ES2342861T3 - Dispositivo para almacenar liquidos criogenicos y combustibles almacenables. - Google Patents

Dispositivo para almacenar liquidos criogenicos y combustibles almacenables. Download PDF

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Abstract

Depósito para almacenar líquidos criogénicos o combustibles líquidos almacenables para la operación de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio transportador, así como con al menos un dispositivo de suministro y extracción de gas en forma de un depósito rellenable que presenta una bandeja de depósito, en el que se realiza una separación del gas propelente del líquido mediante tamizado aprovechando la tensión superficial, caracterizado porque el dispositivo de suministro y extracción de gas (2) está dispuesto directamente en la bandeja del depósito (1), en la zona superior del depósito, y unido directamente con ésta, componiéndose de una carcasa (25) sustancialmente cilíndrica, provista de una serie de aberturas (3) dispuestas perimetralmente en la zona superior de la carcasa (25), que se ensanchan en forma de trompeta y que están cubiertas por placas deflectoras (30), así como con al menos una abertura (9) adicional, dispuesta en la zona inferior de la carcasa (25), que se ensancha en forma de trompeta y que está cubierta por una placas deflectora (32) y que presenta un tubo de extracción (29) que conduce a al menos una salida, estando provista cada una de las aberturas (3, 9) con chapas (14) dispuestas una detrás de otra en lados alternos, que entran en la abertura (3, 9), y unida a través de un doble tamiz (12) con el interior de la carcasa (25), estando dispuestas en la pared interior de la carcasa (25) chapas (24) que se extienden paralelamente respecto al eje longitudinal de la carcasa (25), presentando la placa deflectora (32) horizontal uno o varios agujeros (31), en forma de plato, prevista para cubrir la abertura (9) inferior en forma de trompeta.

Description

Depósito para almacenar líquidos criogénicos y combustibles almacenables.
La invención se refiere a un depósito para almacenar líquidos criogénicos o combustibles líquidos almacenables para la operación de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio transportador, así como con al menos un dispositivo de suministro y extracción de gas en forma de un depósito rellenable, en el que mediante tamizado aprovechando la tensión superficial se realiza una separación del gas propelente del líquido.
En los depósitos de este tipo, los gases propelentes sirven para transportar los componentes líquidos contenidos en éstos, es decir, el combustible por una parte y un oxidante por otra parte, a la cámara de combustión o de reacción. Como gases propelentes se emplean habitualmente gases inertes como el helio (He) o el nitrógeno (N_{2}) que se hacen pasar bajo presión al depósito de combustible o de oxidante haciendo pasar a presión de esta manera el combustible y el oxidante al sistema de tuberías que conduce al módulo propulsor correspondiente. Durante ello es importante que se produzca una separación completa y segura entre el gas propelente que sirve de medio transportador y los componentes líquidos que llegan al módulo propulsor, es decir, entre el combustible o el oxidante, ya que éstos últimos tienen que estar en todo caso libre de inclusiones de gas ajeno.
En los líquidos criogénicos, especialmente en el hidrógeno líquido, el calentamiento del combustible conduce generalmente a un aumento de la presión en el depósito debido a los efectos de evaporación a lo largo del tiempo. La sobrepresión originada tiene que evacuarse del depósito para mantener la integridad estructural del depósito al alcanzar un valor límite superior. Esta problemática se produce especialmente en sistemas espaciales criogénicos que tienen que operar durante un tiempo prolongado en la órbita en levitación. El gas situado en el depósito se usa frecuentemente también para regular la posición del vehículo espacial. Es una variante de generación de empuje económica, en comparación con un sistema de propulsión adicional, y suficiente para la regulación de la posición. El gas frío se hace salir del depósito de combustible al vacío de forma dirigida a través de una o varias toberas de
empuje.
Si durante este procedimiento se deja salir una mezcla de gas y líquido del depósito al vacío, las diferentes densidades del líquido y del gas conducen, según la relación de mezcla, a un perfil de empuje no constante y el algoritmo de regulación del vehículo espacio tiene que corregir entonces estas variaciones del empuje conforme a los requerimientos de la misión. La evacuación de líquido del dispositivo de extracción de gas también es indeseable porque entonces el combustible ya no está disponible para el módulo propulsor principal del vehículo espacial.
Para una separación segura de las fases de gas y de líquido, hasta ahora, en la navegación espacial se aplican los siguientes procedimientos:
-
Por el calentamiento del combustible evapora el líquido que sale del depósito. Este procedimiento requiere un alto consumo de energía para evaporar el líquido.
-
Adicionalmente, se aplica una aceleración adicional que hace que en el momento de la reducción de presión el combustible no se encuentre en la salida de gas. Esto requiere una aceleración selectiva mediante un sistema de accionamiento adicional, lo que generalmente es relativamente costoso. Adicionalmente, es necesaria una adaptación del perfil de la misión antes de una reducción de presión.
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Además, por el documento US4027494A se dio a conocer el uso de separadores de fase para separar la fase liquida de la fase gaseosa, empleándose en este dispositivo conocido un separador de fases para los regímenes con baja aceleración y realizándose la separación usando imanes supraconductores. Además, el documento US4848987A describe un separador de fases, en el que están previstas bombas y una serie de válvulas. Finalmente, en un separador de fases descrito en el documento US7077885B2 se usa una hélice que hace rotar una mezcla de líquido y gas y en el que una membrana de polietileno o nilón separa el líquido, en este caso agua. Éste último sistema conocido está previsto para un uso junto con las células de combustible y no es apropiado para la separación de líquidos criogénicos. Otros dispositivos que se dieron a conocer en los documentos US4435196A y US4617031A se limitan a un uso en el campo gravitacional de la tierra.
La invención tiene el objetivo de configurar un depósito del tipo mencionado al principio de tal forma que quede garantizada una separación de fases segura tanto para combustibles y líquidos criogénicos como no criogénicos, con las más diversas aceleraciones, desde las bajas aceleraciones durante fases de vuelo balísticas hasta las elevadas aceleraciones durante las fases de empuje principal, tales como se producen en los sistemas de navegación espacial.
La invención consigue este objetivo mediante las características de la reivindicación 1, de tal forma que prevé que en un depósito de este tipo el dispositivo de suministro y extracción de gas está dispuesto directamente en la bandeja del depósito, en la zona superior del depósito, y unido directamente con ésta, componiéndose de una carcasa sustancialmente cilíndrica, provista con una serie de aberturas dispuestas en el lado circunferencial en la zona superior de la carcasa, que se ensanchan en forma de trompetas y que están cubiertas por placas deflectoras, así como con al menos una abertura adicional, dispuesta en la zona inferior de la carcasa, que se ensancha en forma de trompeta y que está cubierta por una placas deflectora y que presenta un tubo de extracción que conduce a al menos una salida, estando provista cada una de las aberturas con chapas dispuestas una detrás de otra en lados alternos, que entran en la abertura, y unida a través de un doble tamiz con el interior de la carcasa, estando dispuestas en la pared interior de la carcasa chapas que se extienden paralelamente respecto al eje longitudinal de la carcasa, presentando uno o varios agujeros la placas deflectora horizontal, en forma de plato, prevista para cubrir la abertura inferior en forma de trompeta.
Las aberturas que se ensanchan hacia el depósito y que, por tanto, están configuradas aproximadamente en forma de trompeta, están configuradas por la incorporación de chapas capilares de tal forma que se evita en mayor medida la entrada de líquidos. Por ejemplo, si debido a mayores movimientos de líquido, entra líquido en el interior del dispositivo de suministro y extracción de gas, dicho líquido se evacúa mediante las chapas capilares al interior del depósito siendo separada de esta manera del gas. El dispositivo de suministro y extracción de gas previsto en el depósito según la invención tiene la ventaja de que con las chapas se compone exclusivamente de componentes pasivos y, entre otras cosas, no presenta válvulas. Por lo tanto, el sistema completo no requiere ningún control adicional, que es el caso por ejemplo en los sistemas que dependen de una aceleración previa o que realizan una separación de fase mediante la evaporación del combustible. Por lo tanto, el depósito según la invención se caracteriza por una estructura simplificada sustancialmente frente a los sistemas activos, una mayor robustez y costes reducidos y permite el transporte de gas, sin líquido, durante fases de aceleración reducida, es decir, fases balísticas, al igual que en fases de vuelo aceleradas como las que se producen en etapas orbitales y vehículos de transferencia en la navegación espacial.
Dado que en el depósito según la invención, en la zona inferior de la carcasa del dispositivo de suministro y extracción de gas está prevista sólo una abertura en forma de trompeta, se consigue una estructura especialmente sencilla y, por tanto, una optimización en cuanto a su montaje, su peso y su posterior mantenimiento, siendo esto último un aspecto importante especialmente en los sistemas espaciales reutilizables, para los que este depósito según la invención resulta especialmente adecuado.
Otra ventaja del depósito según la invención consiste en que presenta una buena unión termal entre el dispositivo de suministro y extracción de gas y la bandeja del depósito. En la zona del domo superior del depósito, donde se encuentra principalmente el gas propelente, la temperatura es especialmente elevada frente a la temperatura del combustible líquido criogénico y la bandeja del depósito se calienta especialmente bien por la conducción térmica al depósito. Dado que, según la invención, el dispositivo de suministro y extracción de gas está unido directamente con la tapa superior del depósito, esta disposición actúa adicionalmente como intercambiador térmico en la zona de salida de la bandeja del depósito, proporcionando de esta manera adicionalmente condiciones térmicas constantes, especialmente cuando el gas a presión se enfría dentro del depósito durante una reducción de presión. Esto repercute positivamente entre otros sobre los sistemas de regulación de posición que funcionan con el gas a presión. Este efecto es especialmente fuerte en los combustibles criogénicos, en los que generalmente la temperatura de gas aumenta considerablemente con la distancia respecto al líquido.
La unión directa del dispositivo de suministro y extracción de gas con la tapa del depósito, prevista según la invención, tiene además la ventaja de que de esta manera el dispositivo de suministro y extracción de gas puede insertarse en el depósito también en un momento muy tardío. Así, las pruebas de verificación necesarias, por ejemplo, pruebas de vibración para comprobar la solidez estructural, pueden realizarse como componentes junto con la tapa de depósito, teniendo que hacer vibrar sólo la tapa de depósito sujeta. Estas pruebas a nivel de los componentes conducen a un considerable ahorro de costes en comparación con los sistemas, en los que ha de verificarse la integridad estructural de todo el depósito.
A continuación, la invención se describe en detalle con la ayuda de un ejemplo de realización. Muestran:
La figura 1 una sección por la parte superior de un depósito de etapa orbital con un dispositivo de suministro y extracción de gas montado,
la figura 2 representaciones de la posición del líquido en un depósito según la figura 1, durante fases de elevada aceleración,
la figura 3 representaciones de la posición del líquido en un depósito según la figura 1, durante fases de baja aceleración,
la figura 4 una sección por un depósito en un vehículo espacial de despegue y aterrizaje horizontales, con representaciones de la posición del líquido dentro de dicho depósito,
la figura 5 diferentes representaciones en sección de un dispositivo de extracción de la disposición según la figura 1,
la figura 6 una forma de realización alternativa de un dispositivo de extracción,
la figura 7 una representación despiezada de un detalle de la disposición según la figura 5,
la figura 8 una representación del procedimiento de una separación de líquido en varias etapas, en la disposición representada conforme a la sección C-C en la figura 5 y
la figura 9 una representación del expulsor de líquido durante fases aceleradas en la disposición representada conforme a la sección C-C en la figura 5.
En la bandeja de depósito 1 representada en la figura 1 se trata de la zona superior de un depósito de combustible con una forma curvada, tal como se aplica habitualmente en vehículos espaciales. En la parte superior de la bandeja de depósito 1 se encuentra un dispositivo de suministro y extracción de gas 2. Aberturas 3 en forma de trompeta en la zona superior del dispositivo de suministro y extracción de gas 2, es decir, cerca de una tapa de depósito 6 de la bandeja de depósito 1 establecen la unión entre el interior del depósito de combustible y el interior del dispositivo de suministro y extracción de gas 2. Un paso 4 une el dispositivo 2 con un sistema de conductos 5 situado fuera del depósito y representado sólo de forma aproximada. En el caso del ejemplo de realización representado aquí, el paso se realiza a través de la tapa de depósito 6, pudiendo estar previsto dicho paso sin embargo también en cualquier punto de la bandeja de depósito 1 usando un conducto de unión adicional. Además de las aberturas 3 en forma de trompetas, que se encuentran en la parte superior del dispositivo de suministro y extracción de gas 2, es decir, arriba del todo dentro del depósito de combustible, está prevista otra abertura 9 en la zona inferior del dispositivo de suministro y extracción de gas 2.
Según los requerimientos especiales existentes en cuanto al depósito, el número de las aberturas 3 en forma de trompeta en la zona superior del dispositivo de suministro y extracción de gas 2 puede variar entre una y, como en el caso del ejemplo de realización descrito, cuatro aberturas. La posición de las aberturas 3, 9 se ha elegido de tal forma que durante la parte preponderante de las distintas fases de misión, al menos una abertura 3 ó 9 no está rodeada completamente por el líquido 7. La posición de las aberturas dentro del depósito 1 puede optimizarse según las necesidades, pudiendo producirse también el recubrimiento temporal de todas las aberturas 3, 9 en forma de trompeta. Durante estas fases, el interior del sistema se llena de líquido 7, mientras que se expulsa la cantidad de gas
desplazada.
Los lugares dentro del depósito, en los que se encuentra el líquido 7 durante las diferentes fases de la misión, están representados en las figuras 2 y 3. Las fases de la misión se distinguen de la siguiente manera:
-
Fases con una elevada aceleración (figura 2): Estas fases incluyen fases de misión, durante las cuales el módulo propulsor principal, no representado en las figuras, se ha encendido generando una aceleración en la dirección de la flecha 8. Entonces, el líquido se encuentra en la zona inferior del depósito, como está representado en la parte superior de la figura 2. En cambio, si como está representado en la parte inferior de la figura 2, se hace rotar el depósito, el líquido se acumula en la zona marginal exterior del depósito y entonces no tiene ninguna unión con el dispositivo de suministro y extracción de gas 2.
-
Inicialmente, es decir, al principio de la misión en tierra, el depósito y, por tanto, también el dispositivo de suministro y extracción de gas 2 están en mayor medida llenos de líquido 7. Durante el primer encendido principal se vacía la reserva. La fase de la extracción de combustible hace que el líquido que falta sea sustituido por gas, siendo introducido gas en el depósito por el dispositivo. La reserva está dimensionada de tal forma que la abertura inferior 9 ya no está comunicada con el líquido, en cuanto ha terminado el primer encendido. Entonces, el sistema está en mayor medida libre de líquido.
-
Fases balísticas con una baja aceleración, por ejemplo durante la colocación de un satélite (figura 3): El líquido se encuentra entonces en un movimiento caótico dentro del depósito y se pueden humedecer esporádicamente las aberturas 3 y 9 en forma de trompeta.
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Según la misión planeada, también se pueden integrar en un depósito varios dispositivos de suministro y extracción de gas. En la parte superior de la figura 4, esto está representado al ejemplo de un depósito 34 para un vehículo espacial que despega y aterriza en horizontal, llevando en esta figura los componentes idénticos los mismos signos de referencia que en las figuras anteriores. Entonces, el líquido se puede encontrar durante la fase en el fondo y, durante el vuelo, en diferentes zonas dentro del depósito 34, como está representado en el centro y en la parte inferior de la figura 4, estando distribuidos los dispositivos de suministro y extracción de gas según el perfil de la misión. En el caso del ejemplo de realización representado aquí, dos dispositivos de suministro y extracción de gas 2 están comunicados entre si por un conducto 35 de tal forma que el gas puede ser aspirado por un dispositivo de extracción 2 discrecional y ser suministrado a un consumidor no representado en la figura. El número de dispositivos de suministro y extracción de gas 2 comunicados en principio es discrecional.
Cada dispositivo de suministro y extracción de gas 2 de las figuras anteriores presenta la estructura de varias etapas, representada en la figura 5, con una carcasa 25 y aberturas 3 y 9 en forma de trompeta, dispuestas en ésta. Dentro de las aberturas 3 y 9 en forma de trompeta se encuentran, cubiertas por un recubrimiento 30, 32 en forma de plato, una serie de chapas 10 dispuestas unas detrás de otras de tal forma que forman un ángulo agudo con las aberturas 3 y 9 en forma de trompeta. Siendo propulsado de forma capilar, el líquido se acumula en mayor medida en las esquinas 11 que las chapas 10 forman con las aberturas 3 y 9 en forma de trompeta. El cuello de trompeta lo forma respectivamente un casquillo de tamiz doble 12, cuya estructura está representada detalladamente en la figura 7. Dos tamices 13 están limitados respectivamente por dos placas perforadas 14. Además, dos casquillos 15 y 16, de entre los cuales el casquillo interior 16 está provisto de agujeros, se encuentran entre la combinación de tamices 13 y placas perforadas 14. Cuando entra líquido en el cuello de trompeta, la humectación de las zonas entre los tamices 13 y las placas perforadas 14 o entre el casquillo 15 y el casquillo perforado 16 conduce a una humectación completa de las estructuras de cuerpo sólido y a la inclusión de una burbuja de gas en la zona interior del casquillo de tamiz doble 12.
La entrada de líquido se reduce por la llamada presión bubblepoint de los dos tamices 13. Es aquella presión que ha de ejercer una corriente para eliminar la burbuja de gas de la zona interior del casquillo de tamiz doble 12. De esta forma se minimiza eficazmente la entrada de mayores cantidades de líquido. La presión bubblepoint necesaria depende de la velocidad de circulación de la mezcla de líquido y gas.
Detrás del casquillo de tamiz doble 12 se encuentra una barrera de humectación 17 que puede estar compuesta de un canto soldado o, alternativamente de una arandela que sobresale verticalmente hacia la pared tubular 18 del cuello de trompeta.
Las aberturas 3 y 9 en forma de trompeta desembocan en una zona interior 19 de la carcasa 25, que en el caso del ejemplo de realización representado aquí, está realizada de forma cilíndrica y que recoge la cantidad residual de líquido que entra. Alternativamente, para aumentar el volumen, la zona interior 19 también puede tener otras formas geométricas o un diámetro variable, por ejemplo, una zona interior esférica o una forma redonda cuadrada en lugar de una forma cilíndrica. En la zona inferior de la zona interior 19 se encuentra una placa 20 que forma una ranura 21 con el lado inferior 22 de la zona interior 19.
La zona interior 19 está provista de una serie de chapas capilares 23 y 24 que evacúan a la zona de reserva, es decir la zona interior 19, la cantidad residual de líquido que entra a través de las aberturas 3 y 9 en forma de trompeta. Cerca de las aberturas 3 en forma de trompeta, las chapas capilares 23 y 24 están configuradas sólo de forma estrecha, para que allí no puedan acumularse grandes cantidades de líquido. Para evitar además que mayores cantidades de líquido se encuentren cerca de la abertura 9 en forma de trompeta, las chapas capilares finalizan antes del fondo de la zona interior o continúan sólo en forma estrecha hasta el lado inferior 22 para evacuar a las chapas capilares 23 y 24 el líquido que se acumule cerca del fondo 22. Las chapas capilares 23 y 24 están montadas en la superficie interior de la carcasa 25. Para optimizar el comportamiento de llenado capilar, dichas chapas 23 y 24 están configuradas de forma alterna más cortas y más largas.
La zona central de la carcasa 25 está libre de chapas capilares 24, de modo que en esta zona se encuentra preferentemente gas. En el extremo superior 26 del dispositivo de suministro y extracción 2 se encuentra otra cámara de separación 27 helicoidal, como se puede ver en la sección A-A en la figura 9. La cámara de separación 27 está realizada de tal forma que un elemento de tamiz 28 está dispuesto de forma helicoidal. Esta curvatura hace que el líquido residual situado en el gas se acumule en el elemento de tamiz 28. Una chapa capilar 29 de las chapas capilares 24 dispuestas aquí de forma estelar está prolongada de tal forma que el líquido residual que se expulsa de la cámara de separación 27 vuelve a suministrarse a la zona de reserva 19. Por tanto, la separación de las fases se realiza en mayor medida con propulsión capilar.
El dispositivo de extracción 2 está fijamente unido con la tapa de depósito 6, de modo que resulta un buen contacto termal. La tapa de depósito 6 que, al menos en depósitos que se usan con líquidos criogénicos, es relativamente caliente en relación con el líquido 7, hace que el dispositivo de extracción tenga una temperatura relativamente alta en relación con el líquido 7. El dispositivo de extracción actúa entonces como un intercambiador térmico pasivo y proporciona temperaturas más homogéneas del gas a presión que sale.
El tubo de suministro y extracción 5 evacúa el gas separado del dispositivo de suministro y extracción de gas y, por tanto, del depósito de combustible. La parte superior de la zona interior 26 también puede realizarse de tal forma que, como está representado en la figura 6, el tubo de suministro y extracción salga lateralmente del elemento de tamiz 28 que actúa como centrífuga, extendiéndose hacia abajo a través del depósito. Alternativamente a la forma de realización representada en la figura 5, el tubo 5 también puede salir lateralmente de la zona interior 19. En la figura 8 están representados esquemáticamente la corriente en caso de la carga de una de las aberturas en forma de trompeta por el líquido y la separación del líquido del gas al ejemplo de una de las aberturas 3 en forma de trompeta y de la abertura 9 en forma de trompeta.
La disposición permite una separación segura de fases hasta que la zona de las chapas capilares 23 de la zona de reserva 25 está completamente llena de líquido. Por lo tanto, el tamaño de la reserva 25 está dimensionado de tal forma que sea suficiente para una fase balística. Un vaciado de la reserva 25 a través de la abertura inferior 9 en forma de trompeta es posible aplicando una aceleración. El recubrimiento 32 en forma de plato está realizado de tal forma que presenta uno o varios agujeros 31. De esta manera, se evita que el líquido pueda acumularse en el recubrimiento 32 en forma de plato durante el vaciado. Por último, el vaciado del sistema por la abertura inferior 9 en forma de trompeta está representado esquemáticamente en la figura 9. La flecha 33 describe el sentido de la aceleración.

Claims (4)

1. Depósito para almacenar líquidos criogénicos o combustibles líquidos almacenables para la operación de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio transportador, así como con al menos un dispositivo de suministro y extracción de gas en forma de un depósito rellenable que presenta una bandeja de depósito, en el que se realiza una separación del gas propelente del líquido mediante tamizado aprovechando la tensión superficial, caracterizado porque el dispositivo de suministro y extracción de gas (2) está dispuesto directamente en la bandeja del depósito (1), en la zona superior del depósito, y unido directamente con ésta, componiéndose de una carcasa (25) sustancialmente cilíndrica, provista de una serie de aberturas (3) dispuestas perimetralmente en la zona superior de la carcasa (25), que se ensanchan en forma de trompeta y que están cubiertas por placas deflectoras (30), así como con al menos una abertura (9) adicional, dispuesta en la zona inferior de la carcasa (25), que se ensancha en forma de trompeta y que está cubierta por una placas deflectora (32) y que presenta un tubo de extracción (29) que conduce a al menos una salida, estando provista cada una de las aberturas (3, 9) con chapas (14) dispuestas una detrás de otra en lados alternos, que entran en la abertura (3, 9), y unida a través de un doble tamiz (12) con el interior de la carcasa (25), estando dispuestas en la pared interior de la carcasa (25) chapas (24) que se extienden paralelamente respecto al eje longitudinal de la carcasa (25), presentando la placa deflectora (32) horizontal uno o varios agujeros (31), en forma de plato, prevista para cubrir la abertura (9) inferior en forma de trompeta.
2. Depósito según la reivindicación 1, caracterizado porque está configurado para recibir líquidos criogénicos, tales como hidrógeno líquido u oxigeno líquido.
3. Depósito según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque está configurado para recibir combustibles almacenables, tales como monometilhidracina (MMH) o hidracina (N_{2}H_{4}).
4. Depósito según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque está configurado para recibir un oxidante como el tetraóxido de dinitrógeno (N_{2}O_{4}).
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