ES2645641T3 - Depósito resistente a las sobrepresiones provocadas por un impacto de proyectil - Google Patents

Depósito resistente a las sobrepresiones provocadas por un impacto de proyectil Download PDF

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Abstract

Depósito (10, 100) de líquido (2), adaptado para resistir las sobrepresiones provocadas por un impacto de proyectil y dispuesto en el interior de una estructura (4), comprendiendo el citado depósito un dispositivo de gestión de las sobrepresiones, comprendiendo el citado dispositivo una capa (3) de espuma hiperelástica a base de polietileno, caracterizado por que el espesor de la capa de espuma hiperelástica está comprendido entre 5 mm y 15 mm y la espuma hiperelástica a base de polietileno es de células cerradas.

Description

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DESCRIPCION
Deposito resistente a las sobrepresiones provocadas por un impacto de proyectil
La presente invencion concierne al ambito de los depositos de liquido, como por ejemplo carburante, y de modo mas particular a un deposito que comprende un dispositivo que permite gestionar la sobrepresion generada por un proyectil que atraviese un deposito lleno de liquido.
El problema, cuando el liquido de un deposito flexible o integrado en el interior de una estructura, como por ejemplo una aeronave o un vehiculo terrestre, es atravesado por un proyectil, es el de la sobrepresion que se genera. Esta sobrepresion en el seno del liquido puede llevar a la destruccion del deposito por estallido.
En efecto, el proyectil desplaza en su trayectoria un volumen de liquido que, por naturaleza, es en general incompresible.
En los depositos actuales, no hay expansion posible del volumen que contiene el liquido, durante el atravesamiento del liquido por un proyectil, lo que hace que se aplique una presion de manera creciente sobre las paredes del deposito hasta la rotura de las paredes del deposito. De modo mas preciso, la interaccion entre el proyectil y el fluido produce en el primero una perdida de energia cinetica y, en el segundo, un desplazamiento creciente que, si el mismo no es compensado, generara esta elevacion de presion. La onda de presion resultante golpeara la pared del deposito de carburante en una zona relativamente grande y, en funcion de la amplitud de esta onda y de la construccion del deposito de carburante, puede romper la pared del deposito.
Actualmente, ningun deposito permite gestionar totalmente esta presion de volumen. El riesgo de perder una aeronave o un vehiculo por explosion del deposito despues de un impacto balistico es por tanto muy importante.
Ciertos depositos flexibles, en particular los dotados con una doble pared que contiene una espuma con una funcion de auto-obturacion despues de la perforacion, por ejemplo en el caso de ciertas aeronaves militares, pueden eventualmente limitar los efectos de disparos de balas. Sin embargo, tal espuma esta lejos de ser adecuada para absorber la sobrepresion generada por la penetracion del proyectil.
Diversas tecnicas conocidas pueden responder mas o menos al objetivo de reduccion de vulnerabilidad de un deposito frente a una amenaza balistica. Estas tecnicas tendentes a reducir los efectos de sobrepresion son las siguientes:
- imbricacion de dos depositos (denominado igualmente « tank in tank » segun la terminologia inglesa), debiendo romperse el que esta en el interior del mas grande bajo el impacto balistico y vaciar su contenido en el otro,
- utilizacion de un revestimiento de caucho en el interior del deposito (denominado igualmente « rubber layers around tank » segun la terminologia inglesa), que permite desacoplar el fluido de la estructura que forma el deposito,
- utilizacion de un revestimiento de caucho reforzado con fibras en el interior del deposito, que es un derivado del concepto precedente,
- utilizacion de un deposito flexible de Kevlar lleno de espuma de celulas abiertas (denominado igualmente « foam in bladder tank » segun la terminologia inglesa).
- utilizacion de un deposito de paredes hinchables (denominado igualmente « nitrogen inflated ballistic bladder » system segun la terminologia inglesa), descrito en la patente US 4925057,
- utilizacion de refuerzos ondulados de fibras de vidrio/resina pegados entre el deposito de paredes rigidas y la estructura que contiene a este ultimo (retomando un principio descrito en las patentes US 4469295 y US 7566489) y que puede deformarse bajo el efecto de sobrepresion,
- utilizacion de una capa sacrificial (denominada igualmente « sacrificial layer » segun la terminologia inglesa) que tapiza el interior del deposito, hecha de bloques alveolares recubiertos de una piel de fibras de vidrio/resina (para la estanqueidad de los alveolos), que puede aplastarse bajo el efecto de sobrepresion.
Sin embargo, estos depositos no estan adaptados a elevadas presiones y ademas no permiten limitar los danos causados por varios impactos sucesivos o simultaneos de proyectiles.
Por la patente EP 2048079 se conoce igualmente un conjunto de depositos de carburante y un procedimiento correspondiente que permiten limitar los danos que podria ocasionar el impacto de un proyectil balistico, en particular los danos de tipo orificio que favorece una fuga de carburante. Esta patente describe un doble deposito formado por dos vejigas imbricadas y asi capaz de limitar los danos ocasionados por un impacto balistico. El conjunto comprende igualmente una pluralidad de conectores dispuestos entre las dos vejigas a fin de limitar al menos parcialmente la expansion de la vejiga. Asi, este conjunto permite limitar la expansion de la vejiga interna, pero no permite impedir la explosion del deposito si la presion ejercida por la expansion de volumen de carburante durante la penetracion del proyectil es demasiado importante.
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Finalmente, se conoce un producto a base de espuma de poliuretano que protege los depositos de carburante unicamente contra los efectos electrostatico y el traqueteo, al tiempo que asegura la inertizacion de los vapores y una barrera contra los residuos externos. Este sistema no permite gestionar las sobrepresiones generadas por un impacto balistico.
El documento US 3567536 describe un deposito de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.
La presente invencion tiene por tanto por objeto paliar uno o varios de los inconvenientes de la tecnica anterior proponiendo un deposito adaptado para resistir las sobrepresiones generadas por un impacto de proyectil.
De modo mas preciso, la presente invencion propone un dispositivo de gestion de las sobrepresiones en el seno de un deposito de liquido.
Para esto, la presente invencion propone un deposito, de liquido, adaptado para resistir las sobrepresiones provocadas por un impacto de proyectil y dispuesto en el interior de una estructura, comprendiendo el citado deposito un dispositivo de gestion de las sobrepresiones.
La mejora se refiere por tanto a la expansion del volumen que contiene el liquido a traves de un dispositivo mecanico adaptado muy simple.
El objetivo de la invencion es obtener una expansion de manera simple, duradera y pasiva, tanto para depositos existentes como para nuevos depositos que haya que disenar. Por duradero hay que entender la aptitud para obtener expansiones sucesivas si varios proyectiles atraviesan el deposito a lo largo del tiempo. Dicho de otro modo, el dispositivo mecanico no debe ser un consumible.
De acuerdo con la invencion, el dispositivo de gestion de las sobrepresiones comprende una capa de espuma hiperelastica. Se entiende por espuma hiperelastica una espuma capaz de comprimirse fuertemente bajo carga y retomar su forma inicial tras la descarga. Se trata preferentemente de una espuma a base de polietileno.
De acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, el dispositivo esta dispuesto en el interior del deposito, especialmente cuando el deposito es parte integrante de una estructura como, por ejemplo, un plano de sustentacion o un fuselaje.
De acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, el dispositivo esta dispuesto al exterior del deposito, entre la pared externa flexible del deposito y la estructura que contiene a este ultimo.
De acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, el espesor de la capa de espuma hiperelastica esta adaptado en funcion del volumen de expansion deseado.
De acuerdo con la invencion, el espesor de la capa de espuma hiperelastica esta comprendido entre 5 mm y 15 mm.
De acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, el dispositivo recubre al menos cuatro caras del deposito cuando el deposito tiene una forma paralelepipedica.
De acuerdo con la invencion, la espuma hiperelastica es de celulas cerradas.
Otras caracteristicas y ventajas de la invencion se comprenderan mejor y se pondran de manifiesto de modo mas claro en la lectura de la descripcion hecha a continuacion, refiriendose a las figuras anejas y dadas a titulo de ejemplo:
- la figura 1 es una representacion esquematica de una vista en corte de una parte de una variante del deposito de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion,
- la figura 2 es una representacion esquematica de una vista en corte media de una variante del deposito de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion,
- la figura 3 ilustra los resultados (fuerza global de reacciones de las cuatro paredes en funcion del tiempo) obtenidos para un deposito de acuerdo con la tecnica anterior a) totalmente lleno, b) lleno al 90%,
- la figura 4 ilustra los resultados (fuerza global de reacciones de las cuatro paredes en funcion del tiempo) obtenidos para un deposito de acuerdo con la invencion a) totalmente lleno, b) lleno al 90%.
La presente invencion concierne a un dispositivo totalmente mecanico, pasivo, simple que permite obtener la expansion de un deposito que contiene un liquido.
En el marco de la invencion el deposito es por ejemplo un deposito flexible o un deposito integrado. Se entiende por deposito flexible, un deposito formado por una envuelta que no es la estructura en el interior de la cual el mismo esta dispuesto. Se entiende por deposito integrado, un deposito formado por la estructura en el interior de la cual el mismo esta dispuesto.
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El liquido presente en el interior de deposito es por ejemplo carburante.
Las paredes del deposito definen el volumen de almacenamiento de liquido. El deposito esta dispuesto en el interior de una estructura, y por ejemplo en el interior de una estructura de tipo aeronave. El deposito puede estar dispuesto igualmente en el interior de una estructura de tipo vehiculo terrestre o cualquier otro tipo de estructura que comprenda un deposito que pueda ser llenado de liquido.
El dispositivo utilizado para contrarrestar los efectos debidos al atravesamiento de un proyectil en el liquido, esta constituido por una capa de espuma. La espuma utilizada en el marco de la presente invencion tiene un comportamiento mecanico de tipo hiperelastico. En efecto, es importante que el dispositivo permita gestionar el aumento de presion debido a la penetracion de un proyectil en el deposito, pero que igualmente permita gestionar aumentos de presion sucesivos o simultaneos. Para esto, es necesario que la espuma, despues de haber sido comprimida bajo el efecto de la sobrepresion, retome rapidamente su forma inicial. Ademas, la rigidez de compresion de la capa de espuma debe ser tal que la misma debe solicitar debilmente la estructura que la soporta, sea en presencia o no de un deposito anadido.
Se entiende por espuma hiperelastica una espuma capaz de comprimirse fuertemente bajo carga y retomar su forma inicial tras la descarga. Una espuma de polietileno como la Ethafoam® 900, cuyas propiedades estan precisadas en la tabla 1, presenta dicho comportamiento. Pueden utilizarse otras referencias de espumas hiperelasticas.
Propiedades fisicas
Valores
Densidad
140 kg*m3
Deformacion remanente tras compresion
< 5%
Nivel de compresion:
Nivel de tension
10%
400 kPa
25%
500 kPa
50%
700 kPa
Tabla 1. Propiedades de la espuma hiperelastica
La solucion propuesta en el marco de la presente invencion se aproxima asi a aquella de la citada « capa sacrificial » pero utilizando un material de comportamiento mecanico adaptado.
En funcion del tipo de deposito utilizado, el dispositivo de acuerdo con la invencion se dispondra en el interior del deposito denominado integrado o al exterior del deposito de paredes flexibles.
De modo mas preciso, de acuerdo con una variante de la invencion ilustrada en la figura 1, en el caso de un deposito flexible, el dispositivo es colocado entre la estructura y la pared externa del citado deposito. En esta variante, el liquido 2 esta almacenado en el volumen interno del deposito 10. El proyectil 5 al penetrar en el deposito 10 crea ondas 51 que ejerceran una sobrepresion 52 y deformaran la pared 53 del deposito 10. Esta deformacion es amortiguada por la capa de espuma 3 dispuesta entre la estructura 4 y el deposito 10.
De acuerdo con un modo de realizacion, la estructura esta compuesta de dos pieles de material compuesto entre las cuales esta dispuesta por ejemplo una capa de material 41 alveolar. La capa de espuma esta intercalada entre la pared del deposito flexible y el panel sandwich asi construido. La resistencia mecanica de esta estructura 4 es superior a la resistencia mecanica de la espuma. El panel sandwich puede comprender un soporte 6 de fijacion.
En este tipo de variante, es decir un deposito 10 flexible alojado en el fuselaje o en el plano de sustentacion, puede utilizarse una espuma de celulas abiertas o cerradas. En efecto, el liquido no esta directamente en contacto con la espuma, no es por tanto necesario que la misma sea de celulas cerradas.
De acuerdo con otra variante de la invencion ilustrada en la figura 2, en el caso de un deposito 100 integrado, es decir formado por la estructura de la aeronave, la espuma 3 tapiza la pared interna 11 del citado deposito 100 al menos en 4 caras. En esta variante, las paredes 12 del deposito pueden estar formadas directamente por la estructura, por ejemplo, de la aeronave. El proyectil 8 esta representado en una pared, en fase de perforacion. El nivel de liquido en el deposito 100 esta ilustrado por la linea 7.
En este tipo de variante, es decir en el caso de un deposito 100 integrado por ejemplo en fuselaje o en plano de sustentacion, la espuma en contacto directo con el carburante es preferentemente de celulas cerradas para evitar cualquier migracion de liquido en las celulas.
En los dos tipos de variantes, deposito flexible o integrado, cuando el deposito es de forma paralelepipedica, y por ejemplo cubico o rectangular, la espuma esta dispuesta preferentemente al menos en cuatro caras paralelas a la
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trayectoria del proyectil. De acuerdo con un modo de realizacion, la espuma tapiza la totalidad de las caras del deposito.
De acuerdo con un modo de realizacion, la capa de espuma hiperelastica tiene un espesor comprendido entre 5 mm y 15 mm, y preferentemente igual a 10 mm.
De acuerdo con una variante de la invencion la espuma utilizada puede ser a base de polietileno (PE) de celulas cerradas, como la presentada con el nombre comercial Ethafoam® 900.
De acuerdo con una variante de la invencion, tal dispositivo puede ser utilizado por los disenadores de depositos flexibles, y por ejemplo para depositos de doble pared dotados en origen de una espuma que tiene principalmente la funcion de auto-obturacion, por reaccion quimica con el carburante, en caso de perforacion. La adicion de la espuma entre dos paredes de elastomero permite ademas gestionar la sobrepresion debida a la penetracion de un proyectil.
Puede considerarse una actualizacion de los depositos existentes, pero tambien el diseno de nuevos depositos integrados que incorporen el dispositivo de acuerdo con la invencion.
En todos estos tipos de aplicaciones, el hecho de utilizar una espuma con comportamiento hiperelastico permite garantizar una utilizacion eficaz en el tiempo.
En efecto, en el caso, por ejemplo, de una aeronave militar, la amenaza balistica no es unica, varios proyectiles pueden alcanzar y atravesar el deposito sucesiva y/o simultaneamente. Son por tanto necesarias multiples y sucesivas expansiones del volumen que contiene el carburante. Una espuma hiperelastica permite asi responder a este tipo de exigencias y de este modo limitar el riesgo de perder la aeronave por explosion del deposito no equipado con esta capa de espuma, despues de un impacto balistico.
Ejemplo de puesta en practica de la invencion
La solucion propuesta es puesta en practica a traves de simulaciones numericas a fin de mostrar el beneficio aportado por una espuma hiperelastica.
El ejemplo concierne a un deposito cubico (ilustrado en la figura 2, visto en corte medio) de dimensiones 200 mm (H) x 200 mm (A) x 200 mm de acuerdo con dos configuraciones.
- totalmente lleno,
- lleno al 90%.
Todas las paredes se suponen infinitamente rigidas y cuatro de las mismas en periferia soportan una capa de espuma:
- de poliuretano (PU) rigido,
- o de polietileno (PE) de tipo Ethafoam® 900 de acuerdo con la invencion.
En los dos casos, el espesor de la espuma es de 10 mm. Un proyectil cubico de 8 mm llega a la velocidad inicial de 250 m/s al campo liquido.
En el transcurso de las simulaciones se registra, para cada pared rigida que soporta una capa de espuma, el esfuerzo global de reaccion en funcion del tiempo.
La figura 3a ilustra los resultados obtenidos en presencia de un deposito totalmente lleno y dotado de una espuma rigida de PU, el pico de esfuerzo alcanza aproximadamente 57800 N, o sea una presion media superior a 14 bares. Cuando el deposito, siempre dotado de la misma espuma, esta lleno al 90% (vease la figura 3b), el pico de esfuerzo llega aproximadamente a 31800 N, o sea una presion media proxima a 9 bares.
La figura 4a ilustra los resultados obtenidos en presencia de un deposito totalmente lleno y dotado de una espuma de PE de tipo Ethafoam® 900 con un llenado al 100%, el esfuerzo maximo es de aproximadamente 2430 N, o sea una presion media de aproximadamente 0,6 bares. El deposito, dotado siempre de la misma espuma, esta lleno al 90% (vease la figura 4b), el esfuerzo de reaccion permanece inferior a 1800 N, o sea una presion media inferior a 0,5 bares.
Estos resultados de simulaciones son significativos porque se observa una reduccion de la sobrepresion del 95% para un deposito lleno al 100% o al 90% y dotado de la espuma PE hiperelastica. El rendimiento de la espuma PE hiperelastica como la Ethafoam® 900, es ampliamente superior a lo que puede obtenerse con una espuma PU rigida.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Deposito (10, 100) de liquido (2), adaptado para resistir las sobrepresiones provocadas por un impacto de proyectil y dispuesto en el interior de una estructura (4), comprendiendo el citado deposito un dispositivo de gestion de las sobrepresiones, comprendiendo el citado dispositivo una capa (3) de espuma hiperelastica a base de
    5 polietileno, caracterizado por que el espesor de la capa de espuma hiperelastica esta comprendido entre 5 mm y 15 mm y la espuma hiperelastica a base de polietileno es de celulas cerradas.
  2. 2. Deposito de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual el dispositivo (3) esta dispuesto en el interior del deposito (10, 100).
  3. 3. Deposito de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual el dispositivo (3) esta dispuesto al exterior del deposito, 10 entre la pared externa del deposito (10, 100) y la estructura (4).
  4. 4. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual el espesor de la capa de espuma hiperelastica es adaptado en funcion del volumen de expansion deseado.
  5. 5. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, teniendo el citado deposito una forma paralelepipedica y recubriendo el dispositivo (3) al menos cuatro caras del citado deposito.
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