ES2322630T3 - Deposito para el almacenamiento e liquidos criogenicos y combustibles almacenables. - Google Patents

Abstract

Depósito para el almacenamiento de líquidos criogénicos o de combustibles almacenables para el funcionamiento de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio de bombeo y con al menos un dispositivo de alimentación y extracción de gas en forma de un reservorio rellenable en el que se produce, por filtración y aprovechando la tensión superficial, una separación entre el gas propelente y el líquido, caracterizado porque el dispositivo de alimentación y extracción de gas (4, 5) está dispuesto en la zona superior del depósito (1, 2) y se compone de una caja (25) esencialmente cilíndrica que está provista de una serie de aberturas (6, 7, 8, 9) que se ensanchan hacia el depósito (1, 2) y están dispuestas circunferencialmente y cubiertas por placas de desviación (35), así como de un tubo de extracción (29) que conduce a al menos una salida, en el que las aberturas (6, 7, 8, 9) están provistas de chapas (14) dispuestas alternadamente una detrás de otra penetrando en la abertura (6, 7, 8, 9) y están conectadas con el interior de la caja (25) a través de un filtro doble (16), y en el que en la pared interior de la caja (25) están dispuestas chapas (24) que discurren en paralelo al eje longitudinal de la caja (25).

Description

Depósito para el almacenamiento de líquidos criogénicos y combustibles almacenables.

La invención se refiere a un depósito para el almacenamiento de líquidos criogénicos o de combustibles almacenables para el funcionamiento de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio de bombeo y con al menos un dispositivo de llenado y extracción en forma de un reservorio rellenable en el que se produce, por filtración y aprovechando la tensión superficial, una separación entre el gas propelente y el líquido.

En los depósitos de este tipo, como los que se conocen, por ejemplo, por el documento DE-A-3315300, los gases propelentes sirven para bombear los componentes líquidos contenidos en ellos, es decir, por una parte el combustible y, por otra, un agente oxidante, a la cámara de combustión o de reacción. Como gases propelentes se usan habitualmente gases inertes, tales como helio (He) o nitrógeno (N_{2}), que se introducen a presión en el recipiente de combustible o de agente oxidante, presionando de este modo el combustible y el agente oxidante hacia el sistema de tuberías que conduce al módulo propulsor correspondiente. Es importante mantener una separación completa y segura entre el gas propelente que sirve de medio de bombeo y el combustible o agente oxidante que entra en el módulo propulsor, pues en el caso de los líquidos criogénicos, en particular del hidrógeno líquido, el calentamiento del combustible generalmente conduce con el tiempo a un aumento de presión en el depósito debido a los efectos de evaporación. Para conservar la integridad estructural del depósito, la sobrepresión generada debe evacuarse del depósito al alcanzar un valor límite superior. Este problema aparece especialmente en el caso de sistemas aeroespaciales criogénicos que deben operar durante un tiempo prolongado en órbita en un estado de ingravidez. El gas que se encuentra en el depósito con frecuencia también se usa para controlar la posición del vehículo espacial. Esto es una variante de la generación de empuje económica en comparación con un sistema propulsor adicional y suficiente para el control de la posición. El gas frío se expulsa de forma dirigida del depósito de combustible al vacío a través de una o varias toberas de empuje.

Si durante este proceso se expulsa una mezcla de gas-líquido del depósito al vacío, las diferentes densidades del líquido y del gas generan, dependiendo de la relación de mezcla, un perfil de empuje no constante. El algoritmo regulador del vehículo espacial debe corregir entonces estos cambios de empuje según los requisitos de la misión. La evacuación de líquido del dispositivo de extracción de gas tampoco es deseable porque el combustible entonces ya no se encuentra disponible para el módulo propulsor principal del vehículo espacial.

Para la separación segura de las fases gaseosa y líquida actualmente se usan en la astronáutica los siguientes procedimientos:

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El líquido que sale del depósito de combustible se evapora por el calentamiento del combustible. Este procedimiento requiere mucha energía para la evaporación del líquido.

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Se aplica una aceleración adicional que hace que el combustible no se encuentre en la salida de gas en el momento de la descarga de presión. Esto requiere una aceleración dirigida mediante un sistema propulsor adicional, lo que en general es relativamente costoso. Adicionalmente es necesario adaptar el perfil de la misión antes de descargar la presión.

Por el documento US-PS 4027494 se conoce además el uso de separadores de fases para separar la fase líquida de la gaseosa, usándose en este dispositivo conocido un separador de fases para fases de baja aceleración y realizándose la separación mediante el uso de imanes superconductores. El documento US-PS 4848987 describe asimismo un separador de fases en el que están previstas bombas y una serie de válvulas. Por último, en un separador de fases descrito en el documento US-PS 7077885 B2 se usa una hélice que hace girar una mezcla de líquido-gas y en la que una membrana de polietileno o de nilón separa el líquido, en este caso agua. Este sistema conocido está previsto para el uso conjunto con cabinas de combustible y no es adecuado para la separación de líquidos criogénicos. Otros dispositivos conocidos por los documentos US-PS 4435196 y 4617031 están limitados al uso en el campo de gravedad de la Tierra.

La invención se propone el objetivo de configurar un depósito del tipo mencionado al principio de tal manera que quede garantizada una separación de fases segura para combustibles y líquidos tanto criogénicos como no criogénicos a las aceleraciones más diversas, desde aceleraciones reducidas durante las fases de vuelo balísticas hasta aceleraciones elevadas durante las fases de empuje principales, como las que se producen en los sistemas aeroespaciales.

La invención alcanza este objetivo previendo que en un depósito de este tipo el dispositivo de llenado o de extracción esté dispuesto en la zona superior del depósito y se componga de una caja esencialmente cilíndrica que está provista de una serie de aberturas que se ensanchan hacia el depósito y están dispuestas circunferencialmente, así como de un tubo de extracción que conduce a al menos un módulo propulsor, en el que las aberturas están provistas de chapas dispuestas alternadamente una detrás de otra penetrando en la abertura y están conectadas con el interior de la caja a través de un filtro doble, y en el que en la pared interior de la caja están dispuestas chapas que discurren en paralelo al eje longitudinal de la caja.

Las aberturas que se ensanchan hacia el depósito y, por lo tanto, están configuradas aproximadamente en bocina están configuradas, gracias a la incorporación de chapas capilares, de manera que se evita prácticamente por completo la penetración de líquidos. Si en el interior del dispositivo de extracción penetra líquido debido a, por ejemplo, mayores movimientos de líquido, éste se evacúa hacia el interior del reservorio mediante las chapas capilares y, de este modo, se separa del gas. El dispositivo de extracción previsto en el depósito de acuerdo con la invención posee la ventaja de que, con las chapas, sólo consta de componentes pasivos y, por ejemplo, no presenta válvulas. Por lo tanto, el sistema no requiere un control adicional, como, por ejemplo, en el caso de los sistemas que dependen de una aceleración previa o que causan una separación de fases por evaporación del combustible. El depósito según la invención se caracteriza, pues, por una estructura bastante simplificada respecto a los sistemas activos, una mayor robustez y costes reducidos y permite el bombeo de gas sin líquido durante las fases de aceleración reducida, es decir, en las fases balísticas, así como en las fases de vuelo aceleradas, como las que se producen en la astronáutica en las etapas superiores y en los vehículos de transferencia.

El depósito según la invención garantiza de manera sencilla que cuando se reduce la presión en el depósito por evacuación del gas a presión, únicamente se desprende, tanto en el caso de la aceleración como también en el estado de ingravidez, el gas propelente o el vapor presente en el depósito sin líquido residual. La invención permite adicionalmente alimentar gas propelente. Si se introduce un gas inerte caliente en comparación con la temperatura del depósito, la evaporación controlada del líquido presente en el dispositivo de extracción, si existe, produce un ahorro adicional de masa en cuanto al gas que aplica presión.

A continuación se explica la invención con más detalle mediante un ejemplo de realización representado en el dibujo. Muestran:

La fig. 1 un corte parcial a través de la disposición de los depósitos en las etapas superiores, con depósitos para hidrógeno y oxígeno y con dispositivos de extracción incorporados en ellos,

la fig. 2 dos representaciones de la posición del líquido en un depósito según la fig. 1 durante las fases de gran aceleración,

la fig. 3 diferentes representaciones de la posición del líquido en un depósito según la fig. 1 durante las fases de baja aceleración,

la fig. 4 diferentes representaciones seccionales de un dispositivo de extracción de la disposición según la fig. 1,

la fig. 5 una representación desarrollada de un detalle de la disposición según la fig. 4,

la fig. 6 una representación del proceso de separación de líquido en varias etapas en la disposición representada en la fig. 4 y

la fig. 7 una representación de la expulsión de líquido durante las fases aceleradas en la disposición representada en la fig. 4.

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En el caso de los depósitos 1 y 2 representados en la fig. 1 se trata de depósitos como los que están dispuestos habitualmente en una etapa superior 3 del cohete con un módulo propulsor principal 12. En cada uno de los dos depósitos 1, 2 se encuentra un dispositivo de alimentación y extracción de gas 4 y 5, respectivamente. Los dispositivos 4 y 5 presentan una construcción similar y difieren únicamente en su longitud de construcción, que depende de la geometría del depósito correspondiente. Las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina que se ensanchan hacia fuera constituyen, respectivamente, la conexión entre el depósito 1 ó 2 y los dispositivos de alimentación y extracción de gas 4 y 5. Los conductos 10 y 11, respectivamente, conectan los dispositivos de alimentación y extracción de gas 4 y 5 con el sistema de conductos en el exterior de los depósitos, que conduce a un módulo propulsor 12 y que, para mayor claridad de la representación, no se muestra en las figuras. Los conductos 10 y 11, respectivamente, pueden salir de los depósitos 1 y 2 por cualquier punto, dependiendo del tipo de construcción. Las aberturas 6, 7, 8, 9 en bocina están dispuestas en los depósitos 1 y 2 de tal manera que se encuentren en cada caso cuatro aberturas 6, 8 en la parte superior del depósito de combustible y otras cuatro aberturas 7 y 9 aproximadamente en el centro del depósito 1, 2.

La posición de las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina en el depósito 1 y 2 correspondiente está optimizada en el sentido de que durante las diferentes fases de la misión, al menos una de las aberturas no está rodeada por completo de líquido, aunque el sistema también tolera un cubrimiento breve de todas las aberturas. Durante estas fases, el interior del sistema se llena de líquido mientras que la cantidad de gas desplazada por éste se expulsa.

En las figuras 2 y 3 se representan los lugares del depósito 1 y 2 en los que se puede encontrar el líquido 13 durante las diferentes fases de la misión. Las fases de una misión se dividen de la siguiente manera:

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Fases con una gran aceleración (fig. 2): Estas fases comprenden las fases de la misión en las que se ha efectuado la ignición del módulo propulsor principal 12 y se genera una aceleración lineal. El líquido se encuentra entonces en la zona inferior del depósito, como se representa en la parte derecha de la figura. Si se hace girar el depósito, el líquido se acumula en la zona exterior del depósito y no presenta así conexión alguna con el dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5. Esta situación está representada en la parte izquierda de la figura.

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Al principio, es decir, al comienzo de una misión, cuando el cohete se encuentra en tierra, el depósito 1, 2, y por lo tanto también los dispositivos de alimentación y extracción de gas 4 y 5, están prácticamente llenos de líquido. Durante la primera ignición del módulo propulsor principal 12 se vacía el reservorio. En esta fase de la extracción de combustible se introduce en los depósitos 1 y 2, a través del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 correspondiente, un gas que repone el líquido extraído. El reservorio está dimensionado de tal manera que, una vez concluida la primera ignición, las aberturas inferiores 9 y 10 de los dispositivos de alimentación y extracción de gas 4 y 5, respectivamente, ya no presentan conexión con el líquido que queda en el depósito correspondiente, de forma que el sistema está prácticamente exento de líquido.

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Fases de vuelo balísticas con baja aceleración, por ejemplo durante el lanzamiento de satélites (fig. 3): El líquido se encuentra en movimiento caótico dentro del depósito 1 y 2, respectivamente, y puede alcanzar esporádicamente las aberturas 9 y 10 de los dispositivos de alimentación y extracción de gas 4 y 5, respectivamente.

De acuerdo con las diferentes representaciones seccionales de uno de los dos dispositivos de alimentación y extracción de gas 4, 5 mostradas en la fig. 4, se encuentra dentro de las aberturas 6, 7, 8 y 9 que se ensanchan hacia fuera una serie de chapas 14. Las chapas 14 también pueden estar realizadas en forma de una placa filtrante o placa perforada. Las chapas 14 están dispuestas una detrás de otra de manera que forman un ángulo agudo con las paredes de las aberturas 6, 7, 8 y 9. Una placa de desviación 35 dispuesta delante de las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina hace que una gran parte del líquido pase de largo sin entrar en las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina. La placa de desviación 35 está dispuesta de tal manera que la ranura 36 formada por la placa de desviación 35 y el ensanchamiento 34 cónico acodado se estreche hacia el exterior. La consecuencia es que el líquido que penetra en la ranura prácticamente permanece, impulsado por la capilaridad, en la zona acodada de la placa de desviación 35 y no penetra más en las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina. El líquido que aún así ha entrado se acumula predominantemente, impulsado por la capilaridad, en los ángulos 15 que forman las chapas 14 con las paredes de las aberturas 6, 7, 8 y 9. Las chapas 24 están realizadas de forma muy estrecha para que sólo se pueda acumular aquí relativamente poco líquido. El cuello de cada una de las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina está formado en cada caso por un manguito de filtro doble 16, como se representa en la fig. 5. Según se desprende asimismo de las representaciones seccionales A-A y B-B, las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina están dispuestas de forma aproximadamente tangencial en la caja del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 correspondiente.

Como muestra la representación desarrollada de la construcción de un manguito de filtro doble 16 de este tipo en la fig. 5, dos filtros 17 están limitados respectivamente por dos placas perforadas 18, y entre las combinaciones de filtros 17 y placas perforadas 18 están dispuestos asimismo de forma concéntrica y uno detrás de otro dos manguitos cilíndricos 19 y 20, de los cuales el manguito interior 20 está provisto de orificios. Si en la zona del cuello de una de las aberturas 6, 7, 8 y 9 penetra humedad, la humectación de las zonas entre los filtros 17 y las placas perforadas 18 o entre el manguito 19 y el manguito perforado 20 produce una humectación completa de las estructuras sólidas y la inclusión de una burbuja de gas en la zona interior del manguito de filtro doble 16. La penetración de líquido se reduce mediante la denominada presión del punto de burbuja de los dos filtros 17. Esta presión del punto de burbuja es aquella presión que debe ejercer una corriente para eliminar la burbuja de gas de la zona interior del manguito de filtro doble 16. De este modo se minimiza eficazmente la penetración de cantidades mayores de líquido. La presión del punto de burbuja necesaria depende de la velocidad de flujo de la mezcla de líquido-gas.

Detrás del manguito de filtro doble 16 se encuentra, como se desprende también de la representación de la fig. 4, una barrera de humectación 21 que puede constar de un borde de soldadura o, de forma alternativa, de un disco anular dispuesto en vertical a la pared tubular 22 de las aberturas 6, 7, 8, 9 correspondientes.

Las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina desembocan de forma aproximadamente tangencial en una zona interior 23 del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 correspondiente, que en el caso del ejemplo de realización representado está realizada de forma cilíndrica y en la que se recoge la cantidad residual de líquido que ha entrado eventualmente. La disposición tangencial de las aberturas 6, 7, 8 y 9 en bocina genera una rotación de la mezcla de líquido-gas que mejora la separación de las fases. Para aumentar el volumen, la zona interior 23 también puede presentar alternativamente otras formas geométricas o un diámetro variable, por ejemplo se puede elegir una zona interior esférica o también una forma circular cuadrática en lugar de una forma cilíndrica.

La zona interior 23 está provista de una serie de chapas capilares 24 que evacúan la cantidad residual de líquido que penetra a través de las aberturas 6, 7, 8 y 9 hacia la zona del reservorio, es decir, la zona interior 23. Las chapas capilares 24 están montadas en la pared interior de un manguito 25, el cual al mismo tiempo forma la caja del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 correspondiente, y en proximidad de las aberturas 6, 7, 8 y 9 están configuradas de forma relativamente estrecha para que no se puedan acumular allí mayores cantidades de líquido. Para optimizar el comportamiento de llenado capilar, las chapas capilares 24 están configuradas alternadamente más estrechas y más anchas, como se puede apreciar en la representación seccional C-C de la fig. 4.

El centro del manguito 25 carece de chapas capilares 24, de manera que en esta zona se acumula preferentemente gas. En el extremo 26 superior en el dibujo y opuesto al módulo propulsor 12 de cada dispositivo de alimentación y extracción 4, 5 se encuentra además una cámara de separación 27, cuya estructura interior se desprende especialmente de la representación seccional A-A de la fig. 4. En esta cámara de separación 27 está colocado un elemento de filtro 30 en forma de caracol, provocando la curvatura del elemento de filtro 30 que el líquido residual presente en el gas se acumule en el filtro. Una de las chapas capilares 24 dispuestas en forma de estrella, la chapa capilar 28, está tan alargada en sentido longitudinal de la caja 25 y hacia la cámara de separación 27 que llega hasta el extremo exterior del elemento de filtro 30 y conduce así el líquido residual expulsado de la cámara de separación 27 de vuelta a la zona del reservorio 23.

Por lo tanto, la separación de las fases se lleva a cabo mayoritariamente impulsada por capilaridad. Un tubo de extracción 29 dispuesto respectivamente en la zona central del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 evacúa el gas separado hacia el exterior del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 y, con ello, hacia el exterior del depósito de combustible 1, 2 correspondiente. El tubo de extracción 29 puede atravesar toda la zona interior 23 del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5, como se representa en la fig. 5, o también, dependiendo de la realización del depósito, salir del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 en sentido opuesto hacia arriba. En cualquier caso, cada tubo de extracción 29 puede conectarse con el consumidor según convenga a través del conducto 10 u 11 asignado respectivamente.

En la fig. 6 está representado esquemáticamente, para una de las aberturas 6 a 9 de la disposición mostrada en la fig. 4, el flujo para el caso de una solicitación de la abertura con el líquido 31 contenido en el depósito 1, 2 correspondiente y la separación de este líquido 31 del gas, indicándose el recorrido del líquido 31 y del gas 32 en el interior del dispositivo de alimentación y extracción de gas 4, 5 mediante flechas. La disposición permite separar las fases de forma segura hasta que la zona de las chapas capilares 24 de la zona del reservorio 23 esté completamente llena de líquido. Por lo tanto, el tamaño del reservorio 23 está dimensionado de manera que sea suficiente para una fase balística.

Como se representa por último esquemáticamente en la fig. 7, el vaciado del reservorio 23 es posible a través de las aberturas 7 y 9 inferiores dispuestas en dirección del módulo propulsor 12, mediante la generación de una aceleración que actúa en esta dirección sobre el líquido 31 y que en la figura se indica mediante la flecha 33. Las aberturas 6, 7, 8 y 9 y las chapas 14 están configuradas de manera que señalan oblicuamente hacia abajo. De este modo se garantiza que el reservorio se vacía por completo durante una fase de aceleración de este tipo.

La disposición descrita permite realizar tanto una evacuación exenta de gas del gas a presión en el depósito como también la alimentación de gases inertes, tales como helio y nitrógeno, o de vapor conducido de vuelta para la aplicación de presión al depósito. Si se introduce un gas inerte caliente en comparación con la temperatura del depósito, la evaporación controlada del líquido en el dispositivo conduce a un ahorro adicional de masa sin que el líquido en el depósito se vea afectado por la evaporación, la cual no se desea, al menos en la proximidad de la salida de combustible.

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Documentos citados en la descripción

Esta lista de documentos citados por el solicitante se ha incorporado exclusivamente para información del lector y no forma parte del documento de patente europeo. Se ha elaborado con el máximo esmero; no obstante, la OEP no se hace responsable de posibles errores u omisiones.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet DE 3315300 A [0002]

\bullet US PS7077885 B2 [0005]

\bullet US PS4027494 A [0005]

\bullet US 4435196 A [0005]

\bullet US PS4848987 A [0005]

\bullet US 4617031 A [0005]

Claims (8)

1. Depósito para el almacenamiento de líquidos criogénicos o de combustibles almacenables para el funcionamiento de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio de bombeo y con al menos un dispositivo de alimentación y extracción de gas en forma de un reservorio rellenable en el que se produce, por filtración y aprovechando la tensión superficial, una separación entre el gas propelente y el líquido, caracterizado porque el dispositivo de alimentación y extracción de gas (4, 5) está dispuesto en la zona superior del depósito (1, 2) y se compone de una caja (25) esencialmente cilíndrica que está provista de una serie de aberturas (6, 7, 8, 9) que se ensanchan hacia el depósito (1, 2) y están dispuestas circunferencialmente y cubiertas por placas de desviación (35), así como de un tubo de extracción (29) que conduce a al menos una salida, en el que las aberturas (6, 7, 8, 9) están provistas de chapas (14) dispuestas alternadamente una detrás de otra penetrando en la abertura (6, 7, 8, 9) y están conectadas con el interior de la caja (25) a través de un filtro doble (16), y en el que en la pared interior de la caja (25) están dispuestas chapas (24) que discurren en paralelo al eje longitudinal de la caja (25).

2. Depósito según la reivindicación 1, caracterizado porque en un extremo de la caja (25) está dispuesta una cámara de separación (27).

3. Depósito según la reivindicación 2, caracterizado porque en el interior de la cámara de separación (27) está dispuesto un filtro (30) configurado en forma de caracol y porque al menos una de las chapas (24) está en contacto con la cámara de separación (27).

4. Depósito según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las aberturas (6, 7, 8, 9) en bocina están dispuestas en la caja (25) de forma aproximadamente tangencial.

5. Depósito según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la caja (25) presenta localmente un diámetro mayor.

6. Depósito según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque está configurado para el alojamiento de líquidos criogénicos, tales como hidrógeno líquido y oxígeno líquido.

7. Depósito según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque está configurado para el alojamiento de combustibles almacenables, tales como monometilhidracina (MMH) e hidracina (N_{2}H_{4}).

8. Depósito según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque está configurado para el alojamiento de un agente oxidante, tal como tetróxido de dinitrógeno (N_{2}O_{4}).