FR3042268A1 - SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING THE FLUID LEVEL IN A RESERVOIR - Google Patents
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Abstract
Système de mesure du niveau de fluide dans un réservoir (1) d'engin spatial, ledit réservoir (1) s'étendant selon un axe vertical (Z), ledit réservoir (1), caractérisé en ce que ledit système de mesure comprend un calculateur (3), un système de détermination du vecteur accélération (4) dudit réservoir et une ou plusieurs sondes de niveau (2) identiques, disposées régulièrement sur les parois internes du réservoir (1), à une même hauteur mesurée selon l'axe vertical (Z), le calculateur étant configuré de manière à déterminer le niveau de fluide dans le réservoir (1) au moyen de l'accélération à laquelle est soumis le réservoir (1) mesurée par le système de détermination du vecteur accélération (4), et par la mesure de niveau réalisée par au moins une des sondes de niveau (2).System for measuring the level of fluid in a tank (1) of spacecraft, said tank (1) extending along a vertical axis (Z), said tank (1), characterized in that said measuring system comprises a computer (3), a system for determining the acceleration vector (4) of said reservoir and one or more identical level probes (2) regularly arranged on the internal walls of the reservoir (1), at the same height measured along the axis vertical (Z), the calculator being configured to determine the level of fluid in the reservoir (1) by means of the acceleration to which the reservoir (1) measured by the acceleration vector determination system (4) is subjected , and by the level measurement performed by at least one of the level probes (2).
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERALGENERAL TECHNICAL FIELD
La présente invention concerne le domaine des capteurs de niveau de fluide dans un réservoir, et trouve une application particulière dans le domaine des engins spatiaux pour la mesure de niveau dans des réservoirs d'ergols.The present invention relates to the field of fluid level sensors in a tank, and finds a particular application in the field of spacecraft for level measurement in propellant tanks.
ETAT DE L'ARTSTATE OF THE ART
La détermination du niveau d'ergols dans les réservoirs d'un lanceur est réalisée selon les objectifs dudit lanceur par un capteur couvrant la hauteur du réservoir ou segmenté, depuis la mise en œuvre d'un lanceur jusqu'à l'exploitation de son vol.The determination of the propellant level in the tanks of a launcher is carried out according to the objectives of said launcher by a sensor covering the height of the tank or segmented, since the implementation of a launcher until the operation of its flight .
Une telle détermination est nécessaire afin de garantir un niveau donné d'ergol dans les réservoirs lors du remplissage ou de la vidange des réservoirs au sol, et de détecter en fin de vol un niveau de vidange des réservoirs.Such a determination is necessary in order to guarantee a given level of propellant in the tanks during the filling or emptying of the tanks on the ground, and to detect at the end of the flight a level of emptying of the tanks.
Les sondes de niveau permettant de réaliser de telles mesures peuvent également servir afin d'évaluer le débit de vidange des réservoirs lors de l'exploitation. De plus, elles sont indispensables afin d'assurer une gestion active des ergols, notamment afin d'adapter les paramètres de vol en fonction des niveaux dans les réservoirs. Par gestion active des ergols, on entend une fonction permettant d'identifier la quantité courante des ergols, et permettant d'en définir les corrections nécessaires au fonctionnement du lanceur pour obtenir une consommation souhaitée.Level probes to perform such measurements can also be used to evaluate the rate of tank emptying during operation. In addition, they are essential to ensure active management propellant, especially to adapt the flight parameters based on levels in tanks. By active management of the propellant is meant a function to identify the current amount of propellant, and to define the necessary corrections to the operation of the launcher to achieve a desired consumption.
Les mesures de niveaux dans les réservoirs lors du vol d'un lanceur sont cependant perturbées par plusieurs phénomènes qui peuvent entraver leur précision, notamment les ballottements dans les réservoirs, les contractions et dilatations thermiques des réservoirs et des jauges, les erreurs de placement des jauges, ou encore l'inclinaison de la surface libre des ergols due à la trajectoire du lanceur et à son accélération.The level measurements in the tanks during the flight of a launcher are however disturbed by several phenomena which can hinder their accuracy, in particular the sloshing in the tanks, the contractions and thermal expansions of the tanks and the gauges, the errors of placement of the gauges , or the inclination of the free propellant surface due to the trajectory of the launcher and its acceleration.
Par ailleurs, les mesures de niveau sont utilisées pour connaître les masses résiduelles d'ergol dans les réservoirs. La reconstitution de ces masses est perturbée par les conditions thermodynamiques de l'ergol (masse volumique) et par le volume occupé par cet ergol résiduel.In addition, the level measurements are used to know the residual masses of propellant in the tanks. The reconstitution of these masses is disturbed by the thermodynamic conditions of propellant (density) and by the volume occupied by this residual propellant.
En l'état actuel, le moyen usuel mis en oeuvre pour s'affranchir de l'attitude de l'engin spatial sur la surface libre est la prise en compte d'une marge forfaitaire censée couvrir le cas pire de l'orientation du vecteur accélération du lanceur. La reconstitution de la masse résiduelle d'ergol dans le réservoir est alors biaisée.In the current state, the usual means implemented to overcome the attitude of the spacecraft on the free surface is the consideration of a flat margin supposed to cover the worst case of the orientation of the vector launcher acceleration. The reconstitution of the residual mass of propellant in the tank is then biased.
La présente invention vise à remédier au moins partiellement à ces problématiques, en utilisant l'inclinaison de la surface libre de l'ergol dans les réservoirs.The present invention aims at remedying at least partially these problems, using the inclination of the free surface of the propellant in the tanks.
PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention propose un système de mesure du niveau de fluide dans un réservoir d'engin spatial, ledit réservoir s'étendant selon un axe vertical, ledit réservoir, caractérisé en ce que ledit système de mesure comprend un calculateur, un système de détermination du vecteur accélération dudit réservoir, et une ou plusieurs sondes de niveau identiques, disposées régulièrement sur les parois internes du réservoir, à une même hauteur mesurée selon l'axe vertical, le calculateur étant configuré de manière à déterminer le niveau de fluide dans le réservoir au moyen de l'accélération à laquelle est soumis le réservoir mesurée par le système de détermination du vecteur accélération, et par la mesure de niveau réalisée par au moins une des sondes de niveau.PRESENTATION OF THE INVENTION To this end, the present invention proposes a system for measuring the level of fluid in a spacecraft reservoir, said reservoir extending along a vertical axis, said reservoir, characterized in that said measuring system comprises a calculator, a system for determining the acceleration vector of said reservoir, and one or more identical level probes, arranged regularly on the internal walls of the reservoir, at the same height measured along the vertical axis, the computer being configured so as to determining the fluid level in the reservoir by means of the acceleration to which the reservoir measured by the acceleration vector determination system is subjected, and by the level measurement made by at least one of the level probes.
Le calculateur est par exemple configuré de manière à, en fonction de l'orientation de l'accélération mesurée par rapport à l'axe vertical, déterminer le niveau de fluide dans le réservoir au moyen d'une unique sonde de niveau parmi lesdites sondes de niveau.For example, the computer is configured so that, depending on the orientation of the acceleration measured with respect to the vertical axis, the level of fluid in the reservoir is determined by means of a single level probe of the said probes. level.
Le calculateur peut également être configuré de manière à déterminer une hauteur de fluide équivalente dans le réservoir, ladite hauteur de fluide équivalente dans le réservoir correspondant à la hauteur de fluide dans le réservoir pour une accélération parallèle à l'axe vertical du réservoir.The calculator may also be configured to determine an equivalent fluid height in the reservoir, said equivalent fluid height in the reservoir corresponding to the fluid height in the reservoir for an acceleration parallel to the vertical axis of the reservoir.
Le calculateur est typiquement configuré de manière à réaliser une fonction de filtrage des mesures effectuées par les sondes de niveau. Ladite fonction de filtrage est alors typiquement réalisée de manière à écarter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement de fluide dans le réservoir.The computer is typically configured to perform a filter function of the measurements made by the level probes. Said filtering function is then typically performed so as to rule out the level variations due to one or more modes of fluid sloshing in the tank.
Le système de mesure comprend par exemple trois sondes de niveau identiques, chacune disposée dans le réservoir à une même hauteur mesurée selon l'axe vertical, et disposées espacées de 120° autour de l'axe vertical dans le réservoir. L'invention concerne également un réservoir muni d'un tel système de mesure, et un engin spatial muni d'un tel réservoir. L'invention concerne en outre un procédé d'estimation du niveau de fluide dans un réservoir d'un engin spatial, ledit procédé comprenant des étapes de : - détermination en utilisant un ensemble de mesures du vecteur accélération auquel est soumis le réservoir, - mesure d'un niveau de fluide dans le réservoir, - détermination d'un niveau de fluide dans le réservoir, en fonction de l'accélération et du niveau de fluide mesuré.The measurement system comprises for example three identical level probes, each disposed in the reservoir at the same height measured along the vertical axis, and disposed spaced 120 ° around the vertical axis in the reservoir. The invention also relates to a tank provided with such a measurement system, and a spacecraft equipped with such a tank. The invention further relates to a method for estimating the level of fluid in a tank of a spacecraft, said method comprising steps of: - determination using a set of measurements of the acceleration vector to which the tank is subjected, - measurement a fluid level in the reservoir, - determining a fluid level in the reservoir, as a function of the acceleration and the level of fluid measured.
Le niveau de fluide dans le réservoir est par exemple déterminé au moyen d'une hauteur de fluide équivalente dans le réservoir, ladite hauteur de fluide équivalente dans le réservoir correspondant à la hauteur de fluide dans le réservoir pour une accélération parallèle à un axe vertical du réservoir.The fluid level in the reservoir is for example determined by means of an equivalent fluid height in the reservoir, said equivalent fluid height in the reservoir corresponding to the fluid height in the reservoir for an acceleration parallel to a vertical axis of the reservoir. tank.
Le procédé comprend typiquement une étape de filtrage du niveau de fluide mesuré dans le réservoir, ladite étape de filtrage étant réalisée de manière à rejeter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement de fluide dans le réservoir.The method typically comprises a step of filtering the fluid level measured in the tank, said filtering step being carried out so as to reject the level variations due to one or more modes of fluid sloshing in the tank.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures annexées, sur lesquelles : - Les figures la et lb illustrent schématiquement un réservoir d'ergol, - Les figures 2 et 3 représentent schématiquement un exemple de positionnement de sondes au sein d'un réservoir d'ergol, - Les figures 4a et 4b illustrent deux exemples de mesures de niveau d'ergols au sein de réservoirs, - La figure 5 illustre schématiquement le fonctionnement du système selon un aspect de l'invention.PRESENTATION OF THE FIGURES Other characteristics, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which should be read with reference to the appended figures, in which: FIGS. 1a and 1b schematically illustrate a propellant reservoir, - Figures 2 and 3 show schematically an example of positioning probes within a propellant reservoir, - Figures 4a and 4b illustrate two examples of propellant level measurements within of tanks, - Figure 5 schematically illustrates the operation of the system according to one aspect of the invention.
Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.In all the figures, the elements in common are identified by identical reference numerals.
DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION
Les figures la et lb illustrent schématiquement un réservoir d'ergol en vue de dessus et en vue de côté.Figures la and lb schematically illustrate a propellant tank in top view and in side view.
Le réservoir 1 est représenté comme un cylindre de révolution selon un axe vertical Z, de rayon R et de hauteur Hres.The reservoir 1 is represented as a cylinder of revolution along a vertical axis Z, radius R and height Hres.
On considère une sonde positionnée sur une paroi du réservoir 1, à une hauteur Hsonde. L'accélération du lanceur est représentée par une flèche A. On repère ainsi son inclinaison y par rapport à l'axe vertical Z, l'angle y étant dans le plan défini par l'axe longitudinal du lanceur et le vecteur accélération, et son orientation par rapport à la position d'une sonde considérée sur les parois du réservoir 1 par l'angle δ.A probe positioned on a wall of the tank 1 is considered at a height Hsonde. The launcher acceleration is represented by an arrow A. Thus its inclination y with respect to the vertical axis Z is identified, the angle y being in the plane defined by the longitudinal axis of the launcher and the acceleration vector, and its orientation relative to the position of a probe considered on the walls of the tank 1 by the angle δ.
Comme décrit par le schéma, l'orientation du vecteur accélération entraîne une inclinaison de la surface libre de l'ergol dans le réservoir 1, représentée par un trait dans le réservoir 1 (les ballottements ne sont pas représentés). Cette inclinaison est d'un angle y par rapport à la direction horizontale, définie comme étant perpendiculaire à l'axe vertical Z du réservoir 1.As described in the diagram, the orientation of the acceleration vector causes the free surface of the propellant to tilt in the tank 1, represented by a line in the tank 1 (the sloshing is not shown). This inclination is an angle y with respect to the horizontal direction, defined as being perpendicular to the vertical axis Z of the tank 1.
On comprend donc bien qu'une telle inclinaison perturbe les mesures de niveau d'ergol dans le réservoir 1, en ce que le niveau mesuré par une sonde unique ne correspond pas à un niveau réel sur toute la périphérie du réservoir 1.It is therefore clear that such an inclination disturbs the ergol level measurements in the tank 1, in that the level measured by a single probe does not correspond to a real level over the entire periphery of the tank 1.
La multiplication des sondes afin d'avoir une mesure continue sur toute la périphérie du réservoir 1 n'est pas envisageable, à la fois pour des problématiques de coût et de masse.The multiplication of the probes so as to have a continuous measurement on the whole periphery of the tank 1 is not conceivable, both for problems of cost and mass.
Le système proposé vise donc à déterminer, au moyen des données mesurées par au moins un capteur de niveau et de données concernant l'accélération du lanceur comprenant le réservoir 1, un niveau équivalent d'ergol dans le réservoir 1, ce niveau équivalent d'ergol dans le réservoir 1 permettant ainsi de déterminer la quantité et la masse d'ergol restant.The proposed system therefore aims to determine, by means of the data measured by at least one level sensor and data relating to the launcher acceleration including the tank 1, an equivalent level of propellant in the tank 1, this equivalent level of ergol in the tank 1 thus making it possible to determine the quantity and the mass of propellant remaining.
Ainsi, si on considère le niveau moyen d'ergol H dans le réservoir, correspondant à l'intersection entre la surface libre de l'ergol et l'axe vertical Z du réservoir, on définit une distance ΔΗ entre le niveau moyen H et le niveau Hsonde mesuré par la sonde.Thus, if we consider the average level of ergol H in the reservoir, corresponding to the intersection between the free surface of the propellant and the vertical axis Z of the reservoir, a distance ΔΗ is defined between the mean level H and the Hsonde level measured by the probe.
Or, on déduit des figures les relations suivantes :Now, the following relationships are deduced from the figures:
SoitIs
AH = R x cos δ x tanyAH = R x cos δ x tany
Donc H = Hsonde — AH = Hsonde — R x cos δ x tanySo H = Hsonde - AH = Hsonde - R x cos δ x tany
On peut ainsi, à l'aide de la hauteur d'ergol mesurée par une sonde, et des données concernant l'accélération, définir une hauteur équivalente d'ergol dans le réservoir 1, cette hauteur équivalente définissant un volume équivalent d'ergol défini par un cylindre de révolution avec une surface libre horizontale (i.e. perpendiculaire à l'axe vertical Z du réservoir 1).It is thus possible, using the propellant height measured by a probe, and data concerning the acceleration, to define an equivalent propellant height in the tank 1, this equivalent height defining an equal volume of propellant defined by a cylinder of revolution with a horizontal free surface (ie perpendicular to the vertical axis Z of the tank 1).
Le réservoir 1 est donc équipé d'un système de détermination de l'accélération 4configuré de manière à recueillir les données concernant le vecteur accélération, par exemple un ensemble d'accéléromètres ou des moyens de calcul transmettant le vecteur accélération, d'une ou plusieurs sondes de niveau 2, et d'un calculateur 3 adapté pour déterminer la hauteur équivalente d'ergol dans le réservoir à partir notamment des données fournies par l'ensemble d'accéléromètres et la ou les sonde(s) de niveau.The tank 1 is therefore equipped with an acceleration determination system 4 configured to collect the data relating to the acceleration vector, for example a set of accelerometers or calculation means transmitting the acceleration vector, from one or more level 2 probes, and a calculator 3 adapted to determine the equivalent height of propellant in the tank from, in particular, the data provided by the set of accelerometers and the level probe (s).
Afin de fiabiliser les mesures, plusieurs sondes de niveau identiques sont typiquement disposées dans le réservoir 1. Ces sondes de niveau sont disposées régulièrement le long de la paroi du réservoir 1, préférentiellement à une même hauteur selon l'axe vertical Z.In order to make the measurements more reliable, several identical level probes are typically arranged in the tank 1. These level probes are arranged regularly along the wall of the tank 1, preferably at the same height along the vertical axis Z.
Le réservoir comprend ainsi par exemple trois sondes de niveau identiques, ce qui permet de fiabiliser les mesures, tout en étant acceptable en termes de coût et de masse, selon les contraintes du projet considéré.The reservoir thus comprises, for example, three identical level probes, which makes the measurements more reliable, while being acceptable in terms of cost and mass, depending on the constraints of the project under consideration.
Les figures 2 et 3 représentent un exemple d'implantation des sondes de niveau 2 dans le réservoir 1.Figures 2 and 3 show an example of implantation of the level 2 probes in the tank 1.
On voit sur ces figures que les trois sondes de niveau 2 sont disposées à une même hauteur Hs, et sont réparties à 120° les unes des autres autour de l'axe vertical Z.It can be seen from these figures that the three level 2 probes are arranged at the same height Hs, and are distributed at 120 ° to each other around the vertical axis Z.
La figure 4 représente deux exemples de courbes traduisant le niveau d'ergol dans un réservoir, respectivement pour un réservoir d'hydrogène cryogénique (figure 4a), et un réservoir d'oxygène cryogénique (figure 4b).FIG. 4 represents two examples of curves representing the level of propellant in a tank, respectively for a cryogenic hydrogen tank (FIG. 4a), and a cryogenic oxygen tank (FIG. 4b).
On remarque plusieurs tracés sur chacun des graphes.We notice several plots on each of the graphs.
Les tracés linéaires Ml représentent le niveau théorique d'ergol dans les réservoirs en fonction du temps, et traduisent donc une consommation régulière d'ergol.The linear plots M1 represent the theoretical level of propellant in the tanks as a function of time, and thus reflect a regular consumption of propellant.
Les tracés les plus irréguliers M2 traduisent les niveaux d'ergol mesurés par les sondes de niveau 2 disposées dans les réservoirs 1. L'irrégularité de ces tracés est due notamment aux variations de l'accélération, aux ballottements des ergols dans les réservoirs 1, et plus généralement aux phénomènes conduisant à un mouvement des ergols dans les réservoirs 1.The most irregular plots M2 reflect the ergol levels measured by the level 2 probes arranged in the tanks 1. The irregularity of these plots is due in particular to the variations of the acceleration, to the sloshing of the propellants in the tanks 1, and more generally to the phenomena leading to propellant movement in tanks 1.
Le calculateur 3 est ainsi configuré de manière à réaliser un filtrage des mesures effectuées par les sondes de niveau 2, de manière à obtenir un niveau filtré à partir du niveau mesuré par les sondes de niveau 2, ce filtrage étant configuré de manière à écarter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement. La troisième courbe M3 représentée sur les graphes de la figure 4 traduit donc le niveau filtré.The computer 3 is thus configured to perform a filtering of the measurements made by the level 2 probes, so as to obtain a level filtered from the level measured by the level 2 probes, this filtering being configured so as to exclude the level variations due to one or more sloshing modes. The third curve M3 represented on the graphs of FIG. 4 thus reflects the filtered level.
Le calculateur 3 utilise alors typiquement le niveau filtré d'ergol dans le réservoir 1 afin de déterminer le niveau équivalent d'ergol, ce qui fiabilise et augmente la précision des calculs effectués.The computer 3 then typically uses the filtered level of propellant in the tank 1 in order to determine the equivalent level of propellant, which makes the reliability and the accuracy of the calculations made more reliable.
La figure 5 illustre schématiquement le fonctionnement du système tel que présenté.Figure 5 schematically illustrates the operation of the system as shown.
On représente ainsi sur cette figure les données d'entrée, qui sont relevées par des sondes de niveau et par un système de détermination du vecteur accélération, à savoir une ou plusieurs sondes de niveau relevant des niveaux d'ergol dans un réservoir (en l'occurrence trois sondes de niveau relevant donc trois niveaux d'ergol NI, N2 et N3), et un système de détermination du vecteur accélération relevant les angles δ et y traduisant l'orientation de l'accélération de l'engin comprenant le réservoir 1.Thus, the input data, which are recorded by level probes and by a system for determining the acceleration vector, namely one or more level probes falling within the levels of propellant in a reservoir (in FIG. the occurrence of three level probes thus three levels of propellant NI, N2 and N3), and a system for determining the acceleration vector falling angles δ and y reflecting the orientation of the acceleration of the machine comprising the tank 1 .
Les données correspondant aux niveaux d'ergol mesurés par la ou les sondes de niveau sont ensuite typiquement filtrées de manière à écarter les variations de niveau dues à un ou plusieurs modes de ballottement.The data corresponding to the ergol levels measured by the level probe (s) are then typically filtered so as to rule out the level variations due to one or more sloshing modes.
Une fois ce filtrage optionnel réalisé, les données sont ensuite vérifiées, et exploitées par le calculateur 3 afin de déterminer un niveau moyen d'ergol dans le réservoir considéré, ce qui permet de déterminer ensuite aisément la masse et le volume d'ergol restant dans ce réservoir 1.Once this optional filtering has been performed, the data are then verified and used by the computer 3 to determine an average level of propellant in the tank in question, which then makes it possible to easily determine the mass and the volume of propellant remaining in this tank 1.
Le système proposé permet donc d'améliorer la précision de mesures dans les réservoirs d'ergol, grâce au filtrage de l'inclinaison de la surface libre.The proposed system therefore makes it possible to improve the accuracy of measurements in propellant tanks, by filtering the inclination of the free surface.
De plus, une sonde étant suffisante pour déterminer le niveau d'ergol, le système proposé permet d'obtenir une fiabilité accrue, dans la mesure où la panne d'une des sondes de niveau n'impacte alors pas les mesures.In addition, since a probe is sufficient to determine the level of propellant, the proposed system makes it possible to obtain increased reliability, insofar as the failure of one of the level probes does not then impact the measurements.
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