FR2825135A1 - Systeme embarque de stockage de gaz et d'alimentation en gaz - Google Patents

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FR2825135A1
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gas
heat
heat exchanger
pressure
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FR0206167A
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Philip Beck
Bernard Kutter
Frank Zegler
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Lockheed Martin Corp
Original Assignee
Lockheed Corp
Lockheed Martin Corp
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    • F17C2270/0186—Applications for fluid transport or storage in the air or in space
    • F17C2270/0197—Rockets

Abstract

Un système et un procédé assurent le stockage et la fourniture de gaz sous pression à bord d'un véhicule lanceur tel qu'un aéronef à fusée. Certains véhicules à moteur-fusée nécessitent de mettre sous pression un ou plusieurs réservoirs de propergol pour fournir en continu du propergol aux moteurs-fusées et pour maintenir l'intégrité structurale des réservoirs. Conformément au système décrit ici, certains éléments chauffants peuvent être utilisés pour régler la pression dans une bouteille d'alimentation en gaz pendant l'écoulement du gaz depuis la bouteille afin de fournir une alimentation continue en gaz sous pression et de pouvoir utiliser un pourcentage élevé du gaz stocké dans la bouteille. En outre, le système décrit ici assure le stockage d'hélium à des densités supérieures à celles de l'hélium liquide et par l'utilisation d'une source de chaleur, telle qu'un gaz chaud fourni par un moteur-fusée, assure une alimentation en gaz telle qu'il peut être utilisé pour une mise sous pression d'un réservoir. Le système utilise des propriétés inhabituelles de l'hélium dans des conditions de température extrêmement basses et de hautes pressions pour disperser la chaleur nécessaire à l'intérieur de la bouteille en n'utilisant que des effets de convexion libre.

Description

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DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention décrite ici concerne un système et un procédé embarqués de stockage de gaz, et plus particulièrement un système et un procédé pour stocker une plus grande quantité d'un gaz sous pression à bord d'un véhicule lanceur, et pour accéder à une plus grande partie dudit gaz.
CONTEXTE DE L'INVENTION
Divers véhicules lanceurs, tels que des véhicules à moteur-fusée, ont par moment besoin d'une source de gaz comprimé. Par exemple, des moteurs-fusées à propergol liquide ont habituellement un ou plusieurs réservoirs à bord qui stockent du propergol pour le moteur-fusée. Des réservoirs de propergol tels que ceux qui stockent de l'oxygène liquide (LOX) ou du kérosène, nécessitent habituellement une mise sous pression du réservoir pour expulser le propergol à un débit réglé vers les moteursfusées ou pour maintenir l'intégrité structurelle du réservoir. Certains gaz sont habituellement utilisés pour cette application, car ils ne se condensent pas aux températures du propergol. Un gaz qui est régulièrement utilisé à cet effet est l'hélium.
Dans une utilisation typique de l'hélium à cet effet, avant le décollage d'un véhicule lanceur qui utilise du propergol liquide, du matériel de servitude au sol (GSE) charge de l'hélium gazeux sous pression (GHE) dans des bouteilles de stockage pour le vol aux températures ambiantes. La pression à laquelle l'hélium gazeux est stocké dans la bouteille de vol assure l'écoulement de l'hélium GHE depuis la bouteille de vol jusqu'aux réservoirs de propergol. Dans une application typique, il peut être nécessaire d'utiliser de nombreux récipients pour fournir la quantité souhaitée d'hélium gazeux.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
Les inventeurs ont reconnu qu'il serait souhaitable d'utiliser un système d'alimentation en gaz sous pression configuré pour contenir une grande quantité de gaz sous
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pression, puis pour accéder sensiblement à la totalité du gaz afin de réduire la quantité de gaz résiduelle restant dans la bouteille. Les inventeurs ont en outre reconnu qu'il serait souhaitable qu'un tel système soit configuré de façon à utiliser des systèmes et des composants déjà présents sur l'engin aérien particulier, et que des modifications importantes n'aient pas à être réalisées sur le système actuel pour utiliser le système décrit ici.
On décrit ici un système et un procédé pour procurer une source de gaz sous pression. Le système peut comprendre une bouteille qui est configurée de façon à avoir une intégrité structurale suffisante pour recevoir et contenir un gaz stocké, où la bouteille comprend au moins un dispositif à robinet destiné à commander l'écoulement d'entrée et l'écoulement de sortie du gaz stocké. Au moins un dispositif chauffant, configuré de façon à réaliser une transmission de chaleur du dispositif au gaz contenu dans la bouteille afin d'affecter la pression du gaz, peut être placé à l'intérieur de la bouteille. Le système peut en outre comprendre une conduite d'alimentation pouvant être raccordée au premier dispositif à robinet qui dirige l'écoulement du gaz vers un emplacement éloigné.
Dans une configuration de l'invention, le système décrit ici peut être placé à bord d'un véhicule lanceur à moteur-fusée qui utilise une source de gaz sous pression pour mettre sous pression un réservoir de propergol. Par exemple, dans des fusées à combustible liquide, un gaz inerte tel que de l'hélium peut être utilisé pour mettre sous pression les réservoirs de propergol afin de produire un écoulement constant de propergol et de maintenir l'intégrité structurale du réservoir pendant le vol.
Le système décrit ici est configuré de façon à régler la pression de l'hélium à l'intérieur de la bouteille de stockage et à assurer l'écoulement de l'hélium gazeux sous pression vers les réservoirs de propergol.
Lorsque de l'hélium ou d'autres gaz inertes sont stockés,
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la bouteille peut être configurée de façon à recevoir et stocker le gaz dans un état surcritique, à haute densité, extrêmement froid. L'hélium surcritique peut être stocké dans la bouteille à une pression élevée. Dans une configuration de l'invention, le dispositif chauffant effectue la tâche de chauffer l'hélium surcritique dans la bouteille afin d'établir une pression souhaitée à l'intérieur de la bouteille. Le gaz sous pression peut ensuite sortir de la bouteille et être dirigé vers une source éloignée telle qu'un réservoir de propergol.
Dans une autre configuration encore de l'invention, le dispositif chauffant peut comprendre un échangeur de chaleur à travers lequel un milieu peut passer, lequel transmet sa chaleur au contenu de la bouteille. Un milieu peut être l'hélium gazeux lui-même qui est acheminé depuis la bouteille jusqu'à un échangeur de chaleur éloigné, chauffé, puis renvoyé à un échangeur de chaleur dans la bouteille. L'échangeur de chaleur éloigné peut utiliser un gaz chaud provenant du système de propulsion du véhicule lanceur en tant que source de chaleur. D'autres dispositifs autonomes, tels qu'un dispositif chauffant électrique, peuvent également être utilisés à cet effet.
Lorsque l'hélium gazeux chauffé est amené à passer à travers l'échangeur de chaleur dans la bouteille, il transmet de la chaleur au contenu de la bouteille. Cette transmission de chaleur de l'hélium au contenu stocké a pour avantage que le milieu est à présent refroidi au point qu'il n'est pas assez chaud pour endommager des constituants en aval dans le système. Le milieu sortant de l'échangeur de chaleur de la bouteille peut alors être acheminé par une conduite extérieure d'alimentation jusqu'à sa destination finale, qui peut être un réservoir de propergol.
Dans la configuration de l'invention, où le système est configuré de façon à stocker à et à donner
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accès à un gaz surcritique à haute densité tel que de l'hélium, l'appareil à bouteille utilisé à cet effet peut comprendre une partie de récipient intérieure (enceinte sous pression) qui est constituée d'une matière ayant une résistance et une ductilité suffisantes pour assurer le stockage du gaz à des températures extrêmement basses. Dans une autre configuration encore de l'invention, la partie à enceinte sous pression peut être constituée d'alliage de titane recuit de qualité TI-6Al-4V à positions interstitielles très faibles (ELI) car cette qualité particulière présente une chaleur spécifique et une conductivité thermique très basses, une résistance très élevée, une ductilité appropriée et une faible masse volumique. La bouteille peut en outre être configurée de façon à avoir au moins un dispositif à robinet pour régler l'écoulement de l'hélium gazeux en entrée et en sortie de la bouteille.
Au moins une couche de réglage de température peut être disposée autour de la partie à enceinte sous pression. Cette couche de réglage de température peut être composée d'éléments multiples, mais dont le but principal est de réduire le flux de chaleur depuis l'environnement extérieur vers le contenu de l'enceinte sous pression et d'évacuer la chaleur depuis l'enceinte sous pression ellemême. Dans une configuration, l'enceinte sous pression est entourée d'un carénage qui crée l'espace annulaire à travers lequel un flux de refroidissement s'écoule. De l'hélium liquide peut être utilisé en tant que liquide de refroidissement pour refroidir et maintenir l'enceinte sous pression et le contenu de l'enceinte sous pression dans la bande souhaitée de température en interceptant la chaleur provenant de l'environnement et en éliminant la chaleur provenant de l'enceinte sous pression elle-même. La surface extérieure du carénage peut être recouverte d'un matériau isolant constitué d'une mousse ou d'une nappe de fibre de
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céramique pour minimiser la quantité de fluide de refroidissement nécessaire.
Dans une autre configuration encore, la couche de réglage de température est composée d'un écran refroidi par de la vapeur. L'écran refroidi par de la vapeur est formé en plaçant une couche d'isolant en contact direct avec la paroi extérieure de l'enceinte sous pression, et en appliquant ensuite une mince feuille métallique conductrice de la chaleur, et en plaçant enfin un tube qui contient un fluide de refroidissement en contact avec la couche formée de la mince feuille métallique. Le fluide de refroidissement peut être fourni à partir du contenu de l'enceinte sous pression ou à partir d'une source indépendante et l'écoulement peut être réglé par un ou plusieurs robinets. Ces couches sont ensuite recouvertes d'une mousse ou d'une nappe céramique isolante. Dans cette configuration, l'enceinte sous pression est refroidie par l'ébullition de son contenu, les gaz dégagés par l'ébullition sortant du réservoir à travers un orifice.
Telle qu'elle a été décrite ci-dessus, la bouteille peut renfermer un dispositif chauffant destiné à chauffer le contenu de la bouteille et à régler ainsi la température et la pression intérieures. Dans une autre configuration de l'invention, l'échangeur de chaleur de la bouteille peut comporter un collecteur d'entrée configuré de façon à recevoir le milieu chauffé provenant de l'échangeur de chaleur placé à distance. Au moins un élément de forme tubulaire, s'étendant sensiblement à travers le volume intérieur de l'élément à récipient, s'étend depuis le collecteur d'entrée. Il peut y avoir un collecteur de demi-tour raccordé à l'élément tubulaire et qui est en outre raccordé à un autre élément tubulaire s'étendant à travers le volume intérieur de l'élément à récipient dans une direction sensiblement opposée à celle du premier élément tubulaire. Cet élément tubulaire est en outre raccordé à un collecteur de sortie qui dirige le gaz
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sous pression qui a été sensiblement refroidi par un fluide à l'intérieur de l'enceinte sous pression vers une conduite d'alimentation à l'extérieur de l'élément à récipient.
Dans une autre configuration encore de l'invention, l'enceinte sous pression est configurée de façon à avoir une ouverture polaire configurée pour permettre la mise en place et l'enlèvement de l'échangeur de chaleur. L'ouverture peut en outre être dimensionnée de façon à permettre le soudage du sous-constituant formé par l'enceinte sous pression depuis l'intérieur du récipient afin de réaliser une soudure de grande qualité avec un minimum de défauts. L'ouverture peut en outre permettre l'introduction d'outils de contrôle, d'un film radiographique et d'autres dispositifs qui facilitent l'examen de toute soudure réalisée dans la fabrication de l'enceinte sous pression. Dans une autre forme de réalisation encore de l'invention, la bouteille est supportée à la base par une plaque flexible de support qui procure une flexibilité adaptée et qui résiste aux températures élevées. La plaque flexible peut former une interface pour l'afflux de fluide de refroidissement à la couche de réglage de température et peut également former un joint étanche au gaz avec l'élément de la couche de réglage de température. La plaque flexible établit en outre un trajet sinueux pour le flux de chaleur dirigé de l'environnement vers le récipient intérieur, et procure aussi des passages pour un refroidissement afin d'éliminer sensiblement la chaleur qui pénètre par fuite avant d'atteindre l'enceinte sous pression. La plaque flexible peut être fabriquée en un alliage du type Inconel 718 vieilli qui a une résistance élevée, un module élevé et une conductivité thermique relativement basse, ainsi qu'une aptitude à l'usinage et une aptitude au soudage.
En fonctionnement, l'ensemble à bouteille décrit ci-dessus est d'abord positionné à bord du véhicule lanceur ou dans l'environnement dans lequel il doit fonctionner.
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Suivant le type de gaz utilisé et les conditions dans lesquelles il est introduit par pompage dans la bouteille, certaines préparations sont réalisées pour que la bouteille reçoive le gaz. Une fois que la quantité de gaz souhaitée est introduite par pompage dans la bouteille et que la température de la bouteille et la température et la pression du contenu sont à des niveaux souhaités, un dispositif à robinet utilisable pour régler l'écoulement de sortie du gaz peut être manipulé afin de régler la quantité de gaz sous pression qui sort.
Lorsque la bouteille se vide, un dispositif chauffant pouvant être placé à l'intérieur de la bouteille peut être activé et utilisé afin de transmettre une quantité souhaitée de chaleur au gaz restant dans la bouteille. Cette transmission de chaleur a pour effet d'élever la pression de la bouteille par rapport à une bouteille dépourvue d'une telle transmission de chaleur, procurant ainsi une alimentation appropriée en gaz dans une plage souhaitée de pression sur une plus grande période de temps. Cette chaleur offre également la possibilité d'utiliser la totalité ou pratiquement la totalité du gaz chargé dans le réservoir. La quantité de chaleur transmise au contenu de la bouteille est réglée afin d'ajuster la température de sortie de l'échangeur de chaleur de la bouteille pour maximiser la quantité totale d'énergie transmise aux réservoirs de propergol afin de minimiser la quantité totale d'hélium demandée sans provoquer une surchauffe de constituants en aval ou du réservoir de propergol. La conception de l'échangeur de chaleur maximise la convection libre entre l'échangeur de chaleur et le contenu de la bouteille afin de minimiser l'aire totale de transmission de chaleur demandée. Une accélération extérieure provoquée par le vol du véhicule à fusée sert également à renforcer la transmission de la chaleur car l'accélération a un effet positif sur la convection à l'intérieur de la bouteille. Dans la configuration de
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l'invention où le gaz stocké est de l'hélium surcritique à haute densité, le gaz peut être stocké initialement à une température d'environ 20 degrés R et à environ 4600 PSI. Si un dispositif chauffant autonome positionné à l'intérieur du réservoir est utilisé, ce dispositif chauffant est manipulé, en même temps que le robinet qui règle l'écoulement de sortie de gaz, pour procurer un gaz sous pression à un débit réglé.
Dans la configuration de l'invention dans laquelle un échangeur de chaleur extérieur est utilisé, le contenu (hélium froid) de la bouteille est d'abord acheminé en passant par une conduite d'alimentation jusqu'à l'échangeur extérieur de chaleur où il prélève de la chaleur rejetée du moteur-fusée ou d'une certaine autre source. On peut ensuite faire passer l'hélium à présent chaud dans l'échangeur de chaleur contenu dans la bouteille où il cède au gaz se trouvant dans la bouteille une partie de la chaleur acquise dans l'échangeur extérieur de chaleur, puis il sort dans un état encore suffisamment chaud pour mettre efficacement sous pression un réservoir tel que ceux utilisés en tant que réservoirs de propergol à bord de véhicules lanceurs utilisant des moteurs-fusées.
Avant d'utiliser l'ensemble à bouteille pour fournir une source de gaz sous pression, il peut être nécessaire de suivre une procédure particulière pour le chargement du gaz, en particulier dans le cas où le gaz stocké est de l'hélium surcritique. Dans la situation où le gaz sous pression est utilisé pour mettre sous pression un réservoir de propergol, avant le lancement du véhicule, l'ensemble à bouteille peut être raccordé à du matériel de servitude au sol. Une réfrigération initiale de l'ensemble à bouteille est réalisée en faisant couler un fluide de refroidissement constitué de LHe à travers le matériel de servitude au sol GSE, l'enceinte sous pression et la couche de réglage de température et en sortie à travers des évents. L'écoulement du fluide de refroidissement est
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poursuivi jusqu'à ce que l'enceinte sous pression soit sensiblement à la température de l'hélium liquide et soit sensiblement remplie d'hélium liquide. L'écoulement à travers l'enceinte sous pression et la couche de réglage de température peut être commandé de façon indépendante en utilisant le matériel GSE. Une fois que la bouteille et le système sont réfrigérés et que la bouteille est sensiblement remplie d'hélium LHE, la pression à l'intérieur de l'enceinte sous pression est élevée en utilisant une pompe à hélium liquide se trouvant dans l'équipement GSE jusqu'à ce que la pression de fonctionnement souhaitée soit atteinte. L'écoulement du fluide de refroidissement à travers la pompe de réglage de température se poursuit à une basse pression pendant tout ce processus pour continuer d'évacuer la chaleur s'écoulant de l'environnement vers l'enceinte sous pression et d'évacuer aussi la chaleur de compression à partir du fluide à l'intérieur de l'enceinte sous pression.
L'écoulement du fluide de refroidissement peut être ajusté afin d'obtenir les conditions souhaitées de température et de pression à l'intérieur de la bouteille avec une quantité minimale de fluide de refroidissement.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 montre un schéma d'un système de stockage de gaz à bord d'un véhicule lanceur à fusée.
La figure 2a est une vue en perspective du récipient intérieur (enceinte sous pression) avec une plaque flexible de montage et la figure 2b montre une vue en coupe transversale d'une partie de l'enceinte sous pression et de la plaque flexible de montage.
La figure 3 montre une coupe transversale d'une autre configuration de la bouteille de stockage.
La figure 4 montre une configuration de l'échangeur de chaleur pouvant être placée à l'intérieur du réservoir de stockage de gaz.
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Les figures 5a et 5b montrent une autre configuration de l'échangeur de chaleur pouvant être placée à l'intérieur du réservoir de stockage de gaz.
La figure 6 montre une configuration du système de stockage de gaz qui ne présente pas un échangeur de chaleur extérieur.
La figure 7 montre un schéma d'un système pour les installations utilisées dans le processus de réfrigération et de remplissage pour la bouteille de stockage de gaz embarquée.
La figure 8 est un organigramme qui décrit les étapes exécutées lors de la réfrigération et du remplissage de la bouteille de stockage de gaz.
DESCRIPTION DETAILLEE
On décrit ici un système et un procédé pour le stockage d'un gaz, le système étant configuré de façon à fournir de grandes quantités de gaz sous pression dans des situations présentant une demande maximale élevée, avec une complexité minimale du système et un coût et un poids minimaux en pratique, tout en fonctionnant dans un environnement rude de vibrations et d'accélérations. Le système décrit ici assure en outre le stockage d'une quantité maximale de gaz avec la possibilité d'accéder pratiquement à la totalité du gaz stocké en laissant un minimum de gaz résiduel dans le réservoir.
La figure 1 montre une configuration du système de stockage de gaz ainsi que l'environnement dans lequel il peut fonctionner. Dans la configuration montrée sur la figure 1, le système de stockage de gaz est configuré en particulier pour stocker de l'hélium surcritique extrêmement dense, extrêmement froid, sous haute pression.
Bien que de l'hélium soit utilisé dans les configurations de l'invention décrite ici, d'autres liquides et gaz peuvent être stockés de cette manière. Une utilisation pour le stockage de l'hélium de cette manière consiste en une mise sous pression d'un réservoir embarqué à bord d'un
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véhicule lanceur tel qu'une fusée à combustible liquide. Dans une situation où de l'oxygène liquide (LOX) ou du kérosène est utilisé en tant que propergol dans un moteurfusée, de l'hélium gazeux peut être utilisé pour mettre sous pression les réservoirs de propergol afin de fournir un écoulement réglé de propergols aux moteurs-fusées et de maintenir l'intégrité structurale des réservoirs de propergol.
Dans le système décrit ici, le gaz peut être stocké dans un ensemble à bouteille 10. L'ensemble à bouteille 10 peut comprendre un récipient intérieur (une enceinte sous pression) 12, configuré pour contenir le gaz et construit de façon à avoir l'intégrité structurale pour stocker le gaz sous haute pression dans l'environnement particulier. L'ensemble à bouteille 10 comporte également, en tant que partie de celui-ci, une couche 16 de réglage de température. La composition des couches du réservoir ou de réglage de la température sera décrite plus en détail cidessous.
Un carénage 14 ou écran refroidi par vapeur (VCS) peut être incorporé en tant que partie de la couche (16) de réglage de température. Le carénage 14 peut être configuré de façon que des gaz de refroidissement provenant de l'enceinte sous pression ou d'une alimentation indépendante puissent être mis en circulation et ventilés afin de produire les effets de refroidissement et d'isolation sur l'ensemble à bouteille. Le gaz provenant de l'intérieur de l'enceinte sous pression 12 peut être ventilé vers le carénage 14 en passant par un robinet 17. Le gaz contenu dans le carénage 14 peut en outre être ventilé vers l'extérieur de l'ensemble à bouteille en passant par un robinet 20 vers une conduite 28 d'évent. L'enceinte sous pression 12 est également configurée pour l'introduction d'une sonde 25 de température dans l'enceinte sous pression à son sommet afin de mesurer la température du fluide à ce point et de permettre ainsi d'évaluer l'état thermo-
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dynamique du contenu de la bouteille et donc de déterminer l'état de remplissage. Une structure 24 de montage assure un montage supplémentaire de l'ensemble à bouteille.
Le fluide devant être utilisé dans le système peut être chargé dans la bouteille à travers un orifice 39.
Pendant le fonctionnement du système, le gaz peut également sortir à travers l'orifice 39. Comme cela est montré, cet orifice peut être raccordé à une conduite 30 d'alimentation. La conduite 30 d'alimentation peut en outre être raccordée à un dispositif de désaccouplage d'étanchéité redondant 31.
Le dispositif de désaccouplage 31 peut être utilisé pour raccorder le matériel de servitude au sol (GSE) qui distribue des fluides jusque dans l'ensemble à bouteille 10. La conduite 36 d'alimentation est utilisée pour le transport des gaz qui sort de l'ensemble à bouteille 10.
Dans une configuration de l'invention, l'échangeur de chaleur 32 peut utiliser un gaz chaud fourni par le moteurfusée en tant que source de chaleur. Dans des situations où l'on ne dispose pas d'un gaz chaud d'un moteur, d'autres sources de chaleur autonomes peuvent être utilisées. Une fois que le gaz est chauffé par l'échangeur de chaleur 32, il est alors amené par l'intermédiaire d'une conduite 34 d'alimentation à l'échangeur de chaleur 18 placé à l'intérieur de l'enceinte sous pression 12 de l'ensemble à bouteille 10. Un orifice 43 de dérivation, qui peut être utilisé pour diriger de l'hélium gazeux vers une conduite 40 d'alimentation de réservoir ou pour fermer son passage et le diriger par l'intermédiaire d'une conduite 41 d'alimentation vers l'échangeur de chaleur 18 de la bouteille, est incorporé dans la conduite 34 d'alimentation. Comme décrit plus en détail ci-dessous, l'échangeur de chaleur peut comporter un certain nombre de tubes s'étendant entre un ou plusieurs collecteurs.
Le gaz refroidi à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 18 peut ensuite sortir de l'ensemble à bouteille 10 en passant par une conduite 40 d'alimentation qui, elle-
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même peut être raccordée à un ou plusieurs réservoirs de propergol (non réprésentés) placés à distance. Comme mentionné précédemment, le schéma de la figure 1 montre de façon spécifique le système utilisé à bord d'un véhicule lanceur utilisant des moteurs-fusées. L'écoulement de gaz vers l'intérieur des réservoirs de propergol peut en outre être réglé par un ou plusieurs robinets (non représentés) associé (s) au (x) réservoir (s) de propergol. Lorsque l'oxygène liquide et le combustible se trouvant dans le ou les réservoirs de propergol sont expulsés, l'hélium gazeux afflue dans le ou les réservoirs de propergol pour réaliser une mise sous pression. La dérivation 43 peut être manipulée de façon à régler la quantité de gaz qui s'écoule depuis l'échangeur de chaleur 18 de la bouteille directement vers le réservoir ou les réservoirs de propergol.
En référence de nouveau au carénage 14 et à la partie à bouteille 12 de la figure 1, la partie à bouteille 12 est construite de façon à recevoir et stocker un fluide sous haute pression avec une fuite minimale. Une matière possible pouvant être utilisée pour le stockage d'hélium surcritique est l'alliage de titane recuit de qualité TI- 6Al-4V, à positions interstitielles extrêmement faibles. Cette matière est souhaitable car, aux températures de fonctionnement pour l'hélium (70 à 1400R), cette qualité particulière présente une chaleur spécifique et une conductivité thermique très faibles, une résistance très élevée, une ductilité appropriée, une masse volumique faible et elle est aisément forgée, usinée et soudée, est disponible à partir d'une multitude de sources et est relativement peu coûteuse.
Un carénage 14 d'une épaisseur d'environ 0, 050 à 0, 100, composé d'une matière métallique ou composite qui est capable d'une fuite minimale, est disposé sensiblement sur la totalité du côté extérieur de l'enceinte sous pression 12. Ce carénage peut contenir de l'hélium liquide
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ou gazeux ou d'autres fluides utilisés en tant que fluide de refroidissement pour l'ensemble à bouteille, sous basse pression, habituellement inférieure à 50 psig. L'espace entre le carénage et la surface extérieure de l'enceinte sous pression est d'environ 0,50 inch. Une couche isolante formée d'une mousse à cellules fermées (uréthanne ou équivalent), d'une nappe de fibre de céramique (Cryolite, MinK ou équivalent) ou d'un isolant du type aérogel, est disposée sensiblement sur la totalité de la surface extérieure du carénage. La couche isolante peut être d'une épaisseur d'environ 2,0 inches. Un fluide de refroidissement sous la forme d'hélium liquide ou gazeux ou d'un autre fluide est introduit au bas du carénage et s'écoule vers le haut pour être ventilé au sommet. L'ébullition de l'hélium liquide à l'intérieur du carénage sert à enlever de la chaleur de l'enceinte sous pression et de l'environnement extérieur avec une variation minimale de la température dans le fluide de refroidissement car cette énergie thermique est convertie sensiblement en chaleur de vaporisation de l'hélium.
L'enceinte sous pression et le carénage sont supportés principalement à la partie inférieure par une plaque flexible de support d'isolation thermique qui établit une interface entre l'ensemble à bouteille et la structure adjacente du support avec un flux thermique minimal vers l'intérieur de la bouteille. Elle réalise également l'interface entre le carénage et l'enceinte sous pression pour compléter le passage d'écoulement pour le fluide de refroidissement. Les figures 2a et 2b sont des vues montrant la plaque flexible assemblée avec le carénage et l'enceinte sous pression. Comme on peut le voir sur la figure 2a, la plaque flexible 100 peut être raccordée au récipient afin d'entourer le raccord hexagonal 102 de base.
Divers moyens de fixation pour une fixation à une structure adjacente du support sont incorporés en tant que partie de
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la plaque flexible 100. Ils comprennent une bride 101 qui présente des trous de fixation 103.
Les tubes hexagonaux 104 d'entrée/sortie sont intégrés dans le raccord hexagonal de base 102. Ces tubes permettent l'entrée et la sortie de fluide vers et à partir de l'échangeur de chaleur de la bouteille. Un tube 105 d'entrée/sortie permet l'entrée et la sortie de fluide vers et à partir de l'intérieur de l'enceinte sous pression. Ces tubes d'entrée/sortie peuvent être placés à l'intérieur du raccord hexagonal de base par l'intermédiaire de l'utilisation d'une garniture d'étanchéité autour des tubes 108. La plaque flexible peut être fixée au raccord hexagonal de base en utilisant des boulons 106 de plaque flexible. Le raccord hexagonal de base peut être fixé au récipient par l'utilisation de boulons hexagonaux 110. Le raccord hexagonal de base 102 peut être monté dans une ouverture polaire incorporée dans l'enceinte 12 sous pression. L'ouverture est dimensionnée pour permettre la mise en place et l'enlèvement de l'échangeur de chaleur.
L'ouverture polaire peut être en outre dimensionnée pour permettre le soudage de sous-constituants de l'enceinte sous pression à l'intérieur de l'enceinte sous pression afin de produire une soudure de qualité plus élevée avec un minimum de défauts et de contrôler celle-ci et de simplifier l'interprétation des contrôles effectués sur la soudure car le creusement du pied de soudure et des projections sont éliminés, laissant une soudure ayant des contours inférieur et extérieur lisses. La dimension de l'ouverture permet également l'introduction d'outils de contrôle, d'un film radiographique ou d'autres dispositifs, afin de faciliter l'examen visuel, radiographique et/ou par resuage de colorant de la plus haute qualité pour contrôler toutes soudures réalisées lors de la fabrication de l'enceinte sous pression. Ceci permet de diminuer la dimension des défauts devant être supposés présents dans l'analyse de fractures de la bouteille et permet donc à la
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structure d'être utilisée de façon fiable sous de hautes pressions et de basses températures.
La figure 2b est une vue en coupe transversale de l'ensemble décrit ici, où la plaque flexible est reliée au récipient. Sur cette vue particulière, le carénage 14 est représenté renfermant l'enceinte sous pression 12. Une enveloppe 114 de base d'échangeur de chaleur/bouteille est incorporée en tant que partie dans l'enceinte sous pression 12. La partie d'enveloppe établit un passage vers l'intérieur du récipient pour les tubes 104 d'entrée/sortie d'échange de chaleur. La partie d'enveloppe 114 peut être reliée au récipient par l'utilisation d'une soudure TIG consommable 112 qui procure une barrière de haute qualité empêchant le passage de gaz sans l'utilisation de joints d'étanchéité. Des organes de fixation 110 sont du type à haute résistance afin de procurer une résistance aux charges dues à la pression.
La configuration de la plaque flexible 100 introduit un trajet sinueux pour la chaleur s'écoulant depuis l'environnement vers l'enceinte sous pression et forme également des passages pour qu'un fluide de refroidissement enlève sensiblement la chaleur qui pénètre par fuite avant qu'elle n'atteigne l'enceinte sous pression. La plaque flexible peut être fabriquée en Inconel 718 vieilli qui possède une haute résistance, un module élevé, une conductivité thermique relativement basse ainsi qu'une aptitude à l'usinage et au soudage au carénage adjacent. Un isolant en mousse ou en fibre de céramique est également disposé sur l'extérieur de la plaque flexible et forme une interface sans espace avec l'isolant présent sur le carénage.
La figure 3 montre une vue en coupe transversale d'une autre configuration de l'ensemble à bouteille 10. Il est représenté en particulier une vue en coupe transversale de la bouteille montrant les couches constituant sa construction. La partie structurale de l'ensemble à
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bouteille, l'enceinte sous pression 50, est construite de façon à recevoir et stocker un fluide sous haute pression.
Une configuration possible pour le récipient peut comprendre des demi-bouteilles forgées en matière du type titane TI-6AL-4V, de qualité à positions interstitielles extrêmement faibles, dans l'état recuit, soudées l'une à l'autre en utilisant sensiblement un soudage par faisceaux d'électrons, dans lequel le soudage est réalisé depuis à la fois l'intérieur et l'extérieur du récipient.
Une couche isolante 52 est disposée sensiblement sur toute la surface extérieure de l'enveloppe 50 de la bouteille. Cette couche peut comprendre une mousse d'uréthanne qui a une épaisseur d'environ 1 inch. Une mince couche formée d'une mince feuille d'aluminium 54 peut être disposée sur le dessus de la couche précédente. Des tubes 56 de refroidissement en aluminium, qui constituent l'écran 14 refroidi par vapeur, peuvent être disposés au-dessus de l'écran 54 à mince feuille d'aluminium. Les tubes peuvent être utilisés pour le transport de l'hélium, assurant le refroidissement et l'isolement de l'enveloppe de la bouteille. Les tubes de refroidissement en aluminium peuvent être en communication avec le volume renfermé dans l'enveloppe de la bouteille. Une autre couche de mousse d'uréthanne 58, ayant une épaisseur d'environ 1 inch, peut être disposée sur le tube 56 de refroidissement en aluminium. Un isolant 60 constitué de Cryolite, qui a également une épaisseur d'environ un inch, peut être disposé sur le dessus de cette dernière couche de mousse.
L'ensemble à bouteille montré sur les figures 1 et 2 est configuré spécialement pour le stockage de gaz à des températures extrêmement basses et des pressions élevées. D'autres configurations de l'invention sont possibles, par lesquelles un gaz sous pression est stocké à des températures ambiantes ou proches des températures ambiantes. Suivant le type de gaz stocké, l'ensemble à bouteille peut être configuré en conséquence.
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La figure 4 est une vue en perspective de l'échangeur de chaleur 18 de la bouteille, qui peut être placé à l'intérieur de l'enceinte sous pression. Comme on le voit sur la figure 4, l'échangeur de chaleur 18 comporte un certain nombre de tubes 76 et 80 configurés pour que de l'hélium gazeux puisse s'y écouler. Les tubes peuvent être dimensionnés de façon à établir une aire de surface d'une valeur souhaitée exposée au gaz à 11 intérieur de l'ensemble à bouteille. Les tubes 76 et 80 peuvent être configurés suivant des formes particulières et être construits en des matières choisies en tenant compte de l'environnement dans la bouteille. Par exemple, dans une situation dans laquelle l'ensemble à bouteille est rempli d'hélium surcritique, la matière du tube doit pouvoir résister à un gradient de température important, et la forme du tube doit permettre une dilatation et une contraction sans générer des efforts élevés sur des structures adjacentes comme cela pourrait autrement se produire dans un tel environnement extrême. En outre, l'échangeur de chaleur peut être monté à l'intérieur de la bouteille dans une position sensiblement verticale afin de maximiser la dispersion de la chaleur par convection libre.
Un collecteur d'entrée 74 est inclus en tant que partie de l'échangeur de chaleur. Le collecteur d'entrée 74 est raccordé à la conduite d'alimentation 34 qui a été représentée sur la figure 1. L'hélium gazeux chauffé provenant de l'échangeur de chaleur éloigné 32 est dirigé par l'intermédiaire de ce collecteur dans l'ensemble à bouteille. Une fois dans le collecteur d'entrée 74, l'hélium gazeux s'écoule dans des tubes d'entrée 76 dans
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lesquels une partie de 11échange de chaleur entre le gaz se trouvant dans l'échangeur de chaleur et le gaz se trouvant dans le récipient a lieu. Un collecteur de demi-tour 78, qui dirige le gaz depuis les tubes 76 vers les tubes de sortie 80, est également raccordé au tube d'entrée 76. Les tubes de sortie 80 sont raccordés à un collecteur de sortie
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82, qui dirige le gaz sortant de l'ensemble à bouteille dans la conduite 40 d'alimentation. Comme on l'a décrit précédemment, le gaz est ensuite dirigé à travers le système vers le réservoir ou les réservoirs de propergol pour produire une mise sous pression.
Les figures 5a et 5b sont des vues montrant une autre configuration du dispositif d'échange de chaleur 18. Dans cette configuration, un serpentin tubulaire en aluminium est utilisé pour transporter le gaz chauffé à travers le contenu de l'ensemble à bouteille afin de produire un chauffage du contenu de l'enceinte sous pression. Une plaque 96 de montage, dans laquelle sont incorporés des orifices d'entrée et de sortie pour permettre l'entrée et la sortie du gaz, est incluse en tant que partie de ce dispositif d'échange de chaleur. Les serpentins tubulaires 92 sont raccordés à la structure 96 de montage. Comme on peut le voir sur la vue en perspective de la figure 5b, des couches multiples des serpentins tubulaires peuvent être utilisées. Des consoles 94 de support, qui assurent un support structural pour les serpentins tubulaires 96, sont également incluses en tant que partie de l'ensemble. Comme on l'a décrit pour la configuration montrée sur la figure 4, un gaz chauffé qui circule dans les serpentins tubulaires est ensuite dirigé pour mettre sous pression un réservoir de propergol placé à distance.
La figure 6 montre une autre configuration de l'ensemble à bouteille. Conformément à cette configuration, l'échangeur de chaleur positionné dans le récipient n'est pas raccordé autrement à un dispositif échangeur de chaleur à l'extérieur du récipient. Cette configuration comprend un élément chauffant 150 qui peut être placé à l'intérieur de l'enceinte sous pression 12. Dans cette configuration, une fois que l'élément chauffant 150 est activé, le chauffage à l'hélium a lieu, ce qui, par suite, affecte la pression dans la bouteille. L'écoulement de l'hélium gazeux sortant
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de l'ensemble à bouteille s'effectue par une conduite 106 d'alimentation qui, elle-même, mène directement au réservoir ou aux réservoirs de propergol. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de faire passer l'hélium à travers tous échangeurs de chaleur extérieurs. L'échangeur de chaleur 50 utilise sa propre source de chaleur, une source d'énergie pour générer de la chaleur. Des sources de chaleur peuvent comprendre des gaz chauffés provenant du moteur, ainsi que des dispositifs, tels que des bobines de chauffage électrique, qui génèrent leur propre chaleur.
Pour qu'un système d'alimentation en hélium gazeux puisse être utilisé à bord d'une fusée, le système doit être chargé selon une séquence spécifique pour minimiser la consommation de fluide de refroidissement et le temps total pour charger le fluide de refroidissement.
Une réfrigération initiale du système de servitude au sol GSE et du système embarqué est réalisée par un écoulement d'hélium LHe à basse pression à travers le matériel GSE jusqu'à l'ensemble à bouteille. Le fluide de refroidissement s'écoule à la fois à travers le carénage et l'enceinte sous pression qui a un petit passage d'évent au sommet de l'enceinte sous pression. Du gaz de refroidissement est évacué en des points multiples à la fois sur le matériel GSE et à travers des évents embarqués. Lorsque l'enveloppe de la bouteille est suffisamment froide, elle est remplie de He liquide, ou d'hélium gazeux très froid, d'environ 7R.
Une fois que cet état est établi, la pompe à LHe du matériel GSE est mise en marche et augmente la pression intérieure jusqu'à ce qu'on arrive à l'état de fonctionnement souhaité. Pendant cette étape, l'hélium liquide devient un fluide surcritique. Le processus de chargement porte la masse volumique de l'hélium contenu à environ 13 à 15,5 p/cu-ft. Conformément à la configuration décrite de l'ensemble à bouteille, cet état peut être maintenu indéfiniment, le matériel GSE procurant l'hélium d'appoint à la bouteille pour tenir compte de la petite
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quantité d'hélium qui est ventilée. L'écoulement de LHe à basse pression à travers le carénage se poursuit pour évacuer la chaleur de compression du gaz à l'intérieur de l'enceinte sous pression et il continue pour intercepter la chaleur provenant de l'environnement.
Une fois que le véhicule est lancé et que la nécessité d'une mise sous pression du réservoir de propergol est présente, l'hélium très froid, très dense, est soutiré de la bouteille. Une fois à l'extérieur de la bouteille l'hélium passe à travers l'échangeur de chaleur éloigné 32 où il prélève de la chaleur provenant du moteurfusée. Comme mentionné précédemment, en plus ou au lieu d'utiliser la chaleur du moteur, d'autres dispositifs chauffants peuvent être positionnés à distance ou bien dans l'ensemble à bouteille, et être utilisés pour chauffer l'hélium gazeux froid.
Une fois que l'hélium est passé à travers l'échangeur de chaleur 32, il est à présent chaud (environ 500 à 600 degrés Fahrenheit), et il est ensuite dirigé par l'intermédiaire de la conduite 34 d'alimentation jusque dans l'échangeur de chaleur 18 positionné à l'intérieur de l'ensemble à bouteille. L'hélium gazeux passe à travers l'échangeur de chaleur 18 où il cède une quantité importante de chaleur à l'hélium froid se trouvant dans la bouteille. Sans cette chaleur ajoutée, le prélèvement de l'hélium à partir de la bouteille et le refroidissement de détente associé feraient baisser rapidement la pression de la bouteille, empêchant le système de fonctionner. L'hélium gazeux sort de l'échangeur de chaleur et de l'ensemble à bouteille dans un état assez chaud pour mettre efficacement sous pression les réservoirs de propergol de la fusée, mais pas suffisamment chaud pour endommager tous constituants situés en aval. De cette façon, en faisant passer l'hélium gazeux chaud à travers l'échangeur de chaleur de la bouteille après qu'il a été chauffé par l'échangeur de chaleur extérieur 18, on élève la température du fluide de
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la bouteille avec un accroissement correspondant de la pression dans la bouteille. Une stratification gazeuse à l'intérieur de la bouteille renforce en réalité ce phénomène car le gaz en contact intime avec l'échangeur de chaleur monte sous l'effet de forces de convection pour former une bulle d'hélium chaud qui se déplace sur le dessus de l'hélium plus dense au fond de la bouteille. Etant donné que l'hélium est soutiré du fond de la bouteille, le gaz le plus dense est extrait en premier, en sorte qu'il reste un gaz à faible masse volumique et, par conséquent, la masse gazeuse résiduelle la plus basse possible. Lors du lancement, le fluide de refroidissement à l'intérieur du carénage est ventilé et évacué de la bouteille de façon à arrêter le processus de refroidissement qui n'est plus souhaité. Ceci empêche la chaleur rejetée à l'intérieur de la bouteille d'être simplement absorbée par le fluide de refroidissement en vol.
Le chauffage du gaz à l'intérieur de l'ensemble à bouteille peut se poursuivre jusqu'à un point notablement supérieur à la température ambiante, où la totalité, ou sensiblement la totalité, du contenu de la bouteille est épuisée. L'avantage de ce système est que le rapport de l'hélium utilisable à l'hélium résiduel est fortement augmenté en comparaison avec une extraction classique par purge de la bouteille.
Comme mentionné ci-dessus, avant l'utilisation du système de stockage de gaz dans un véhicule de lancement aérien, l'hélium gazeux refroidi doit d'abord être chargé dans l'ensemble à bouteille préparé. Comme décrit cidessus, ceci est effectué en refroidissant le fluide et l'ensemble à bouteille avant le commencement du processus de chargement. La figure 7 montre un schéma de système qui comprend les constituants utilisés dans la préparation puis le remplissage de l'ensemble à bouteille. Une remorque de transport 100 pour la distribution de l'hélium liquide à partir d'un centre de fourniture éloigné est incluse en
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tant que partie de ce matériel de servitude au sol (GSE). La remorque 100 est raccordée au matériel GSE par une conduite 104 d'alimentation et un robinet 106 qui réalisent un raccordement avec une pompe 108 à hélium liquide. La remorque LHe est également raccordée à la conduite 107 d'alimentation en LHe à basse pression. La pompe 108 à hélium liquide est raccordée à une conduite 114 d'alimentation à haute pression. Ces deux conduites d'alimentation sont réunies à une conduite coaxiale 120 d'alimentation dans laquelle le passage d'écoulement à haute pression est entouré par les passages d'écoulement à basse pression. Cette conception permet la transmission de la chaleur du fluide de haute pression au fluide de refroidissement à basse pression avant son entrée dans l'ensemble à bouteille dans des conditions efficaces de transmission de la chaleur. Ceci est important pour enlever la chaleur de compression ajoutée par la pompe à LHe au fluide à haute pression qui s'écoule vers l'enceinte sous pression de la bouteille. Un réglage du débit d'écoulement relatif des alimentations He de haute et basse pressions permet de régler la température de sortie de la conduite coaxiale. Ceci permet un remplissage plus rapide de la bouteille, permettant ainsi d'effectuer un remplissage final tardivement dans le processus de compte à rebours, ce qui minimise donc le fluide de refroidissement total consommé et donc les coûts.
De plus, on peut éviter le sur-refroidissement du fluide à haute pression en étranglant l'écoulement du fluide de refroidissement à basse pression. Le surrefroidissement peut aboutir à une congélation potentielle de l'hélium dans les passages d'écoulement à haute pression du système, ce qui n'est pas souhaitable.
Divers raccords à baïonnette assurent l'établissement des raccordements indiqués. Tous les raccords à baïonnette qui contiennent du He à haute pression sont de conception coaxiale refroidie par vapeur, le fluide à basse pression
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entourant la haute pression. Cette caractéristique simplifie la conception du raccord à baïonnette en permettant une entrée en prise beaucoup plus courte et permet une tolérance pour une fuite de faible niveau à partir du côté HP, car la totalité des fuites est simplement recueillie dans la cavité à basse pression. La conduite d'alimentation coaxiale réalise en outre un raccordement avec la plate-forme mobile de lancement (MLP) à l'intérieur de laquelle le véhicule est supporté.
D'autres tuyauteries coaxiales sur la plate-forme MLP permettent de réaliser des raccordements avec le véhicule et l'ensemble à bouteille.
La figure 8 est un organigramme qui décrit en détail les étapes effectuées par le système dans l'exécution du processus de réfrigération et de remplissage pour l'ensemble à bouteille. Le processus de réfrigération et de remplissage peut être contrôlé par un certain nombre de différents systèmes informatiques. Ces processus peuvent être exécutés par des systèmes séparés qui sont en communication, ou par un système global. Divers capteurs de pression et de température peuvent être positionnés dans tout le système pour fournir une indication à un système de commande automatique ou à un opérateur du système lorsque les conditions souhaitables ont été atteintes. Pour amorcer l'écoulement de réfrigération du système embarqué, le LHe provenant de la remorque LHe est admis à passer dans la pompe à LHe et dans les deux conduites d'alimentation à haute pression et basse pression, et ainsi, jusque dans l'ensemble à bouteille. Des évents peuvent être établis sur le matériel GSE pour accélérer la réfrigération de diverses zones et établir un état de régime stabilisé aussi rapidement que possible. Une réfrigération à basse pression se poursuit jusqu'à ce que l'enceinte sous pression de la bouteille soit sensiblement remplie de LHe-7-10R. La pompe à hélium liquide est mise en marche, et le passage d'écoulement à haute pression et, par conséquent, l'enceinte sous
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pression de la bouteille, sont progressivement mis sous pression. Le fluide présent dans la pompe à LHe est réchauffé à environ 60-70R par le travail effectué sur lui et il est ensuite refroidi dans la conduite coaxiale d'alimentation à environ 20-30R. La pression est élevée progressivement jusqu'à ce qu'elle atteigne environ 4600 PSIG. Un refroidissement supplémentaire a lieu dans l'ensemble à bouteille du fait de l'écoulement de fluide de refroidissement à basse pression dans le carénage, et du gaz provenant de l'enceinte sous pression qui s'écoule lentement de la bouteille à travers un purgeur, à environ 15 lbs/h. Un écoulement de tête lent est maintenu après que ce remplissage rapide et que la température de la bouteille ont diminué progressivement jusqu'à être compris entre 15 et 25R. En ce point, le véhicule est prêt au lancement.
Lors du lancement la bouteille est séparée du matériel GSE.
La description précédente de la présente invention a été présentée à titre illustratif et descriptif. En outre, la description n'entend pas limiter l'invention à la forme divulguée ici. Par conséquent, des variantes et des modifications sont conformes aux enseignements ci-dessus et aux compétences ou connaissance de la technique connexe, dans le cadre de la présente invention. Les formes de réalisation décrites ci-dessus sont en outre destinées à expliquer les meilleurs modes connus pour la mise en pratique de l'invention et pour permettre à d'autres processus de la technique d'utiliser l'invention dans de telles formes de réalisation ou d'autres et avec diverses modifications exigées par les applications ou utilisations particulières de la présente invention. Il est prévu que les revendications annexées soient comprises comme incluant des variantes de formes de réalisation dans la mesure permise par la technique antérieure.

Claims (50)

REVENDICATIONS
1. Système pour fournir une source de gaz sous pression, comportant : une bouteille configurée avec une intégrité structurale suffisante pour recevoir et contenir un fluide stocké, dans lequel la bouteille comprend au moins un dispositif destiné à régler un écoulement d'entrée et un écoulement de sortie du fluide stocké ; un dispositif chauffant pouvant être commandé, pouvant être placé à l'intérieur de la bouteille, qui est configuré pour transmettre de la chaleur au fluide stocké afin d'affecter la pression du fluide stocké ; et au moins une conduite d'alimentation pouvant être raccordée au, au moins un, robinet pour diriger un écoulement de gaz sous pression depuis la bouteille à un emplacement éloigné.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif chauffant comprend un dispositif d'échange de chaleur à travers lequel un milieu de transmission chauffé en un échangeur de chaleur éloigné peut s'écouler afin de transmettre de la chaleur au gaz stocké.
3. Système selon la revendication 2, dans lequel le milieu de transmission comprend le gaz stocké qui a été dirigé vers l'échangeur de chaleur éloigné pour un chauffage, puis ramené à l'échangeur de chaleur de la bouteille afin de transmettre une quantité de chaleur au gaz stocké.
4. Système selon la revendication 3, dans lequel le, au moins un, dispositif à robinet est en outre configuré de façon à diriger le milieu de transmission depuis l'échangeur de chaleur de la bouteille vers l'emplacement éloigné en tant que gaz sous pression.
5. Système selon la revendication 1, dans lequel le gaz stocké est un gaz inerte et l'emplacement éloigné est un réservoir de propergol nécessitant une mise sous pression.
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6. Système selon la revendication 2, dans lequel l'échangeur de chaleur éloigné utilise un gaz chaud provenant de moteurs-fusées en tant que source de chaleur.
7. Système selon la revendication 5, dans lequel le gaz stocké est de l'hélium stocké dans un état surcritique, dans des conditions de densité supérieures à celles de l'hélium liquide.
8. Système selon la revendication 7, dans lequel la bouteille comporte : un élément à enceinte sous pression dont la structure consiste en une matière à haute résistance configurée pour stocker un fluide sous pression à des températures extrêmement basses et des pressions élevées, et configuré pour la mise en place et l'enlèvement d'un échangeur de chaleur intérieur ; et une couche de réglage de température disposée sensiblement au-dessus de la bouteille afin d'éliminer de la chaleur de la bouteille elle-même et d'intercepter de la chaleur provenant de l'extérieur de la bouteille afin qu'elle n'atteigne pas l'enceinte sous pression.
9. Système selon la revendication 7, dans lequel la bouteille est configurée de façon à stocker de l'hélium surcritique à environ 4600 psi, à 20 deg. R.
10. Système selon la revendication 8, dans lequel l'enceinte sous pression comprend des moitiés constituées d'un matériau de qualité Ti-6-4-ELI (titane), forgé, recuites et soudées par faisceaux d'électrons.
11. Appareil pour stocker un gaz sous pression, comportant : un élément à enceinte sous pression dont la structure comprend une matière à haute résistance configurée pour contenir un fluide à des températures extrêmement basses et de hautes pressions, dans lequel l'enceinte sous pression est en outre configurée avec au moins un dispositif pour permettre l'entrée et la sortie du fluide et du gaz stocké ;
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une couche de réglage de température disposée sensiblement au-dessus de l'élément à récipient, configurée pour enlever de la chaleur de l'enceinte sous pression et empêcher la chaleur provenant de l'environnement extérieur d'atteindre l'enceinte sous pression ; et au moins un élément chauffant pouvant être placé à l'intérieur de l'élément à récipient, l'élément chauffant étant configuré de façon à transmettre de la chaleur au gaz stocké afin d'affecter la pression du gaz stocké.
12. Appareil selon la revendication 11, dans lequel le gaz stocké est de l'hélium surcritique ayant une densité supérieure à celle de l'hélium liquide.
13. Appareil selon la revendication 11, dans lequel l'au moins un, élément chauffant comprend un échangeur de chaleur qui reçoit un milieu de transmission chauffé afin de transmettre de la chaleur au gaz stocké.
14. Appareil selon la revendication 13, dans lequel l'échangeur de chaleur est disposé à l'intérieur de la bouteille dans une position sensiblement verticale afin de maximiser la dispersion de la chaleur par convection libre à l'intérieur de la bouteille.
15. Appareil selon la revendication 13, dans lequel la bouteille est configurée de façon que le fluide soit soutiré du fond de la bouteille, et de façon qu'à la suite d'une stratification du gaz stocké à l'intérieur de la bouteille, la totalité du gaz à haute densité soit enlevée en premier et ceci forme une zone de densité relativement basse au sommet de la bouteille.
16. Appareil selon la revendication 13, dans lequel le milieu de transmission comprend au moins l'un du gaz stocké qui a été dirigé vers l'échangeur de chaleur extérieur et ramené à l'échangeur de chaleur à l'intérieur de la bouteille.
17. Appareil selon la revendication 13, dans lequel l'échangeur de chaleur éloigné utilise un gaz chaud produit par un moteur-fusée en tant que source de chaleur.
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18. Appareil selon la revendication 13, dans lequel l'élément à récipient comprend des moitiés de bouteille forgées en qualité Ti-6-4 à positions interstitielles extrêmement faibles dans l'état recuit (titane), soudées l'une à l'autre en utilisant sensiblement un soudage par faisceaux d'électrons, le soudage pouvant être effectué à la fois depuis l'intérieur et depuis l'extérieur du récipient.
19. Appareil selon la revendication 11, dans lequel la couche de réglage de température est composée d'un carénage métallique fabriqué d'acier formé par repoussage et soudé, résistant à la corrosion, formant un espace annulaire entre lui-même et l'enceinte sous pression pour l'écoulement d'un fluide de refroidissement.
20. Appareil selon la revendication 19, dans lequel le carénage est en outre configuré de façon à recevoir un fluide de refroidissement introduit au fond du carénage et évacué au sommet.
21. Appareil selon la revendication 19, comprenant en outre une plaque flexible de support qui peut être raccordée au carénage afin qu'un support arrière pour l'enceinte sous pression puisse être sensiblement immergé dans l'hélium liquide pour réduire la chaleur s'écoulant vers l'intérieur du récipient.
22. Appareil selon la revendication 11, dans lequel au moins une couche isolante entoure la couche de réglage de température et comprend au moins l'un de : une mousse d'uréthanne, un isolant de type Cryolite ou un isolant dérivé d'un aérogel.
23. Appareil selon la revendication 13, dans lequel le milieu de refroidissement à l'intérieur de la couche de réglage de température est de l'hélium liquide dont l'ébullition sert à enlever de la chaleur de l'enceinte sous pression et de l'environnement extérieur.
24. Appareil selon la revendication 13, dans lequel l'enceinte sous pression présente une ouverture
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polaire pour permettre la mise en place et l'enlèvement de l'échangeur de chaleur.
25. Appareil selon la revendication 24, dans lequel l'ouverture permet en outre l'introduction d'au moins l'un de : des outils de contrôle, un film radiographique ou d'autres dispositifs, afin de faciliter le contrôle de toutes soudures effectuées dans la fabrication de l'enceinte sous pression.
26. Appareil selon la revendication 24, dans lequel la dimension de l'ouverture de la bouteille permet le soudage de sous-constituants de l'enceinte sous pression depuis l'intérieur de l'enceinte sous pression afin de produire une soudure de qualité supérieure avec des défauts minimaux et de la contrôler.
27. Appareil selon la revendication 13, dans lequel l'enceinte sous pression est en outre configurée pour permettre une évacuation lente à partir du sommet du récipient pour ventiler sélectivement la matière la plus chaude à partir du récipient.
28. Appareil selon la revendication 13, configuré en outre pour l'introduction d'une sonde de température dans l'enceinte sous pression à son sommet afin de mesurer la température du fluide à ce point.
29. Appareil selon la revendication 13, dans lequel la bouteille est supportée à la base par une plaque flexible de support qui procure une flexibilité adaptée et une haute résistance thermique.
30. Appareil selon la revendication 29, dans lequel la plaque flexible est fabriquée en un alliage d'Inconel 718 traité en solution et vieilli à des fins de haute résistance, de module élevé et de faible conductivité thermique.
31. Appareil selon la revendication 26, dans lequel la plaque flexible forme une interface pour l'admission d'un fluide de refroidissement à la couche de réglage de température et forme également un joint étanche
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aux gaz pour l'élément de carénage de la couche de réglage de température.
32. Appareil selon la revendication 13, dans lequel l'échangeur de chaleur de la bouteille comporte : un collecteur d'entrée destiné à recevoir le milieu provenant de l'échangeur de chaleur éloigné ; au moins un premier élément tubulaire façonné s'étendant depuis l'entrée à travers une partie substantielle du volume intérieur de l'élément à récipient pour recevoir le milieu provenant du collecteur d'entrée ; un collecteur de demi-tour pouvant être raccordé au, au moins un, élément tubulaire façonné, configuré pour recevoir le milieu provenant du, au moins un, élément tubulaire façonné ; au moins un second élément tubulaire façonné pouvant être raccordé au collecteur de demi-tour pour recevoir le milieu ; et un collecteur de sortie pouvant être raccordé au, au moins un, second élément tubulaire façonné pour recevoir ledit milieu pour le, au moins un, élément tubulaire façonné et diriger le milieu vers l'extérieur de l'élément à récipient.
33. Appareil selon la revendication 12, configuré en outre pour stocker l'hélium sur-refroidi à une température d'environ 20 R, à environ 4600 PSI.
34. Appareil selon la revendication 11t configuré en outre de façon à pouvoir être placé à bord d'un véhicule lanceur à fusée, dans lequel un raccordement est en outre établi avec un réservoir de propergol qui reçoit le gaz sous pression.
35. Appareil selon la revendication 12, configuré en outre de façon à pouvoir être raccordé à du matériel au sol afin d'être préparé pour l'hélium surcritique et de le recevoir.
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36. Procédé pour établir une source de gaz sous pression à bord d'un véhicule lanceur à fusée, comprenant les étapes qui consistent : à utiliser une bouteille de stockage qui est configurée de façon à recevoir et contenir un gaz stocké sous une pression prédéterminée et qui comprend un dispositif chauffant monté intérieurement, configuré pour transmettre de la chaleur au gaz stocké ; à préparer la bouteille de stockage pour recevoir une quantité du gaz stocké ; à introduire par pompage le gaz stocké de la bouteille à partir d'une source placée à distance, à une température prédéterminée et jusqu'à ce qu'une pression souhaitée soit atteinte ; à permettre à des quantités de gaz stocké de sortir de la bouteille pour être dirigées vers au moins un emplacement éloigné ; et lorsque le gaz stocké sort de la bouteille, à utiliser le dispositif de chauffage monté intérieurement pour régler la température du gaz stocké afin d'affecter la pression du gaz stocké.
37. Procédé selon la revendication 36, dans lequel le gaz stocké est de l'hélium surcritique à une masse volumique d'au moins 7 lbs/ft3.
38. Procédé selon la revendication 36, dans lequel le dispositif chauffant à l'intérieur de la bouteille comprend un échangeur de chaleur à travers lequel un milieu chauffé à un échangeur de chaleur éloigné peut s'écouler afin de réaliser une transmission de chaleur vers le gaz stocké.
39. Procédé selon la revendication 38, comprenant en outre l'étape qui consiste à diriger le gaz stocké vers l'échangeur de chaleur éloigné pour un chauffage, dans lequel le gaz stocké chauffé peut être utilisé en tant que milieu pour réaliser une transmission de chaleur vers le gaz stocké dans la bouteille.
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40. Procédé selon la revendication 39, comprenant en outre l'étape qui consiste à chauffer le milieu avec un gaz chaud produit par un moteur-fusée.
41. Procédé selon la revendication 36, comprenant en outre l'étape qui consiste à monter la bouteille à bord d'un véhicule lanceur à fusée et à réaliser un raccordement de la bouteille à un matériel de servitude au sol.
42. Procédé selon la revendication 41, dans lequel l'étape de préparation de la bouteille pour le chargement et le vol comprend : l'écoulement d'hélium liquide ou gazeux à travers le matériel de servitude au sol jusqu'à ce qu'une température minimale prédéterminée soit atteinte ; l'écoulement d'entrée d'hélium liquide ou gazeux dans la bouteille pour abaisser la température à une valeur déterminée ; et l'écoulement d'une quantité supplémentaire de fluide à travers une couche de réglage de température pour réaliser un refroidissement de l'enceinte sous pression, et intercepter la chaleur provenant de l'environnement afin qu'elle n'atteigne pas l'enceinte sous pression, un gaz chauffé dans la couche de réglage de température étant évacué à travers les évents ouverts.
43. Procédé selon la revendication 42, dans lequel l'emplacement éloigné comprend un réservoir d'oxygène liquide ou de kérosène configuré pour fournir un propergol à un moteur-fusée.
44. Procédé selon la revendication 37, dans lequel le gaz sous pression est pompé à une température de 7 à 60 degrés R, et la pression souhaitée est de 50 à 4600 psi.
45. Procédé selon la revendication 44, dans lequel de l'hélium liquide à basse pression provenant d'une alimentation en LHe et de l'hélium à haute pression sortant de la pompe à LHe s'écoulent dans une conduite d'alimentation
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coaxiale dans laquelle le fluide à haute pression est entouré par le fluide à basse pression.
46. Procédé selon la revendication 45, dans lequel la conduite d'alimentation coaxiale agit à la manière d'un échangeur de chaleur à écoulements concourants pour faire passer de la chaleur du fluide plus chaud à haute pression, vers le fluide à basse pression.
47. Procédé selon la revendication 45, dans lequel le débit d'écoulement des courants de LHE à haute et basse pressions peut être réglé pour établir des conditions de température de sortie souhaitées à la sortie de la conduite et donc à l'ensemble à bouteille.
48. Procédé selon la revendication 44, dans lequel la bouteille est d'abord sensiblement remplie d'hélium liquide à basse pression avant d'élever la pression au-dessus de 50 psig afin de minimiser la chaleur de compression qui serait autrement libérée dans la bouteille.
49. Procédé selon la revendication 44, dans lequel l'écoulement de fluide de refroidissement d'hélium liquide dans le carénage de la couche de réglage de température peut être réglé pour enlever de la chaleur de l'enceinte sous pression lorsque la pression augmente à l'intérieur de l'enceinte sous pression afin de maintenir la densité souhaitée à l'intérieur de la bouteille.
50. Procédé selon la revendication 49, comprenant en outre l'étape qui consiste à effectuer une vidange et une ventilation de la couche de réglage de température lors du lancement pour éliminer la matière de refroidissement absorbant la chaleur et permettre une utilisation efficace de la chaleur s'écoulant de l'échangeur de chaleur dans la bouteille.
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