FR3128446A1 - Réservoir haute pression d’un véhicule aérospatial subissant des phénomènes de rentrée atmosphérique - Google Patents

Réservoir haute pression d’un véhicule aérospatial subissant des phénomènes de rentrée atmosphérique Download PDF

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Abstract

Réservoir haute pression d’un véhicule aérospatial subissant des phénomènes de rentrée atmosphérique Un réservoir (10) compact de gaz haute pression pour système (2) de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial (1), le réservoir (10) comprenant une première paroi externe (11), une deuxième paroi externe (12) parallèle et en regard de la première paroi externe (11), et une troisième paroi externe (13) s’étendant entre une première extrémité (131) solidaire du périmètre (110) de la première paroi externe (11) et une seconde extrémité (132) solidaire du périmètre (120) de la deuxième paroi externe (12) pour fermer le réservoir (10). Le réservoir (10) comprend un treillis interne (14) s’étendant à l’intérieur du réservoir (10) et comprenant un réseau de parois internes (15) s’étendant chacune entre la première paroi externe (11) et une paroi parmi la deuxième paroi externe (12) et la troisième paroi externe (13). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Réservoir haute pression d’un véhicule aérospatial subissant des phénomènes de rentrée atmosphérique
L'invention concerne la conception de véhicules aérospatiaux ayant un besoin de contrôle de leur altitude durant les différentes phases de leurs mission, et plus particulièrement la conception d’un réservoir haute pression pour un système de contrôle d’altitude embarqué dans un tel véhicule aérospatial.
Un système de contrôle d’altitude permet de contrôler la position et l’orientation d’un objet en phase exo-atmosphérique, ce qui permet de réaliser les manœuvres nécessaires pour la mission (liste d’exemple non exhaustive : orientation dans une direction donnée, stabilisation du véhicule, annulation de l’effet d’une perturbation, contrôle de l’altitude en début de rentrée atmosphérique…). Sur certain objets, cette orientation est apportée par un système de contrôle d’altitude asservi.
Plusieurs types de technologies de système de contrôle d’altitude existent.
Un système de contrôle d’altitude à gaz froid connu utilise un générateur de gaz. Un générateur de gaz accélère du gaz froid sous pression, comme par exemple du diazote, à l’aide de tuyères orientées qui permettent un mouvement de rotation de l’objet autour de son centre de gravité. Un tel système permet de contrôler de manière précise et autonome l’orientation d’un objet de vol dans l’espace. Plus particulièrement, comme cela est illustré sur les figures 1 et 2 qui présentent schématiquement une vue de dessous et une vue en coupe de côté d’un objet de vol spatial 1, un tel système de contrôle d’altitude 2 comprend quatre tuyères orientées 3 placées sur le fond 4 de l’objet de vol spatial 1 et permettant de réaliser toutes les rotations dans l’espace. Les quatre tuyères sont alimentées par un réservoir 5 de gaz sous pression disposé à l’intérieur de l’objet de vol spatial 1, c’est-à-dire dans l’espace défini par la plaque de fond 4 et le carter 6 aérodynamique.
Les réservoirs traditionnels de forme sphérique ou cylindrique présentent généralement les meilleures performances et sont donc privilégiées dans l’industrie. Malheureusement, ils présentent un encombrement longitudinal trop important, c’est-à-dire dans une direction orthogonale à la paroi externe du véhicule, et les interfaces et les moyens de soutien du réservoir sur la structure sont complexes à aménager. Sur la est représenté l’encombrement d’un réservoir sphérique en trait pointillé et celui d’un réservoir cylindrique en trait plein. A volume égal, le réservoir cylindrique est moins haut que le réservoir sphérique, mais il reste tout de même trop grand en hauteur.
Et les réservoirs plats connus ne permettent pas supporter les contraintes mécaniques en jeu.
En effet, pour une plaque cylindrique encastrée sous pression homogène, la contrainte maximum est donnée par l’équation suivante :
Avec σmaxla contrainte maximum dans le matériau, q la pression qui s’exerce sur la plaque, e l’épaisseur de la plaque, ν le coefficient de Poisson et a le rayon de la plaque.
En considérant par exemple une pression interne dans le réservoir de 800 bars, un diamètre de réservoir de 250 mm et que les parois du réservoir sont en titane TA6V, l’épaisseur de la plaque e à utiliser pour résister aux contraintes est de 27,5 mm, soit une masse de 6 kg pour la plaque à partir de laquelle les parois du réservoir sont formées, ce qui est beaucoup trop lourd et surtout beaucoup trop épais pour la capacité offerte pour le réservoir et l’espace disponible.
Pour qu’un réservoir puisse être embarqué sur un objet de vol spatial à volume interne limité, étant donné l’espace disponible des plus restreint, le réservoir doit être compact et présenter une masse la plus faible possible pour maximiser la performance.
La présente invention a donc pour but principal fournir un réservoir de gaz haute pression d’un système de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial qui soit, à la fois, léger, compact et dont la forme permettent un assemblage simplifié
Dans un premier objet de l’invention, il est proposé un réservoir compact de gaz haute pression pour système de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial, le réservoir comprenant une première paroi externe, une deuxième paroi externe parallèle et en regard de la première paroi externe, et une troisième paroi externe s’étendant entre une première extrémité solidaire du périmètre de la première paroi externe et une seconde extrémité solidaire du périmètre de la deuxième paroi externe pour fermer le réservoir.
Selon une caractéristique générale de l’invention, le réservoir comprend un treillis interne s’étendant à l’intérieur du réservoir et comprenant un réseau de parois internes s’étendant chacune entre la première paroi externe et une paroi parmi la deuxième paroi externe et la troisième paroi externe.
Le treillis interne prévu dans le réservoir selon l’invention permet de raidir le réservoir et ainsi de limiter le travail en flexion des parois, ou peaux, externes, du réservoir. En effet, le treillis interne travaille en traction et agit comme un encastrement pour les parois externes, ce qui permet de réduire significativement l’épaisseur des parois externes nécessaire et donc de réduire l’encombrement du réservoir notamment dans une direction orthogonale aux plans dans lesquels s’étendent les première et deuxième parois externes.
Les parois internes du treillis internes forment ainsi des renforts internes au réservoir travaillant en traction et permettant de reprendre l’effort qui s’applique sur les parois externes. Et plus la taille de maille est réduite, plus la contrainte interne est réduite.
Le réservoir selon l’invention présente ainsi une forme générale plate minimisant son encombrement dans une direction orthogonale à la plaque de fond d’un objet de vol spatial dans lequel il est destiné à être monté. Cette forme plate permet donc de compacter dans une direction le réservoir.
Selon un premier aspect du réservoir compact de gaz haute pression, le treillis interne peut comprendre des cavités formées entre les parois internes, et chaque paroi interne du treillis interne peut comprendre un orifice permettant de mettre en communication fluidique les cavités du treillis interne.
Les orifices prévus dans les parois internes permettent non seulement d’éviter que les maille ne soit isolée et ainsi d’éviter d’avoir un remplissage des cavités du réservoir par un seul orifice, mais elles permettent également le dépoudrage du réservoir à l’issue de sa fabrication lorsqu’il est fabriqué par fabrication additive comme une impression tridimensionnelle.
Selon un deuxième aspect du réservoir compact de gaz haute pression, les orifices peuvent présenter une forme elliptique avec un grand diamètre selon une direction orthogonale aux plans dans lesquels s’étendent la première paroi externe et la seconde paroi externe, et un petit diamètre selon une direction parallèles aux plans dans lesquels s’étendent la première paroi externe et la seconde paroi externe.
Selon un troisième aspect du réservoir compact de gaz haute pression, les cavités peuvent présenter une section carrée dans un plan parallèle à la première paroi externe.
La section carrée des cavités formées par le maillage du treillis, selon un plan parallèle aux première et deuxième parois externes, apporte une homogénéité des contraintes dans le treillis, ce qui rend les réactions du treillis aux contraintes plus prévisible et facilite sa conception, notamment pour une fabrication par impression tridimensionnelle.
Selon un quatrième aspect du réservoir compact de gaz haute pression, les cavités peuvent présenter une section en forme de losange ou d’hexagone dans un plan parallèle à la première paroi externe
Selon un cinquième aspect du réservoir compact de gaz haute pression, la troisième paroi externe peut présenter, selon un plan de section orthogonal aux plans dans lesquels s’étendent la première et la deuxième parois, une forme de demi-cercle
La forme de demi-cercle de la section de la troisième paroi externe, génère une forme torique pour la troisième paroi externe. Cette forme torique permet de maximiser le travail en traction de la troisième paroi externe et ainsi de minimiser son épaisseur nécessaire et donc sa masse.
Selon un sixième aspect du réservoir compact de gaz haute pression, les première, deuxième et troisième parois externes peuvent être en alliage de titane, et de préférence en alliage TA6V.
Selon un septième aspect du réservoir compact de gaz haute pression, le périmètre de la première paroi et le périmètre de la deuxième paroi peuvent chacun présenter une forme géométrique dépourvue de sommet et de point d’inflexion.
Le périmètre des parois externes n’a donc pas la forme d’un polygone et ne présentent pas de portion concave.
Les première et deuxième parois possèdent de préférence un périmètre de forme circulaire, elliptique ou oblong.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un système de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial comprenant au moins deux générateurs de gaz, une unité de commande des générateurs de gaz et un réservoir compact de gaz haute pression tel que défini ci-dessus.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un véhicule spatial comprenant un carter aérodynamique solidaire d’une plaque de fond, et un système de contrôle d’altitude tel que défini ci-dessus et monté sur la plaque de fond.
Le réservoir est monté sur le fond du véhicule aérospatial pour minimiser l’encombrement et minimiser surtout les échanges thermiques relatif à l’échauffement du carter aérodynamique pendant la rentrée atmosphérique.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un procédé de fabrication d’un réservoir compacte de gaz haute pression pour système de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial tel que défini ci-dessus, les parois externes étant fabriquées par impression tridimensionnelle sur lit de poudre, et de préférence sur lit de poudre de titane.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif.
La , déjà présentée, représente schématiquement une vue de dessous d’un véhicule spatial selon l’état de la technique.
La , déjà présentée, représente schématiquement une vue en coupe d’un véhicule spatial selon l’état de la technique.
La présente schématiquement une vue en coupe d’un réservoir compact selon un mode de réalisation de l’invention.
La illustre en perspective une vue de dessus d’un réservoir compact selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La illustre en perspective une vue de dessus d’un réservoir compact selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La illustre en perspective une vue de dessus d’un réservoir compact selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La présente une vue partiellement en coupe du réservoir compact de la .

Claims (12)

  1. Réservoir (10) compact de gaz haute pression pour système (2) de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial (1), le réservoir (10) comprenant une première paroi externe (11), une deuxième paroi externe (12) parallèle et en regard de la première paroi externe (11), et une troisième paroi externe (13) s’étendant entre une première extrémité (131) solidaire du périmètre (110) de la première paroi externe (11) et une seconde extrémité (132) solidaire du périmètre (120) de la deuxième paroi externe (12) pour fermer le réservoir (10),
    caractérisé en ce qu ’il comprend un treillis interne (14) s’étendant à l’intérieur du réservoir (10) et comprenant un réseau de parois internes (15) s’étendant chacune entre la première paroi externe (11) et une paroi parmi la deuxième paroi externe (12) et la troisième paroi externe (13).
  2. Réservoir (10) selon la revendication 1, dans lequel le treillis interne (14) comprend des cavités (16) formées entre les parois internes (15), et chaque paroi interne (15) du treillis interne (14) comprend un orifice (17) permettant de mettre en communication fluidique les cavités (16) du treillis interne (14).
  3. Réservoir (10) selon la revendication 2, dans lequel les orifices (17) présentent une forme elliptique avec un grand diamètre selon une direction (DA) orthogonale aux plans dans lesquels s’étendent la première paroi externe (11) et la seconde paroi externe (12), et un petit diamètre selon une direction parallèle aux plans dans lesquels s’étendent la première paroi externe (11) et la seconde paroi externe (12).
  4. Réservoir (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les cavités (16) présentent une section carrée dans un plan parallèle à la première paroi externe (11).
  5. Réservoir (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les cavités (16) présentant une section en forme de losange ou d’hexagone dans un plan parallèle à la première paroi externe (11).
  6. Réservoir (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la troisième paroi externe (13) présente, selon un plan de coupe orthogonal aux plans dans lesquels s’étendent la première et la deuxième parois (11 et 12), une forme de demi-cercle.
  7. Réservoir (10) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les première, deuxième et troisième parois externes (11, 12, 13) sont en alliage de titane, et de préférence en alliage TA6V.
  8. Réservoir(10) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le périmètre (110) de la première paroi (11) et le périmètre (120) de la deuxième paroi (12) présentent chacun une forme géométrique dépourvue de sommet et de point d’inflexion.
  9. Système (2) de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial (1) comprenant au moins deux générateurs de gaz (3), une unité de commande des générateurs de gaz et un réservoir (10) compact de gaz haute pression selon l’une des revendications 1 à 8.
  10. Véhicule spatial (1) comprenant un carter aérodynamique (6) solidaire d’une plaque de fond (4), et un système (2) de contrôle d’altitude selon la revendication 9 monté sur la plaque de fond (4).
  11. Procédé de fabrication d’un réservoir (10) compacte de gaz haute pression pour système (2) de contrôle d’altitude d’un véhicule spatial (1) selon l’une des revendications 1 à 8, les parois externes (11, 12, 13) étant fabriquées par impression tridimensionnelle sur lit de poudre.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l’impression tridimensionnelle est réalisée sur lit de poudre de titane
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