d'être complètement solidifié, le mélange liquide passe par une phase aqueuse dans laquelle des cristaux majoritairement constitués d'eau sont entourés d'une solution liquide majoritairement constituée d'alcool. Cette phase aqueuse, avant la solidification totale, permet une relaxation des contraintes internes induites par la cristallisation de l'eau et son expansion volumétrique. La solution liquide qui entoure les cristaux joue le rôle de lubrifiant.
De plus, le mélange d'eau et d'alcool permet de contrôler précisément les dimensions finales du glaçon : la dilatation thermique ayant lieu en phase aqueuse, elle se répartit de manière homogène dans toutes les directions du glaçon, contrairement à un glaçon d'eau pure qui se déforme et se fige localement à des instants légèrement différents d'un point à l'autre du glaçon. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer rapidement et simplement des projectiles de glace en utilisant un mélange d'eau et d'alcool.
De plus, le mélange d'eau et d'alcool permet de fabriquer des projectiles de glace présentant des caractéristiques mécaniques similaires aux caractéristiques mécaniques des grêlons naturels.
En outre, le procédé selon l'invention permet de fabriquer des projectiles de glace composés d'éléments volatiles qui ne laisse aucun résidu solide après leur projection et séchage, contrairement aux projectiles qui contiennent une âme en fibres solides.
Selon une disposition particulière, la température de solidification du mélange est sensiblement égale à 200°K.
L'étape de refroidissement du mélange dans les moyens refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon, présente palier de températures de transition dans lequel le mélange présente une phase aqueuse composée de cristaux solides principalement composés d'eau, les cristaux solides étant entourés d'une solution liquide principalement composée d'alcool.
Selon une disposition particulière, le palier de températures de transition peut être compris entre 270°K et 230°K.
Selon une disposition particulière, l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon peut être effectuée à une vitesse supérieure ou égale à 0.5°K par seconde.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet de produire rapidement un projectile de glace à partir de solutions liquides.
Selon une autre disposition particulière, l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon peut être effectuée à une vitesse inférieure ou égale à 0.5°K par seconde.
Selon une même disposition, l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon peut être effectuée en agitant le mélange pour en maintenir l'homogénéité.
L'étape de projection du, ou de chaque, glaçon est réalisée à une température comprise entre 60°K et 250°K. La température du projectile de glace lors de sa projection permet d'en optimiser les propriétés mécaniques pour simuler le plus précisément possible un grêlon.
Les moyens de refroidissement et de solidification peuvent comprendre au moins un moule pour mettre en forme au moins un glaçon.
Les moyens de refroidissement et de solidification peuvent comprendre au moins un tube permettant de refroidir et mettre en forme au moins un glaçon.
Le, ou chaque, tube peut être relié à des moyens de projection permettant de projeter le, ou chaque, glaçon positionné dans le tube correspondant.
Ainsi, le projectile de glace peut être solidifié et projeté par le même dispositif.
Les moyens de refroidissement et de solidification peuvent comprendre au moins un cryostat.
L'alcool peut appartenir au groupe comprenant l'éthanol, le méthanol, le butanol et le propanol.
La quantité d'alcool est fournie par une solution alcoolique présentant une pureté supérieure ou égale à 90%.
L'eau est fournie par une solution aqueuse prise parmi l'eau distillée et l'eau déminéralisée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication et d'utilisation d'un projectile de glace caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :
- Fourniture d'une quantité d'eau ;
Fourniture d'une quantité d'alcool correspondant à au moins 5% en masse de la quantité d'eau ;
Mélange de la quantité d'eau et de la quantité d'alcool ;
Transfert du mélange vers des moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon;
Refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon ;
Projection du, ou de chaque, glaçon sur une cible, par des moyens de projection.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon, présente un palier de températures de transition dans lequel le mélange présente une phase aqueuse composée de cristaux solides principalement composés d'eau, les cristaux solides étant entourés d'une solution liquide principalement composée d'alcool.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon est effectuée à une vitesse supérieure ou égale à 0.5°K par seconde.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon est effectuée à une vitesse inférieure ou égale à 0.5°K par seconde.
5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon est effectuée en agitant le mélange pour en maintenir l'homogénéité.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de projection du, ou de chaque, glaçon est réalisée à une température comprise entre 60°K et 250°K.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement et de solidification comprennent au moins un moule pour mettre en forme au moins un glaçon.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement et de solidification comprennent au moins un tube permettant de refroidir et mettre en forme au moins un glaçon.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le, ou chaque, tube est relié à des moyens de projection permettant de projeter le, ou chaque, glaçon positionné dans le tube correspondant.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement et de solidification comprennent au moins un cryostat.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que l'alcool appartient au groupe comprenant l'éthanol, le méthanol, le butanol et le propanol.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la quantité d'alcool est fournie par une solution alcoolique présentant une pureté supérieure ou égale à 90%.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en que l'eau est fournie par une solution aqueuse prise parmi l'eau distillée et l'eau déminéralisée.
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