FR2975441A1 - Dispositif et procede de re-pressurisation - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne le domaine de l'alimentation de moteurs à réaction en propergols cryogéniques, et un particulier un système et un procédé de re-pressurisation d'un réservoir (101,201,301) contenant une phase liquide (103,203,303) et une phase gazeuse (104,204,304) d'un propergol cryogénique. Pour la re-pressurisation du réservoir (101,201,301), le propergol cryogénique est chauffé par un dispositif (110,210,310) de réchauffe.
Description
La présente invention concerne un système et un procédé de repressurisation d'un réservoir de propergol.
L'invention concerne plus particulièrement un système de re- pressurisation d'un réservoir contenant une phase liquide et une phase gazeuse d'un propergol cryogénique. Dans les engins propulsés par des moteurs à réaction, en particulier des moteurs-fusées, alimentés en propergols cryogéniques, comme par exemple l'hydrogène liquide, les réservoirs de ces propergols cryogéniques sont normalement dépressurisés pendant les phases de vol balistiques jusqu'à la pression de saturation du propergol afin de pouvoir maintenir un contrôle de la température des propergols cryogéniques.
Toutefois, si le moteur doit être redémarré après une phase balistique, le réservoir de propergol cryogénique est alors re-pressurisé pour que la pression du propergol soit conforme aux conditions d'alimentation du moteur. Les systèmes de re-pressurisation habituellement utilisés font usage d'un gaz de re-pressurisation, tel que l'hélium, stocké à haute pression. Des exemples de tels systèmes de re- pressurisation de l'art antérieur ont été divulgués, par exemple, dans les demandes de brevet russes RU 2 159 348 Cl, RU 2 159 861, RU 2 177 070 C2, RU 2 119 082 C2, RU 2 132 477 Cl, RU 2 339 833 C2 et RU 2 339 835 C2. Toutefois, cette solution présente l'inconvénient d'imposer l'embarquement du gaz de re-pressurisation à bord de l'engin. Ainsi, une masse de 20 kg d'hélium sera normalement requise pour une repressurisation d'un réservoir de 60 m3 d'hydrogène liquide. Un réservoir d'hélium contenant cette masse d'hélium en état gazeux à haute pression (environ 200 bar) aura typiquement une masse globale de 200 kg. Cette masse supplémentaire est embarquée à bord de l'engin en détriment de la charge utile. En outre, elle devra être multiplié par le nombre de fois que le réservoir cryogénique devra être re-pressurisé après une phase balistique prolongée.
Alternativement, le gaz de re-pressurisation peut être stocké à l'état liquide, ce qui permet typiquement de réduire la masse de stockage d'environ 30%. Toutefois, cette diminution est au moins partiellement
compensée par la présence alors nécessaire de moyens de réchauffage, lesquels augmentent en outre la complexité du système d'alimentation du moteur en propergols. Des inconvénients similaires se présenteront aussi dans un système faisant usage de générateurs de gaz de re- pressurisation, tel que celui divulgué dans RU 2 147 344.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et proposer un système et un procédé de re-pressurisation qui permettent une re-pressurisation efficace d'un réservoir de propergol cryogénique sans augmentation excessive de la masse embarquée.
Ce but est atteint grâce au fait que, dans au moins un mode de réalisation, le système de re-pressurisation comporte un dispositif de réchauffe du propergol.
Grâce à ces dispositions, le réservoir peut être re-pressurisé par le passage à la phase gazeuse d'une partie du propergol en phase liquide, ainsi que par l'augmentation de l'enthalpie du propergol en phase gazeuse. Le recours à un autre gaz de re-pressurisation n'est donc plus nécessaire.
Dans certains modes de réalisation, ledit dispositif de réchauffe du propergol est un dispositif de réchauffe du propergol en phase liquide pour son passage en phase gazeuse. En particulier, le système de re- pressurisation peut comporter, en outre de ce dispositif de réchauffe, un circuit pour alimenter ledit dispositif de réchauffe en propergol en phase liquide et réinjecter le propergol dans le réservoir après son passage en phase gazeuse dans le dispositif de réchauffe. Le réchauffement direct de propergol liquide pour son passage en phase gazeuse permet une re- pressurisation rapide du réservoir, tandis que le circuit d'alimentation en propergol liquide du dispositif de réchauffe et de re-injection de ce propergol, en phase gazeuse, dans le réservoir, permet un placement du dispositif de réchauffe à l'extérieur du réservoir, minimisant ainsi l'impact du dispositif de réchauffe dans l'écoulement du propergol liquide dans le réservoir. Afin d'assurer un débit contrôlé de propergol à travers le circuit, ce circuit peut comporter un dispositif de circulation forcée, tel que, par
exemple, une pompe située en amont du dispositif de réchauffe. Toutefois, le dispositif de réchauffe peut aussi alternativement être situé dans le réservoir et être alimenté par circulation naturelle de la phase liquide à la phase gazeuse.
Dans certains autres modes de réalisation, ledit dispositif de réchauffe du propergol est un dispositif de réchauffe du propergol en phase gazeuse. Le réchauffement du propergol en phase gazeuse contribue aussi à la re-pressurisation du réservoir, et même dans ces modes de réalisation, le transfert de chaleur du propergol en phase gazeuse au propergol en phase liquide contribue aussi à évaporer une partie du propergol liquide, résultant aussi en une augmentation de la pression dans le réservoir. Afin d'assurer un réchauffement homogène du propergol en phase gazeuse, même dans des conditions de microgravité, un tel système de re-pressurisation peut aussi comporter un dispositif de convection forcée de la phase gazeuse du propergol dans le réservoir.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de réchauffe du propergol liquide est un dispositif électrique de réchauffe, ce qui permet de limiter sa complexité, tout en assurant sa fiabilité et sécurité. Le système de re-pressurisation peut comporter en outre une pile à combustible pour l'alimentation électrique du dispositif de réchauffe, ce qui permet de fournir le dispositif de réchauffe en électricité obtenue d'une réaction chimique entre, par exemple, deux propergols, sans augmenter la complexité mécanique du système d'alimentation en propergols.
L'invention concerne également un système d'alimentation d'un moteur à réaction, comportant au moins un réservoir de propergol et un système de re-pressurisation, tel que décrit, dudit réservoir. Bien qu'un tel système d'alimentation soit principalement destiné à être utilisé dans des moteurs-fusées, en particulier des moteurs-fusées d'étages supérieurs d'engins lanceurs, son utilisation peut aussi être considérée pour des moteurs à réaction aérobies, notamment des statoréacteurs, à carburant cryogénique.
L'invention concerne également un procédé de re-pressurisation d'un réservoir contenant une phase liquide et une phase gazeuse d'un propergol cryogénique et comportant, dans au moins certains modes de réalisation, une étape de réchauffement du propergol par un dispositif de réchauffe.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de trois modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement un réservoir de propergol cryogénique avec un système de re-pressurisation suivant un premier mode de réalisation ; la figure 2 illustre schématiquement un réservoir de propergol cryogénique avec un système de re-pressurisation suivant un deuxième mode de réalisation ; et la figure 3 illustre schématiquement un réservoir de propergol cryogénique avec un système de re-pressurisation suivant un troisième mode de réalisation.
Un réservoir 101 de propergol cryogénique avec un système de repressurisation 102 suivant un premier mode de réalisation est illustré sur la figure 1. Le réservoir 101 illustré est un réservoir de volume V pour l'alimentation en hydrogène liquide (LH2) d'un moteur-fusée à oxygène et hydrogène liquides, et en particulier d'un moteur-fusée redémarrable d'un étage supérieur d'engin lanceur. Une phase liquide 103 d'hydrogène remplit partiellement le réservoir 101, et une phase gazeuse 104 de ce même hydrogène remplit l'espace restant dans le réservoir 101.
Le fond du réservoir 101 illustré présente trois sorties 105, 106, et 107, ainsi qu'un dispositif 108 de gestion de propergol (en anglais : « Propellant Management Device » ou PMD) pour assurer l'arrivée de liquide à ces trois sorties 105, 106 et 107 même dans des conditions de microgravité. Bien que le dispositif 108 illustré soit de type éponge,
d'autres types de dispositifs de gestion de propergol peuvent être considérés, utilisant aussi la tension de surface de la phase liquide 103 pour la diriger vers ou la maintenir au fond du réservoir 101.
La sortie 105 sert à l'alimentation du moteur-fusée en hydrogène liquide. La sortie 106, par contre, est connectée à un circuit 109 d'alimentation d'un dispositif 110 de réchauffe de l'hydrogène liquide et de réinjection de cet hydrogène, à l'état gazeux, dans le réservoir 101 à travers un point d'injection 111. Le circuit 109 comporte un dispositif de circulation forcée sous forme d'une pompe électrique 112, avec une puissance maximale Pp et une pression de sortie p;, en amont du dispositif de réchauffe 110 pour lui fournir un débit d'hydrogène liquide. Le dispositif de réchauffe 110 a une puissance maximale Ph suffisante pour chauffer ce débit d'hydrogène liquide de la température initiale To du réservoir 101 dépressurisé à une température de sortie Ti, tout en le faisant passer de l'état liquide à l'état gazeux à la pression p;. La pression p; de sortie de la pompe 112 est supérieure tant à une pression initiale po du réservoir 101 dépressurisé qu'à une pression cible pl du réservoir 101 re-pressurisé. La température de sortie Ti est également supérieure tant à une température initiale To du réservoir 101 dépressurisé qu'à une température cible Tl du réservoir 101 re-pressurisé.
La sortie 107 est connectée à un dispositif d'alimentation 113 d'une pile à combustible 114 de puissance Pf égale ou supérieure à la somme des puissances maximale Pp et Ph de, respectivement, la pompe 112 et le dispositif de réchauffe 110. Ce dispositif d'alimentation 113 est aussi connecté à un conduit 115 d'oxydant, par exemple du même oxygène liquide LO2 fourni au moteur-fusée, et contient des dispositifs tels que des pompes, des vannes et des capteurs, pour assurer une alimentation contrôlée de la pile à combustible 114. La pile à combustible 114 est connectée au dispositif de réchauffe 110 et à la pompe 112 pour assurer leur alimentation électrique. Une unité de commande 116 est connectée au dispositif d'alimentation 113, à la pompe 112 et au dispositif de réchauffe 110, ainsi qu'à des capteurs de pression 117 et de température 118 pour réguler la re-pressurisation du réservoir 101. Une batterie 119 est connectée à l'unité de commande 116 et au dispositif d'alimentation
113 de la pile à combustible 114 pour assurer leur alimentation électrique quand la pile à combustible 114 est désactivée.
En fonctionnement, quand le réservoir 101 doit être re-pressurisé, par exemple après sa dépressurisation suite à une phase prolongée de vol balistique, et que la pression dans le réservoir 101 doit donc monter de la pression initiale po à la pression cible pi apte à l'alimentation du moteur-fusée, l'unité de commande 116 active d'abord le dispositif d'alimentation 113 de la pile à combustible 114. Celle-ci commence alors à produire une puissance électrique Pf transmise, de manière régulée par l'unité de commande 116, à la pompe 112 pour alimenter en hydrogène liquide le dispositif de réchauffe 110, ainsi qu'au dispositif de réchauffe 110 pour chauffer cet hydrogène liquide et le faire passer en phase gazeuse. L'hydrogène gazeux ainsi réchauffé est réinjecté par le point d'injection 111 dans le réservoir 101 à sensiblement la pression p; de sortie de la pompe 112. L'unité de commande 116 régule la re-pressurisation du réservoir 101 sur base de signaux transmis par les capteurs 117 et 118 et met fin à ce processus de re-pressurisation quand la pression cible p1 pour le redémarrage du moteur-fusée est atteinte après une période t de re- pressurisation par réinjection d'une masse totale M; de propergol en phase gazeuse.
Ainsi, avec un ensemble tel qu'illustré, il est par exemple possible de re-pressurisser un réservoir d'hydrogène liquide d'un volume V de 60 m3, d'une pression initiale po de 1,5 bar à une pression cible pi de 3,5 bar, en une période t de 500 s, avec la réinjection d'une masse M; de 20 kg d'hydrogène gazeux à une température Ti de 120 K et une pression p; entre 5 et 10 bar. Pour cela, la puissance maximale Pp de la pompe 112 peut être de 500 W, ce qui peut être obtenu avec une pompe électrique de masse modérée (environ 2 kg), et la puissance Pf de la pile à combustible 114 peut être de 30 kW, ce qui peut être obtenu, par exemple, avec une pile à combustible de type Ballard® 901 de moins de 30 kg. Pour produire l'énergie électrique nécessaire à cette repressurisation, cette pile à combustible 114 consommera environ 10 kg de propergols.
Un système de ré-pressurisation 202 suivant un deuxième mode de réalisation est illustré sur la figure 2. Comme dans le premier mode de réalisation, dans ce deuxième mode de réalisation, une phase liquide 203 d'hydrogène remplit partiellement le réservoir 201, et une phase gazeuse 204 de ce même hydrogène remplit l'espace restant dans le réservoir 201. Le fond du réservoir 201 comporte aussi un dispositif 208 de gestion de propergol (en anglais : « Propellant Management Device » ou PMD), mais uniquement deux sorties 205 et 207. Comme dans le premier mode de réalisation, la sortie 205 sert à l'alimentation du moteur-fusée en hydrogène liquide, et la sortie 207 est connectée à un dispositif d'alimentation 213 d'une pile à combustible 214 destinée à l'alimentation électrique d'un dispositif de réchauffe 210. Toutefois, dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif de réchauffe 210 est à l'intérieur du réservoir 201, intégré dans une cheminée 220 entre les phases liquide 203 et gazeuse 204 de l'hydrogène du réservoir 201. Ainsi, quand ce système de ré-pressurisation 202 est en fonctionnement, avec une gravité non nulle, le débit d'hydrogène traversant le dispositif de réchauffe 210 ne le fait pas par circulation forcée mais par le tirage naturel de la cheminée 220.
Comme dans le premier mode de réalisation, le dispositif d'alimentation 213 de la pile à combustible 214 est aussi connecté à un conduit 215 d'oxydant, par exemple du même oxygène liquide LO2 fourni au moteur-fusée, et contient des dispositifs tels que des pompes, des vannes et des capteurs, pour assurer une alimentation contrôlée de la pile à combustible 214. Une unité de commande 216 est aussi connectée au dispositif d'alimentation 213 et au dispositif de réchauffe 210, ainsi qu'à des capteurs de pression 117 et de température 118 pour réguler la repressurisation du réservoir 201. Une batterie 219 est connectée à l'unité de commande 216 et au dispositif d'alimentation 213 de la pile à combustible 214 pour assurer leur alimentation électrique quand la pile à combustible 214 est désactivée.
En fonctionnement, quand le réservoir 201 doit être re-pressurisé, et que la pression dans le réservoir 201 doit donc monter de la pression initiale po à la pression cible pl apte à l'alimentation du moteur-fusée,
l'unité de commande 216 active d'abord le dispositif d'alimentation 213 de la pile à combustible 214. Celle-ci commence alors à produire la puissance électrique Pf transmise, de manière régulée par l'unité de commande 216, au dispositif de réchauffe 210 pour chauffer ce propergol liquide et le faire passer en phase gazeuse. Le propergol gazeux ainsi réchauffé monte par la cheminée 220, générant un tirage naturel assurant l'alimentation du dispositif de réchauffe en plus de propergol liquide. L'unité de commande 216 régule la re-pressurisation du réservoir 201 sur base de signaux transmis par les capteurs 217 et 218 et met fin à ce processus de re- pressurisation quand la pression cible pi pour le redémarrage du moteur-fusée est atteinte.
Un système de ré-pressurisation 302 suivant un troisième mode de réalisation est illustré sur la figure 3. Comme dans les premier et deuxième modes de réalisation, dans ce troisième mode de réalisation, une phase liquide 303 d'hydrogène remplit partiellement le réservoir 301, et une phase gazeuse 304 de ce même hydrogène remplit l'espace restant dans le réservoir 301. Le fond du réservoir 301 comporte aussi un dispositif 308 de gestion de propergol (en anglais : « Propellant Management Device » ou PMD), et, comme dans le deuxième mode de réalisation, deux sorties 305 et 307. Comme dans les premier et deuxième modes de réalisation, la sortie 305 sert à l'alimentation du moteur-fusée en hydrogène liquide, et la sortie 307 est connectée à un dispositif d'alimentation 313 d'une pile à combustible 314 destinée à l'alimentation électrique d'un dispositif de réchauffe 310. Toutefois, dans ce troisième mode de réalisation, le dispositif de réchauffe 310 n'est pas alimenté en propergol liquide, mais est dans un conduit 321 noyé dans la phase gazeuse 304 à l'intérieur du réservoir 301. Un dispositif de circulation forcée, sous forme d'un ventilateur 322, assure une circulation forcée à travers le conduit 321 et le dispositif de réchauffe 310.
Comme dans les premier et deuxième modes de réalisation, le dispositif d'alimentation 313 de la pile à combustible 314 est aussi connecté à un conduit 315 d'oxydant, par exemple du même oxygène liquide L02 fourni au moteur-fusée, et contient des dispositifs tels que des pompes, des vannes et des capteurs, pour assurer une alimentation
contrôlée de la pile à combustible 314. Une unité de commande 316 est aussi connectée au dispositif d'alimentation 313, au ventilateur 322 et au dispositif de réchauffe 310, ainsi qu'à des capteurs de pression 317 et de température 318 pour réguler la re-pressurisation du réservoir 301. Une batterie 319 est aussi connectée à l'unité de commande 316 et au dispositif d'alimentation 313 de la pile à combustible 314 pour assurer leur alimentation électrique quand la pile à combustible 314 est désactivée.
En fonctionnement, quand le réservoir 301 doit être re-pressurisé, par exemple après sa dépressurisation suite à une phase prolongée de vol balistique, et que la pression dans le réservoir 301 doit donc monter de la pression initiale po à la pression cible pi apte à l'alimentation du moteur-fusée, l'unité de commande 316 active d'abord le dispositif d'alimentation 313 de la pile à combustible 314. Celle-ci commence alors à produire la puissance électrique Pf transmise, de manière régulée par l'unité de commande 316, au dispositif de réchauffe 310 et au ventilateur 322 pour chauffer et faire circuler le propergol en phase gazeuse. Le propergol gazeux ainsi réchauffé chauffe aussi le propergol liquide, provoquant une évaporation plus intense du propergol liquide. Avec une température plus élevée et une partie du propergol qui passe de la phase liquide 303 à la phase gazeuse 304, la pression dans le réservoir augmente. L'unité de commande 316 régule cette re-pressurisation du réservoir 301 sur base de signaux transmis par les capteurs 317 et 318 et met fin au processus de re-pressurisation quand la pression cible pi pour le redémarrage du moteur-fusée est atteinte.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par exemple, afin de promouvoir la circulation du débit d'hydrogène traversant le dispositif de réchauffe 210 du système de ré-pressurisation du deuxième mode de réalisation en cas de gravité nulle ou microgravité insuffisante pour générer un tirage
naturel sensible, la cheminée 220 pourrait être équipée d'un dispositif de circulation forcée, tel que, par exemple, le ventilateur 322 du troisième mode de réalisation. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.5
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Système de re-pressurisation (102,202,302) d'un réservoir (101,201,301) contenant une phase liquide (103,203,303) et une phase gazeuse (104,204,304) d'un propergol cryogénique, le système de repressurisation étant caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (110,210,310) de réchauffe du propergol.
- 2. Système de re-pressurisation (102,202) suivant la revendication 1, dans lequel ledit dispositif (110,210) de réchauffe du propergol est un dispositif de réchauffe du propergol en phase liquide pour son passage en phase gazeuse.
- 3. Système de re-pressurisation (102) suivant la revendication 2, comportant en outre un circuit (109) pour alimenter ledit dispositif de réchauffe (110) en propergol en phase liquide et réinjecter le propergol dans le réservoir (101) après son passage en phase gazeuse dans le dispositif de réchauffe (110).
- 4. Système de re-pressurisation (102) suivant la revendication 3, dans lequel ledit circuit (109) comporte un dispositif de circulation forcée (112)
- 5. Système de re-pressurisation (302) suivant la revendication 1, dans lequel ledit dispositif (310) de réchauffe du propergol est un dispositif de réchauffe du propergol en phase gazeuse.
- 6. Système de re-pressurisation (302) suivant la revendication 5, comportant en outre un dispositif de convection forcée (322) de la phase gazeuse (304) du propergol dans le réservoir (301).
- 7. Système de re-pressurisation (102,202,302) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de réchauffe (110,210,310) du propergol liquide est un dispositif électrique de réchauffe.
- 8. Système de re-pressurisation (102,202,302) suivant la revendication 7, comportant en outre une pile à combustible (114,214,314) pour l'alimentation électrique du dispositif de réchauffe (110,210,310).
- 9. Système d'alimentation d'un moteur à réaction, comportant au moins un réservoir (101,201,301) de propergol et un système de re-pressurisation (102,202,302) dudit réservoir (101,201,301) suivant une quelconque des revendications précédentes.
- 10. Procédé de re-pressurisation d'un réservoir (101,201,301) contenant une phase liquide (103,203,303) et une phase gazeuse (104,204,304) d'un propergol cryogénique, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape de réchauffement du propergol par un dispositif de réchauffe (110,210,310).
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