FR2925143A1 - Article d'isolation cryogenique, procede de mise en oeuvre et utilisation d'un tel article d'isolation, et lanceur equipe d'un tel article d'isolation - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un article d'isolation cryogénique, qui comprend au moins une première couche de matériau isolant ayant de bonnes performances mécaniques et d'épaisseur inférieure à 5 mm et une deuxième couche de matériau isolant moins dense, de plus grande épaisseur, utilisé contre les flux thermiques entrants.
Description
ARTICLE D'ISOLATION CRYOGENIQUE, PROCEDE DE MISE EN îUVRE ET UTILISATION D'UN TEL ARTICLE D'ISOLATION, ET LANCEUR EQUIPE D'UN TEL ARTICLE D'ISOLATION
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine technique de la présente invention est celui de l'isolation cryogénique d'équipements, par exemple de véhicules spatiaux ou aéronautiques. La présente invention concerne un article d'isolation cryogénique et un procédé de mise en oeuvre d'un tel article d'isolation cryogénique conçu pour définir une isolation thermique destinée à protéger par exemple un réservoir soumis à des températures cryogéniques. L'expression températures cryogéniques désigne des températures très basses, telles que celles de l'oxygène liquide (90 K) et de l'hydrogène liquide (20 K) L'invention concerne également l'utilisation d'un tel article d'isolation cryogénique pour l'isolation cryogénique d'équipements ou de structures par exemple de véhicules spatiaux ou aéronautiques, tels que des réservoirs à paroi mince dans lesquels se trouvent des ergols, tels que de l'hydrogène ou de l'oxygène.
L'invention concerne enfin un lanceur équipé d'un tel article d'isolation cryogénique.
Dans la suite, pour simplifier la description on considère, à titre d'exemple, l'isolation thermique d'un réservoir cryotechnique d'un lanceur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Pour assurer la protection du réservoir cryotechnique d'un lanceur, on revêt celui-ci d'un matériau thermiquement isolant pour maintenir les 10 ergols qu'il contient en phase liquide en minimisant les pertes thermiques. Un tel matériau peut être de type mousse rigide à cellules fermées en polychlorure de vinyle, polyuréthanne chargées ou non de verre, polyisocyanurate ou phénoliques. Un tel matériau, 15 utilisé généralement en épaisseur d'environ 20 à 25 mm, permet de respecter un flux thermique entrant maximum donné tout en étant capable de tenir les sollicitations mécaniques imposées par la contraction thermique, la pression et autres efforts appliqués à la structure du 20 réservoir. Ce matériau peut être collé ou projeté directement sur la surface du réservoir. Une telle protection thermique doit permettre les mouvements de la surface du réservoir et supporter les charges d'accélération soumises au 25 lanceur. En effet, avant et après le décollage d'un engin spatial cryotechnique, la perte d'une partie d'isolation, montée sur un réservoir rempli d'ergol liquide impliquerait des risques potentiels de disfonctionnement pouvant entraîner la destruction du 30 lanceur par le biais d'importants flux thermiques entrant par la surface démunie de l'isolation.5 Pour augmenter la tenue mécanique en paroi tout en réduisant le niveau de flux entrant sans pénaliser la masse, la demande de brevet FR 2 876 438 décrit des articles d'isolation thermique qui adhérent sur la structure à paroi mince d'un réservoir cryogénique soumise à des contraintes d'origine mécanique et thermique qui entrainent les déformations de celui-ci. Cependant, de tels articles d'isolation sont dimensionnés comme tel, pour répondre aux flux aérothermiques. Un matériau complémentaire peut alors être utilisé comme matériau de protection hautes températures pour éviter d'importantes pertes d'ergols par évaporation. L'invention a pour objet de proposer un article d'isolation qui permette d'optimiser la masse d'un réservoir cryotechnique en minimisant la masse de protection thermique, avec l'obtention d'une performance isolante plus élevée, et la masse des ergols inconsommables, et donc d'augmenter la charge utile du lanceur. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un article d'isolation cryogénique caractérisé en ce qu'il comprend au moins une première couche de matériau isolant ayant de bonnes performances mécaniques et d'épaisseur inférieure à 5 mm, de façon à tenir parfaitement les sollicitations mécaniques par exemple un réservoir cryotechnique à la température de 20 K, et d'une deuxième couche de matériau isolant moins dense de plus grande épaisseur, utilisé contre les flux thermiques entrants.
Avantageusement la première couche est une couche de mousse rigide à cellules fermées de polyétherimide. Avantageusement cette première couche a une épaisseur d'environ 3 mm.
Avantageusement la seconde couche est une couche de copolymère d'éthylène acétate de vinyle. Avantageusement cette seconde couche a une épaisseur d'environ 19,5 mm. Un tel article d'isolation permet d'offrir, avec un aussi bon niveau de performance thermique et mécanique que les dispositifs de l'art connu, une densité considérablement plus faible. Il permet également, en conservant des masses et performance mécanique analogues, d'améliorer les performances thermiques ou, en conservant des masses et performance thermique analogues, d'améliorer la marge mécanique. La somme de la densité des deux matériaux formant la protection thermique combinée selon l'invention, est moindre que les isolations actuellement utilisées pour de meilleures performances thermiques et mécaniques. Les performances thermiques sont ainsi dimensionnées vis â vis des flux entrants. De plus les performances mécaniques répondent au comportement du réservoir cryotechnique qui, compte tenu des écarts importants de rigidité avec l'article d'isolation, impose sa déformée mécanique (Emeca) à l'ensemble. L'invention peut être utilisée dans tous les domaines industriels, notamment les domaines aéronautique et spatial, où l'on utilise une isolation thermique pour protéger une structure, soumise à des températures cryogéniques, dans le but d'utiliser un matériau isolant actuellement inadapté à ces températures ou tout simplement de réduire la masse de l'ensemble isolant ainsi obtenu.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention concerne un article d'isolation cryogénique qui comprend une première couche de matériau isolant de faible épaisseur, par exemple inférieure à 5 mm, ayant de bonnes performances mécaniques, de façon à tenir parfaitement les sollicitations mécaniques sur un réservoir cryotechnique à la température de 20 K, et d'une deuxième couche de matériau isolant moins dense, de plus grande épaisseur, utilisé contre les flux entrants. L'invention permet de garantir le dimensionnement de performances thermiques vis-à-vis des flux entrants, et la réponse de performances mécaniques au comportement du réservoir cryotechnique qui, compte tenu des écarts importants de rigidité avec l'ensemble de deux couches de matériaux isolants, impose sa déformée mécanique (Eméca) à l'ensemble. L'expression de cette déformée mécanique du réservoir imposée aux deux couches de protection thermique et résultant des efforts de pression interne et des efforts généraux est donnée ci-dessous . En longitudinal (suivant l'axe du réservoir) .
=APxRx(0.5-v)+ q5 Exe Exe En radial (suivant le rayon du réservoir) . -APxRx(1-0.5v)+t)xq5 r Exe Exe Avec : R : rayon du réservoir e : épaisseur de la paroi du réservoir E : module d'Young / : coefficient de Poisson AP : pression différentielle dans le réservoir : flux d'effort longitudinal en zone courante. De plus, la paroi du réservoir, en contact avec l'ergol, subit une déformation d'origine thermique (Etherm) dont l'expression pour un réservoir hydrogène liquide est la suivante : Etherm = a (20 -293), avec a coefficient de dilatation de la paroi métallique. Cette déformée thermique du réservoir est également imposée intégralement aux deux couches d'isolation. Etant donné que ces deux couches présentent des coefficients de dilatation thermique a1 et a2 différents de a, les déformations mécaniques réellement subies par l'ensemble sont données ci-dessous : - Pour la première couche : 1 = emeca +Loth -a1.(20-293)]
r - Pour la seconde couche : meca2 ù meca + [ therm ù a2. (T2 ù 293)] avec T2 température à l'interface des deux couches d'isolation. L'optimisation thermomécanique de la définition de l'ensemble de ces deux couches consiste à vérifier les relations suivantes, avec soit une densité finale la plus faible possible ou des marges à rupture les plus grandes possibles : mecal ù meca + [ therm ù al. (20 ù 293)] < R1 [201< ] meca2 meca + [ therm ù a2' (T2 ù 293)] < R2 [T2 ] avec ER2_ et ER2 : déformées à rupture de ces deux couches d'isolation. Par souci de simplicité, on raisonne ici en 15 termes de déformations uni-axiales mais le raisonnement est bien sûr applicable en déformation équivalente biaxiale. L'invention permet d'utiliser des matériaux thermiquement isolants, qui, dans l'art connu, ne 20 pouvaient pas être utilisés pour protéger des réservoirs cryotechniques. En effet, le matériau utilisé comme deuxième couche isolante est isolé de la surface du réservoir, en contact avec l'ergol liquide, par la première couche isolante de faible épaisseur en 25 contact avec la paroi froide pouvant atteindre la température de 20 K et capable de subir les déformations totales d'origine mécanique et thermique (E meca + E therm). Ainsi, le matériau de la deuxième couche isolante est soumis à des températures plus 10 élevées provenant du gradient thermique permettant de minimiser la déformation mécanique meca2.
Exemple de réalisation Dans un exemple d'isolation thermique appliquée sur un réservoir cryotechnique destiné à équiper un lanceur de type Ariane 5, on utilise une première couche de mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide (PEI) sur laquelle on colle une seconde couche de mousse de copolymère d'éthylène acétate de vinyle (EVA). La première couche en polyétherimide est connue, par exemple, sous la domination R82 disponible auprès de la Société AIREX. Une telle mousse rigide à cellules fermées en polyétherimide peut présenter une masse volumique comprise entre 55 Kg/m3 et 60 Kg/m3, par exemple de l'ordre de 60 Kg/m3. Cette mousse rigide d'assez faible densité possède une faible contraction thermique de 0,73 % à 20 K et une bonne résistance à a traction de 1,7 MPa. La deuxième couche en copolymère d'éthylène acétate de vinyle est connue, par exemple, sous la domination EVA25 disponible auprès de la Société ZOTEFOAMS. Une telle mousse de copolymère d'éthylène acétate de vinyle réticulée à cellules fermées peut présenter une masse volumique de 25 Kg/m3 et une valeur de conductivité thermique de 0,035 W/m.k. à température ambiante. La mise en place d'un adhésif entre les deux couches permet d'obtenir l'isolation désirée.
Le tableau 1 en fin de description effectue la comparaison entre cet exemple de réalisation et une isolation thermique connue sous la domination H920A et disponible auprès de la Société Air Liquide. Cette isolation thermique connue est réalisée avec 21 mm de mousse rigide à cellules fermées en polychlorure de vinyle caractérisée par une masse volumique de 55 Kg/m3, une conductivité thermique de 0,033 W/m.k à température ambiante, une contraction thermique de 1 % à 20 K et une résistance à la traction de 1,0 MPa. Ce tableau 1 met en évidence une densité équivalente de l'exemple de réalisation de l'invention nettement plus faible que l'isolation thermique de l'art connu. On obtient un faible p equi de 0,67 Kg/m2 avec l'exemple de l'invention, pour d'aussi bonnes performances thermiques et mécaniques que l'isolation de l'art connu. Pour tenir compte du surplus d'adhésif nécessaire â l'interface inter-couches, on peut ajouter la masse d'adhésif nécessaire utilisée lors de sa confection qui est comprise entre 0,08 et 0,1 Kg/m2, d'où une valeur de p equi de 0,77 Kg/m2. L'adhésif, choisi de façon à pouvoir conserver ses propriétés jusqu'à une température cryogénique, peut être avantageusement un polyuréthanne constitué d'un polyol et d'un isocyanate. Le gain sur la masse d'un réservoir cryotechnique, monté sur un lanceur de type Ariane 5, est d'environ 120 Kg (sachant que celui-ci est isolé sur une surface qui représente pas moins de 300 m2).
Conformément à cet exemple de réalisation on peut assurer l'isolation thermique du réservoir cryotechnique à l'aide de panneaux d'isolation, préalablement confectionnés, directement collés sur la paroi externe de celui-ci, à l'aide d'un adhésif époxy et d'un sac à vide.
On peut avoir ainsi les étapes suivantes : 1. Une étape de préparation de la surface Dans un premier temps, on prépare la surface métallique du réservoir que l'on désire protéger thermiquement. Cette préparation de surface a pour objet de donner à ladite surface une tension superficielle suffisante pour assurer une adhérence optimale d'un primaire d'accrochage. Elle peut prendre différentes formes bien connues de l'homme du métier. Elle consiste généralement en une opération de dégraissage alcalin et en une opération de décapage sulfochromique pour les alliages d'aluminium, suivies d'un rinçage à l'eau déminéralisée ou d'un émerisage à l'aide d'un papier abrasif de grade fin, ou encore de sablage au corindon de faible granulométrie, pour éviter toute dégradation de la structure métallique. 2. Une étape de protection Dans un délai aussi court que possible (généralement moins de 8 heures) afin d'éviter une nouvelle pollution de la surface, on effectue une opération de projection d'un primaire d'accrochage. Celle opération améliore l'adhérence de l'adhésif utilisé ensuite pour fixer l'isolation et protège la structure contre la corrosion. Le primaire, par exemple du PZ 820/HZ820 de la société SODIEMA, est avantageusement un époxy choisi principalement pour conserver ses propriétés jusqu'à une température cryogénique d'environ 20K. Afin d'éviter toute pollution de la surface ainsi protégée, on isole celle-ci dans un délai maximum de 30 jours après la polymérisation du primaire et au moins 36 heures après la fin de sa projection. L'épaisseur du film d'isolation est avantageusement comprise entre 10 et 50 microns, sachant que son épaisseur optimale est d'environ 20 microns. 3. Une étape de fixation On colle ensuite sur la surface ainsi préparée et revêtue du primaire les panneaux d'isolation aux emplacements préalablement définis avec un adhésif apte à supporter les températures cryogéniques sans perdre son intégrité, et compatible des matériaux dont il assure le collage. Le film d'adhésif peut être réalisé au moyen d'une colle de la famille des époxydes telle que l'Araldite (marque déposée) AY1O3/HY953F de la société VANTICO. Ainsi cet adhésif adhère à la structure à température ambiante ainsi qu'aux températures cryogéniques tout en étant chimiquement compatible avec la protection thermique. L'application de l'adhésif s'effectue à l'aide d'un tissu de verre imprégné de colle, de préférence à l'aide de rouleaux, puis bobiné directement sur le réservoir. La masse de colle à déposer est avantageusement comprise entre 150 et 200 g/m2. Après avoir posé les panneaux sur la structure, on les maintient ensuite sous une dépression de 0,7 bar à l'aide d'un sac à vide pendant une durée d'environ 36 heures, temps nécessaire à la colle pour polymériser. Après cette polymérisation, on dépose le sac à vide pour s'assurer du bon collage des panneaux d'isolation ainsi que de la présence de colle au niveau des joints inter panneaux. Un joint sans colle pourrait conduire à un phénomène de cryopompage de l'air lors de la mise en froid du réservoir, pouvant éventuellement endommager l'isolation. Le jeu toléré entre deux panneaux voisins doit être aux alentours d'un millimètre. La masse du tissu de verre est avantageusement comprise entre 30 et 40 g/m2 et sa largeur est d'environ un mètre pour une facilité de mise en oeuvre. A la température de 20K, la colle garantit une tenue en cisaillement de 3 MPa. L'isolation ainsi réalisée permet les mouvements de la peau du réservoir dus aux efforts hyperstatiques (contractions thermiques et pressurisation des réservoirs) pendant la phase de remplissage au sol, ainsi qu'aux efforts généraux supportés par le lanceur en vol. Les panneaux d'isolation ainsi réalisés avec une première couche de mousse à cellules fermées en polyétherimide de 3 mm d'épaisseur et une deuxième couche de mousse de copolymère d'éthylène de vinyle de 19,5 mm d'épaisseur possèdent une excellente résistance à l'impact mais également une haute résistance au pelage, indispensable pour ce type de structure chargée dynamiquement.
Tableau 1 et pt P2 P qui Réserve Réserve Configuration e2 (mm) ,p(W/m2) T2 (K) (mm) (kg/m3) (kg/m3) (kg/m2) Et (%) E2(%) Monocouche 21 55 0 0 286 1,16 - 0,60 - H920A R82-60 / EVA 3 60 19,5 25 288 0,67 99 3,07(*) 1,52(**) 25 (* ) (cm [20K] ù [ therm ù al. (20 ù 293)]) * * \ R2 [T2 ] ù [ therm ù a2. (T2 ù 293)]) avec ei : épaisseur de la couche i, Pi masse volumique du matériau de la couche i, : flux thermique entrant dans le réservoir au sol, Pequi : densité équivalente isolant du complexe en kg/m2. E1 et E2 : réserves de déformation des deux matériaux disponibles avant sollicitation mécanique via Emeca
Claims (8)
1. Article d'isolation cryogénique caractérisé en ce qu' ii comprend au moins une première couche de matériau isolant ayant de bonnes performances mécaniques et d'épaisseur inférieure à 5 mm, et une deuxième couche de matériau isolant moins dense, de plus grande épaisseur, utilisé contre les flux thermiques entrants.
2. Article d'isolation cryogénique selon la revendication dans lequel la première couche est une couche de mousse rigide à cellules fermées de polyéeherimide.
3. Article d'isolation cryogénique selon la revendication 2, dans lequel la première couche a une épaisseur d'environ 3 mm. 20
4. _article d'isolation c ycgenique selon la revendication dans lequel la seconde couche est une couche de copolymère d'éthylène acétate de vinyle.
5. Article d'isolation cryogénique selon la 25 revendication 4, dans lequel la seconde couche a une épaisseur d'environ 19,5 mm:.
6. Procédé de mise en ouvre d.' un article d'isolation cryogénique selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 5, qui comporte les étapes successives suivantes : .2925143 SP 30394 DB 15 - une étape de préparation de la surface sur laquelle doit être appliqué l'article d'isolation cryogénique, - une étape de protection au cours de 5 laquelle on applique sur la surface ainsi préparée un primaire d'accrochage, - une étape de fixation au cours de laquelle on colle ledit article d'isoation cryogénique, se présentant sous la forme d'au moins un 10 panneau réalisé à partir d'une mousse rigide à cellules fermées en polyétherlmide, à l'aide d'un tissu de verre imprégné d'un matériau adhésif.
7. Utilisation d'au moins un article 15 d'isolation cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, sous la forme d'un panneau d'isolation pour l'isolation d'une structure à parcis minces d'un véhicule spatial ou aéronautique.
8. Lanceur, qui est équipé d'au moins un article d'isolation cryogénique selon l'une - queuconque des revendications 1 à 5, sous la forme d'un panneau d'isolation.
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