WO2013088030A1 - Dispositif et procede de pressurisation - Google Patents

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WO2013088030A1
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tank
circuit
pressurizing
pressurization
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David HAYOUN
François Danguy
Jean Michel SANNINO
Pascal Marcel Jean NOIR
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Snecma
Centre National D'etudes Spatiales
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Definitions

  • the present invention relates to the field of pressurizing devices, and in particular a device for pressurizing a first reservoir with a cryogenic fluid contained in a second reservoir and introduced into the first reservoir through a flow circuit. pressurizing after being reheated in a heat exchanger of said pressurization circuit.
  • Pressurizing devices of this type are used in particular in the field of propulsion, and more particularly in propellant supply systems of jet engines, including rocket engines.
  • a pressurizing device is used, for example, in the Cryogenic Master Stage (ECP) of the Ariane 5 space launchers to pressurize the liquid oxygen reservoir intended to supply the main Vulcain engine.
  • ECP Cryogenic Master Stage
  • a disadvantage of the pressurizing devices of the prior art, and in particular that used in the ECP, is that the second tank must itself be pressurized with a gas contained in other pressure tanks.
  • the SSHeL supercritical helium reservoir for pressurizing the liquid oxygen reservoir is itself pressurized with helium gas from a helium reservoir. gas forming a High Pressure Capacity (HPC).
  • HPC High Pressure Capacity
  • This CHP contains supercritical helium under nearly 400 bar pressure at room temperature. Three-quarters of the helium contained in the CHP is used for the pressurization of the SSHeL supercritical helium reservoir, the rest being supplied to the Hydrogen and Oxygen Supply Valves (VAH and VAO, respectively), to the POGO Correcting System ( SCP), as well as the Motor Scanning (BEVM) and Motor Control (BEVC) solenoid valve housings.
  • VAH and VAO Hydrogen and Oxygen Supply Valves
  • SCP POGO Correcting System
  • BEVM Motor Scanning
  • BEVC Motor Control
  • the invention aims at providing a device for pressurizing a first reservoir, comprising at least a second reservoir, adapted to contain a cryogenic fluid, and a first pressurizing circuit for communicating said second reservoir with the first reservoir, wherein said first reservoir pressurizing circuit comprises at least a first heat exchanger for heating a flow rate of said cryogenic fluid extracted from the second reservoir through the first pressurization circuit, and which makes it possible to pressurize the second reservoir without having recourse to a separate gas reservoir at high pressure.
  • this object is achieved by virtue of the fact that this pressurization device further comprises a second pressurization circuit, with a compressor, derived from the first pressurization circuit and opening onto the second reservoir.
  • the second tank can be pressurized, without using a high-pressure gas tank, with fluid extracted from the same second tank, and compressed before being reinjected into the second tank.
  • the cryogenic fluid may in particular be contained in liquid or supercritical form in the second tank, to be vaporized in the first heat exchanger.
  • the second pressurization circuit is derived from the first pressurization circuit upstream of said first heat exchanger. This avoids reintroducing the cryogenic fluid in the second tank at too high a temperature.
  • the second pressurization circuit is derived from the first pressurization circuit downstream of said first heat exchanger.
  • the pressurizing device may further include a turbine for driving said compressor.
  • the pressurizing device may comprise another type of motor, such as for example an electric motor, for driving said compressor.
  • the invention also relates to a system for supplying a jet engine with at least a first liquid propellant, comprising at least a first reservoir, adapted to contain said first liquid propellant, and a device for pressurizing the first reservoir, comprising at least one least a second reservoir, adapted to contain a cryogenic fluid, a first pressurizing circuit for communicating said second reservoir with the first reservoir.
  • Said first pressurization circuit comprises at least a first heat exchanger for heating a flow rate of said cryogenic fluid of the second reservoir extracted through the first pressurization circuit.
  • the pressurizing device also comprises, in addition, a second pressurization circuit, with a compressor, communicating the first pressurization circuit, upstream of said first heat exchanger, with the second reservoir.
  • said jet engine may be a rocket engine.
  • said compressor When said compressor is driven by a turbine, it could, for example, be actuated by the relaxation of a propellant heated in a heat exchanger backed to a propellant chamber and / or a nozzle of the jet engine.
  • the cryogenic fluid of the second reservoir is inert, such as for example helium.
  • Other inert fluids, such as nitrogen, can however be considered alternately.
  • the first cryogenic fluid is inert, it can furthermore serve not only for the pressurization of the first reservoir, but also, for example, for the sweeping different pipes and motors to limit the risk of explosion.
  • the first liquid propellant may be an oxidant and / or a cryogenic liquid with a dew point higher than the cryogenic fluid of the second reservoir. More particularly, this first liquid propellant may be liquid oxygen.
  • this feed system may also include at least one turbopump for pumping at least said first liquid propellant, and a hot gas generator for driving the at least one turbopump, said heat exchanger being configured to heat said flow of cryogenic fluid extracted from the second tank with a heat generated by said hot gas generator, and in particular a heat extracted from said hot gases, for example downstream of the turbopump. It is thus possible to exploit at least part of the remaining heat, which would otherwise be lost, to heat the flow of cryogenic fluid extracted from the second tank.
  • the invention also relates to a method of pressurizing a first reservoir, in which a flow of cryogenic fluid is extracted from a second reservoir through a first pressurization circuit, and reheated in at least a first heat exchanger, a first part of this heated flow is then introduced into the first tank to pressurize.
  • a second portion of this heated flow rate is derived from the first pressurization circuit through a second pressurization circuit, compressed upstream of the exchanger by a compressor of said second pressurization circuit, and introduced into the second tank to pressurize the second tank.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a liquid propellant feed system of a jet engine of the prior art
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a liquid propellant feed system of a jet engine according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic illustration of a liquid propellant feed system of a jet engine according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic illustration of a detail of a variant of the first or second embodiments. Detailed description of the invention
  • FIG. 1 schematically illustrates a propellant feed system 101 of a prior art jet engine, and more specifically a Vulcain type main engine propelling an Ariane 5 launcher ECP.
  • This feed system 101 comprises a first reservoir 102, containing oxygen - or more generally an oxidizing propellant - in liquid form as the first propellant, a second reservoir 103, containing supercritical helium, in particular for the pressurization of the first reservoir, a third reservoir 104, containing helium gas at high pressure, in particular for pressurizing the second reservoir, and a fourth reservoir 105, containing hydrogen - or more generally a reducing propellant - in liquid form as second ergol.
  • the power supply 101 also includes a circuit
  • the oxidant propellant supply circuit 111 comprises a first turbopump 107, connected to the gas generator 106 for receiving hot gases for the actuation of the turbine 107a, which drives the pump 107b to supply the propulsion chamber 109 with oxygen.
  • the reducing propellant feed circuit 112 comprises a second turbopump 108, connected to the gas generator 106 to also receive hot gases from the gas generator 106 for the operation of the turbine 108a, which drives the pump 108b for feeding of the propulsion chamber 109 in reducing propellant.
  • the supply system 101 also comprises a first pressurization circuit 113, connecting the second reservoir 103 to the first reservoir 102 for the pressurization of the first reservoir 102, and a second pressurization circuit 114, connecting the third reservoir 104 to the second reservoir 103 to pressurizing the second reservoir 103.
  • the first pressurizing circuit 113 comprises a first heat exchanger 115 for heating and vaporizing the supercritical helium extracted from the second reservoir 103 with the calories from hot gases downstream of the turbine 107a of the first turbopump 107.
  • An engine stitching circuit 116 is derived from the first pressurization circuit 113 downstream of this first heat exchanger 115. This engine stitching circuit 116 makes it possible to supply gaseous helium with a set of subsidiary subsystems that require helium. gaseous such as helium scans.
  • the second pressurization circuit 114 includes a Platinum Inflation and Relaxation (PGD) 118 to control the passage of helium gas in both directions.
  • PGD Platinum Inflation and Relaxation
  • This second pressurization circuit 114 is connected to the second tank 103 through a Hydrogen Valve Box (BEVH) 119 also serving to control a Hydrogen Supply Valve (VAH) 120 for controlling the hydrogen supply circuit 112.
  • VAH Hydrogen Supply Valve
  • the second pressurization circuit 114 has taps for supplying different solenoid valve housings.
  • the BEVO 121 is used to control an Oxygen Supply Valve (VAO) 130 for the controlling the oxygen supply circuit 111.
  • VAO Oxygen Supply Valve
  • the BEVM 122 is used for the control of purge and sweep valves.
  • the BEVC 123 is used to control an Oxygen Chamber Valve (VCO) 124 controlling the arrival of oxygen in the propellant chamber 109, a Hydrogen Chamber Valve (VCH) 125 piloting the arrival of hydrogen in the propellant chamber 109, an Oxygen Generator Valve (VGO) 126 driving the oxygen supply into the gas generator 106 and a Hydrogen Generator Valve (VGH) 127 controlling the arrival of hydrogen in the generator of gas 106.
  • VCO Oxygen Chamber Valve
  • VCH Hydrogen Chamber Valve
  • VGO Oxygen Generator Valve
  • VGH Hydrogen Generator Valve
  • the supply system 101 also comprises, in the hydrogen supply circuit 112, between the second turbopump 108 and the injection plate 110 of the propulsion chamber 109, a second heat exchanger 128, called regenerative, serving to cool the walls of the propulsion chamber 109.
  • a third pressurization circuit 129 connects this supply circuit 112, downstream of the second heat exchanger 121, to the fourth reservoir 105, in order to pressurize with vaporized hydrogen in the second heat exchanger 121 before being derived from the hydrogen supply circuit 112.
  • FIG. 2 illustrates a supply system 1, according to a first embodiment of the present invention, which offers a reduced mass and a lower complexity compared to this prior art.
  • This feed system 1 comprises a first reservoir 2, containing oxygen liquid as the first propellant, a second reservoir 3, containing supercritical helium, in particular for pressurizing the first reservoir, a third reservoir 4, containing helium gas, and a fourth reservoir 5, containing hydrogen liquid as the second propellant.
  • the supply system 1 also comprises a circuit 11 for supplying the propellant chamber 9 with oxygen, and a supply circuit 12 for supplying the propellant chamber 9 with hydrogen, as well as a gas generator 6, also connected to the outlets pumps 107b, 108b for its supply of hydrogen and oxygen.
  • the oxygen supply circuit 11 comprises a first turbopump 7, connected to the gas generator 6 to receive hot gases for the actuation of the turbine 7a, which drives the pump 7b for supplying the propellant chamber 9 with oxygen .
  • the hydrogen supply circuit 12 comprises a second turbopump 8, connected to the gas generator 6 to also receive hot gases from the gas generator 6 for the actuation of the turbine 8a, which drives the pump 8b for the supply of gas. the propellant chamber 109 in hydrogen.
  • the supply system 1 also comprises a first pressurization circuit 13, connecting the second reservoir 3 to the first reservoir 2 for the pressurization of the first reservoir 2.
  • This first pressurization circuit 13 comprises a first heat exchanger 15 for heating and vaporizing the supercritical helium extracted from the second tank 3 with the calories coming from hot gases downstream of the turbine 7a of the first turbopump 7.
  • a second pressurization circuit 14, derived from the first supply circuit 13 upstream of the first heat exchanger 15 returns to the second tank 3, and serves for its pressurization.
  • this second pressurization circuit 14 comprises a turbocharger 31, the compressor 31b of which serves to compress the supercritical helium flow rate derived from the first pressurization circuit 13 for reinjection at a higher pressure and temperature into the second tank 3.
  • An engine stitching circuit 16 is derived from the first pressurizing circuit 13 downstream of the first heat exchanger 15. This engine stitching circuit 16 allows to supply helium gas with a set of subsidiary subsystems that require helium gas such as helium scans.
  • the supply system 1 also comprises, in the hydrogen supply circuit 12, between the second turbopump 8 and the injection plate 10 of the propulsion chamber 9, a second heat exchanger 28, called regenerative, serving to cool the walls of the propulsion chamber 9.
  • a third pressurization circuit 29 connects this supply circuit 12, downstream of the second heat exchanger 28, to the fourth tank 5, in order to pressurize with vaporized hydrogen in the second heat exchanger 21 before being derived from the hydrogen supply circuit 12.
  • the hydrogen supply circuit 29 passes through the turbine 31a of the turbocharger 31 downstream of the second heat exchanger 28, so that a partial expansion of the vaporized hydrogen in the second heat exchanger 28 actuates the turbine 31a to drive the compressor 31b to which it is coupled.
  • the third reservoir 4 is connected to a hydrogen solenoid valve housing (BEVH) 19, to an oxygen solenoid valve housing (BEVO) 21, and to an engine solenoid valve housing (BEVM) 22 so as to supply gaseous helium gas pressure .
  • BEVH 19 is used to control a Hydrogen Supply Valve (VAH) 20 for controlling the hydrogen supply circuit 12, and the BEVO 21 is used to control a valve.
  • VAO Oxygen Supply System
  • the BEVM 22 is used for the control of purge and sweep valves.
  • a turbocharger 31 of size and therefore of limited mass to replace the CHP formed, in the feed system of the prior art, by a tank 104 of helium gas under high pressure at room temperature, and requiring a PGD 118 required in the prior art to relax helium gas at an acceptable operating pressure.
  • the tank 104 of the comparative example illustrated in FIG. 1 with a capacity close to 400 I at nearly 400 bar pressure, and a mass of nearly 100 kg, could be replaced with PGD 118. by a turbocharger 31 with a mass of less than 20 kg.
  • the turbocharger 31 is actuated by the expansion of a low flow of hydrogen gas arriving at the turbine 31a, this flow of hydrogen itself coming from the heat exchanger 28, said regenerative , for cooling the walls of the propulsion chamber 9.
  • the compressor 31b compresses a low supercritical helium flow, less than 50 g / s, coming from the second reservoir 3 and derived from the first pressurization circuit 13 through the second circuit of pressurization 14.
  • this supercritical helium flow reaches a sufficient thermodynamic state, with a pressure greater than 30 bar and a temperature greater than 20 K, to allow the pressurization of the second reservoir 3 and to maintain this pressure despite the extraction of a greater mass flow of supercritical helium from the second tank 3 for the pressurization of the first tank 2 and the piq engine.
  • a third tank 4 containing a smaller amount of helium (for example a capacity less than 100 l) gaseous at reduced pressure (for example a pressure less than 100 bar), and a ambient temperature for supplying the Oxygen Solenoid Valve Box (BEVO) 21, and to a Motor Swing Solenoid Valve Box (BEVM) 22.
  • the mass of this third Tank 4, forming a Low Pressure Capacity (CBP) is therefore much lower than that of the High Pressure Capacity (HPC) that prevailed in the prior art.
  • the suppression of BEVH and BEVC also contributes to an overall mass reduction of the order of 100 kg in this particular embodiment with respect to the comparative example illustrated in FIG.
  • the second pressurization circuit 14 in order to optimize the pressurization of the second tank 3, can pass through a heat exchanger downstream of the compressor 31b in order to further increase the temperature of the cryogenic fluid before reinject it into the second tank 3.
  • the second pressurization circuit 14 is derived from the first pressurization circuit 13 downstream of the first heat exchanger 15, such that the flow of helium to be reinjected into the second tank 3 is preheated in the first heat exchanger 15 before being drifted to the second pressurization circuit 14 and compressed by the compressor 31b.
  • the rest of the elements of this feed system 1 according to the second embodiment are arranged in an equivalent manner to the first embodiment.
  • the compressor 31b is coupled to a turbine 31a with which it forms a turbocharger 31, in a variant illustrated in FIG. 4 and applicable to the two embodiments, the compressor 31b is rather powered by an electric motor M. This gives greater flexibility in the control of this compressor 31b.

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Abstract

L'invention concerne le domaine des dispositifs et procédés de pressurisation, et notamment un dispositif de pressurisation d'un premier réservoir (2), comprenant au moins un deuxième réservoir (3), adapté à contenir un fluide cryogénique, un premier circuit de pressurisation (13) pour communiquer ledit deuxième réservoir (3) avec le premier réservoir (2), ledit premier circuit de pressurisation (13) comprenant au moins un premier échangeur de chaleur (15) pour réchauffer un débit dudit fluide cryogénique extrait du deuxième réservoir (3) à travers le premier circuit de pressurisation (13), et un deuxième circuit de pressurisation (14), avec un compresseur (31b), dérivé du premier circuit de pressurisation (13) et débouchant sur le deuxième réservoir (3). L'invention concerne aussi un système d'alimentation (1) d'un moteur à réaction en au moins un premier ergol liquide, comportant au moins un premier réservoir (2), adapté à contenir ledit premier ergol liquide, et un tel dispositif de pressurisation du premier réservoir (2).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE PRESSURISATION
Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des dispositifs de pressurisation, et en particulier un dispositif de pressurisation d'un premier réservoir avec un fluide cryogénique contenu dans un deuxième réservoir et introduit dans le premier réservoir à travers un circuit de pressurisation après avoir été réchauffé dans un échangeur de chaleur dudit circuit de pressurisation.
Des dispositifs de pressurisation de ce type sont utilisés en particulier dans le domaine de la propulsion, et plus particulièrement dans des systèmes d'alimentation en ergols de moteurs à réaction, et notamment de moteurs fusées. Ainsi, un tel dispositif de pressurisation est utilisé, par exemple, dans l'Etage Cryogénique Principal (ECP) des lanceurs spatiaux Ariane 5 pour pressuriser le réservoir d'oxygène liquide destiné à l'alimentation du moteur principal Vulcain. Un inconvénient des dispositifs de pressurisation de l'art antérieur, et notamment de celui utilisé dans l'ECP, est que le deuxième réservoir doit être lui-même pressurisé avec un gaz contenu dans d'autres réservoirs sous pression. Ainsi, dans l'ECP, le réservoir d'hélium supercritique du Sous-Système Hélium Liquide (SSHeL) servant à pressuriser le réservoir d'oxygène liquide est lui-même pressurisé avec de l'hélium gazeux provenant d'un réservoir d'hélium gazeux formant une Capacité Haute Pression (CHP). Cette CHP contient de l'hélium supercritique sous près de 400 bar de pression à température ambiante. Les trois quarts de l'hélium contenue dans la CHP sont utilisés pour la pressurisation du réservoir d'hélium supercritique du SSHeL, le reste étant fourni aux Vannes d'Alimentation Hydrogène et Oxygène (VAH et VAO, respectivement), au Système Correcteur POGO (SCP), ainsi qu'aux Boîtiers d'Electrovannes de Balayage Moteur (BEVM) et de Commande Moteur (BEVC). Afin de ramener la pression qui règne dans la CHP à une pression d'utilisation inférieure à 100 bar, cette CHP nécessite aussi une Platine de Gonflage et Détente (PGD). La masse de la CHP, avec celle de la PGD, pénalisent sensiblement la charge utile du lanceur. En outre, la PGD constitue un élément mécanique complexe pouvant affecter négativement la fiabilité du lanceur. Objet et résumé de l'invention
L'invention vise à proposer un dispositif de pressurisation d'un premier réservoir, comprenant au moins un deuxième réservoir, adapté à contenir un fluide cryogénique, et un premier circuit de pressurisation pour communiquer ledit deuxième réservoir avec le premier réservoir, dans lequel ledit premier circuit de pressurisation comprend au moins un premier échangeur de chaleur pour réchauffer un débit dudit fluide cryogénique extrait du deuxième réservoir à travers le premier circuit de pressurisation, et qui permette d'assurer la pressurisation du deuxième réservoir sans avoir recours à un réservoir séparé de gaz à haute pression.
Dans au moins un mode de réalisation ce but est atteint grâce au fait que ce dispositif de pressurisation comprend en outre un deuxième circuit de pressurisation, avec un compresseur, dérivé du premier circuit de pressurisation et débouchant sur le deuxième réservoir. Ainsi, le deuxième réservoir peut être pressurisé, sans avoir recours à un réservoir de gaz à haute pression, avec du fluide extrait du même deuxième réservoir, et comprimé avant d'être réinjecté dans le deuxième réservoir. Le fluide cryogénique peut en particulier être contenu sous forme liquide ou supercritique dans le deuxième réservoir, pour être vaporisé dans le premier échangeur de chaleur.
Suivant un premier mode de réalisation, le deuxième circuit de pressurisation est dérivé du premier circuit de pressurisation en amont dudit premier échangeur de chaleur. On évite ainsi de réintroduire le fluide cryogénique dans le deuxième réservoir à une température trop élevée.
Toutefois, suivant un deuxième mode de réalisation alternatif, le deuxième circuit de pressurisation est dérivé du premier circuit de pressurisation en aval dudit premier échangeur de chaleur. On utilise ainsi l'augmentation d'enthalpie du fluide cryogénique dans ledit premier échangeur de chaleur pour faciliter la pressurisation du deuxième réservoir. Afin d'actionner ledit compresseur, dans certains modes de réalisation le dispositif de pressurisation peut comporter, en outre, une turbine pour entraîner ledit compresseur. Alternativement, toutefois, le dispositif de pressurisation peut comporter un autre type de moteur, telle que par exemple un moteur électrique, pour entraîner ledit compresseur.
L'invention concerne également un système d'alimentation d'un moteur à réaction en au moins un premier ergol liquide, comportant au moins un premier réservoir, adapté à contenir ledit premier ergol liquide, et un dispositif de pressurisation du premier réservoir, comprenant au moins un deuxième réservoir, adapté à contenir un fluide cryogénique, un premier circuit de pressurisation pour communiquer ledit deuxième réservoir avec le premier réservoir. Ledit premier circuit de pressurisation comprend au moins un premier échangeur de chaleur pour réchauffer un débit dudit fluide cryogénique du deuxième réservoir extrait à travers le premier circuit de pressurisation. Le dispositif de pressurisation comprend aussi, en outre, un deuxième circuit de pressurisation, avec un compresseur, communicant le premier circuit de pressurisation, en amont dudit premier échangeur de chaleur, avec le deuxième réservoir. En particulier, ledit moteur à réaction peut être un moteur fusée. Quand ledit compresseur est entraîné par une turbine, celle-ci pourrait, par exemple, être actionnée par la détente d'un ergol chauffé dans un échangeur de chaleur adossé à une chambre propulsive et/ou une tuyère du moteur à réaction. Afin d'éviter une réaction chimique avec ledit premier ergol, le fluide cryogénique du deuxième réservoir est inerte, comme par exemple de l'hélium. D'autres fluides inertes, comme par exemple l'azote, peuvent toutefois être envisagés alternativement. Quand le premier fluide cryogénique est inerte, il peut en outre servir non seulement à la pressurisation du premier réservoir, mais aussi, par exemple, au balayage de différents conduits et organes moteurs pour limiter les risques d'explosion.
En particulier, le premier ergol liquide peut être un oxydant et/ou un liquide cryogénique avec un point de condensation plus élevé que le fluide cryogénique du deuxième réservoir. Plus particulièrement, ce premier ergol liquide peut être de l'oxygène liquide.
En outre, dans certains modes de réalisation, ce système d'alimentation peut comporter aussi au moins une turbopompe pour le pompage au moins dudit premier ergol liquide, et un générateur de gaz chauds pour l'entraînement de l'au moins une turbopompe, ledit échangeur de chaleur étant configuré pour réchauffer ledit débit de fluide cryogénique extrait du deuxième réservoir avec une chaleur générée par ledit générateur de gaz chauds, et en particulier une chaleur extraite desdits gaz chauds, par exemple en aval de la turbopompe. Il est ainsi possible d'exploiter au moins en partie cette chaleur restante, qui serait autrement perdue, pour réchauffer le débit de fluide cryogénique extrait du deuxième réservoir.
L'invention concerne également un procédé de pressurisation d'un premier réservoir, dans lequel un débit de fluide cryogénique est extrait d'un deuxième réservoir à travers un premier circuit de pressurisation, et réchauffé dans au moins un premier échangeur de chaleur, une première partie de ce débit réchauffé étant ensuite introduite dans le premier réservoir pour le pressuriser. Dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une deuxième partie de ce débit réchauffé est dérivée du premier circuit de pressurisation à travers un deuxième circuit de pressurisation, comprimée en amont de l'échangeur par un compresseur dudit deuxième circuit de pressurisation, et introduite dans le deuxième réservoir pour pressuriser le deuxième réservoir.
Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique d'un système d'alimentation en ergols liquides d'un moteur à réaction de l'art antérieur ; et
- la figure 2 est une illustration schématique d'un système d'alimentation en ergols liquides d'un moteur à réaction suivant un premier mode de réalisation de la présente invention ;
- la figure 3 est une illustration schématique d'un système d'alimentation en ergols liquides d'un moteur à réaction suivant un deuxième mode de réalisation de la présente invention ;
- la figure 4 est une illustration schématique d'un détail d'une variante des premier ou deuxième modes de réalisation. Description détaillée de l'invention
La figure 1 illustre de manière schématique un système 101 d'alimentation en ergols d'un moteur à réaction de l'art antérieur, et plus spécifiquement d'un moteur principal de type Vulcain propulsant un ECP de lanceur type Ariane 5.
Ce système d'alimentation 101 comporte un premier réservoir 102, contenant l'oxygène - ou plus généralement un ergol oxydant - sous forme liquide en tant que premier ergol, un deuxième réservoir 103, contenant de l'hélium supercritique, notamment pour la pressurisation du premier réservoir, un troisième réservoir 104, contenant de l'hélium gazeux à haute pression, notamment pour la pressurisation du deuxième réservoir, et un quatrième réservoir 105, contenant l'hydrogène - ou plus généralement un ergol réducteur - sous forme liquide en tant que deuxième ergol. Le système d'alimentation 101 comporte aussi un circuit
111 d'alimentation de la chambre propulsive 109 en oxygène, et un circuit
112 d'alimentation de la chambre propulsive 109 en hydrogène, ainsi qu'un générateur de gaz 106, relié aussi aux sorties pompes 107b, 108b pour son alimentation en hydrogène et oxygène. Le circuit d'alimentation en ergol oxydant 111 comprend une première turbopompe 107, connectée au générateur de gaz 106 pour recevoir des gaz chauds pour l'actionnement de la turbine 107a, laquelle entraîne la pompe 107b pour l'alimentation de la chambre propulsive 109 en oxygène. Le circuit d'alimentation en ergol réducteur 112 comprend une deuxième turbopompe 108, connectée au générateur de gaz 106 pour recevoir aussi des gaz chauds du générateur de gaz 106 pour l'actionnement de la turbine 108a, laquelle entraîne la pompe 108b pour l'alimentation de la chambre propulsive 109 en ergol réducteur.
Le système d'alimentation 101 comporte aussi un premier circuit de pressurisation 113, reliant le deuxième réservoir 103 au premier réservoir 102 pour la pressurisation du premier réservoir 102, et un deuxième circuit de pressurisation 114, reliant le troisième réservoir 104 au deuxième réservoir 103 pour la pressurisation du deuxième réservoir 103. Le premier circuit de pressurisation 113 comprend un premier échangeur de chaleur 115 pour réchauffer et vaporiser l'hélium supercritique extrait du deuxième réservoir 103 avec les calories provenant de gaz chauds en aval de la turbine 107a de la première turbopompe 107.
Un circuit de piquage moteur 116 est dérivé du premier circuit de pressurisation 113 en aval de ce premier échangeur de chaleur 115. Ce circuit de piquage moteur 116 permet d'alimenter en hélium gazeux un ensemble de sous-systèmes annexes qui requièrent de l'hélium gazeux tels que des balayages à l'hélium.
Le deuxième circuit de pressurisation 114 comporte une Platine de Gonflage et Détente (PGD) 118 pour piloter le passage d'hélium gazeux dans les deux sens. Ce deuxième circuit de pressurisation 114 est connecté au deuxième réservoir 103 à travers un Boîtier Electrovannes Hydrogène (BEVH) 119 servant aussi à la commande d'une Vanne d'Alimentation Hydrogène (VAH) 120 pour le pilotage du circuit d'alimentation en hydrogène 112. En outre, entre la PGD 118 et le BEVH 119, le deuxième circuit de pressurisation 114 présente des dérivations pour alimenter différents boîtiers d'électrovannes. Le BEVO 121 sert à la commande d'une Vanne d'Alimentation Oxygène (VAO) 130 pour le pilotage du circuit d'alimentation en oxygène 111. Le BEVM 122 sert à la commande de vannes de purge et de balayage. Finalement, le BEVC 123 sert à la commande d'une Vanne Chambre Oxygène (VCO) 124 pilotant l'arrivée d'oxygène dans la chambre propulsive 109, d'une Vanne Chambre Hydrogène (VCH) 125 pilotant l'arrivée d'hydrogène dans la chambre propulsive 109, d'une Vanne Générateur Oxygène (VGO) 126 pilotant l'arrivée d'oxygène dans le générateur de gaz 106 et d'une Vanne Générateur Hydrogène (VGH) 127 pilotant l'arrivée d'hydrogène dans le générateur de gaz 106.
Le système d'alimentation 101 comporte aussi, dans le circuit d'alimentation en hydrogène 112, entre la deuxième turbopompe 108 et la plaque d'injection 110 de la chambre propulsive 109, un deuxième échangeur de chaleur 128, dit régénératif, servant à refroidir les parois de la chambre propulsive 109. En outre, dans ce système d'alimentation 101, un troisième circuit de pressurisation 129 relie ce circuit d'alimentation 112, en aval du deuxième échangeur de chaleur 121, au quatrième réservoir 105, afin de le pressuriser avec de l'hydrogène vaporisé dans le deuxième échangeur de chaleur 121 avant d'être dérivé du circuit d'alimentation en hydrogène 112.
Dans ce système d'alimentation 101 de l'art antérieur, l'utilisation d'hélium pressurisé à haute pression (proche de 400 bar) dans le troisième réservoir 104 formant une Capacité Haute Pression (CHP) proche de 400 I pour la pressurisation du deuxième réservoir 103 implique une pénalité importante en termes de sa masse totale, ce qui diminue la charge utile du lanceur. Ainsi, ce troisième réservoir 104 présente une masse de près de 100 kg, auxquels vient s'ajouter une masse supplémentaire associée à la PGD 118, nécessaire pour détendre la pression de l'hélium gazeux stocké dans le réservoir 104, à une pression d'utilisation inférieure à 100 bar.
La figure 2 illustre un système d'alimentation 1, suivant un premier mode de réalisation de la présente invention, qui offre une masse réduite et une moindre complexité par rapport à cet art antérieur. Ce système d'alimentation 1 comporte un premier réservoir 2, contenant de l'oxygène liquide en tant que premier ergol, un deuxième réservoir 3, contenant de l'hélium supercritique, notamment pour la pressurisation du premier réservoir, un troisième réservoir 4, contenant de l'hélium gazeux, et un quatrième réservoir 5, contenant de l'hydrogène liquide en tant que deuxième ergol. Le système d'alimentation 1 comporte aussi un circuit 11 d'alimentation de la chambre propulsive 9 en oxygène, et un circuit 12 d'alimentation de la chambre propulsive 9 en hydrogène, ainsi qu' un générateur de gaz 6, relié aussi aux sorties pompes 107b, 108b pour son alimentation en hydrogène et oxygène.
Le circuit d'alimentation en oxygène 11 comprend une première turbopompe 7, connectée au générateur de gaz 6 pour recevoir des gaz chauds pour l'actionnement de la turbine 7a, laquelle entraîne la pompe 7b pour l'alimentation de la chambre propulsive 9 en oxygène. Le circuit d'alimentation en hydrogène 12 comprend une deuxième turbopompe 8, connectée au générateur de gaz 6 pour recevoir aussi des gaz chauds du générateur de gaz 6 pour l'actionnement de la turbine 8a, laquelle entraîne la pompe 8b pour l'alimentation de la chambre propulsive 109 en hydrogène.
Le système d'alimentation 1 comporte aussi un premier circuit de pressurisation 13, reliant le deuxième réservoir 3 au premier réservoir 2 pour la pressurisation du premier réservoir 2. Ce premier circuit de pressurisation 13 comprend un premier échangeur de chaleur 15 pour réchauffer et vaporiser l'hélium supercritique extrait du deuxième réservoir 3 avec les calories provenant de gaz chauds en aval de la turbine 7a de la première turbopompe 7. Un deuxième circuit de pressurisation 14, dérivé du premier circuit d'alimentation 13 en amont du premier échangeur de chaleur 15, retourne vers le deuxième réservoir 3, et sert à sa pressurisation. Pour cela, ce deuxième circuit de pressurisation 14 comprend un turbocompresseur 31, dont le compresseur 31b sert à comprimer le débit d'hélium supercritique dérivé du premier circuit de pressurisation 13 pour sa réinjection à une plus grande pression et température dans le deuxième réservoir 3. Un circuit de piquage moteur 16 est dérivé du premier circuit de pressurisation 13 en aval du premier échangeur de chaleur 15. Ce circuit de piquage moteur 16 permet d'alimenter en hélium gazeux un ensemble de sous-systèmes annexes qui requièrent de l'hélium gazeux tels que des balayages à l'hélium.
Le système d'alimentation 1 comporte aussi, dans le circuit d'alimentation en hydrogène 12, entre la deuxième turbopompe 8 et la plaque d'injection 10 de la chambre propulsive 9, un deuxième échangeur de chaleur 28, dit régénératif, servant à refroidir les parois de la chambre propulsive 9. En outre, dans ce système d'alimentation 1, un troisième circuit de pressurisation 29 relie ce circuit d'alimentation 12, en aval du deuxième échangeur de chaleur 28, au quatrième réservoir 5, afin de le pressuriser avec de l'hydrogène vaporisé dans le deuxième échangeur de chaleur 21 avant d'être dérivé du circuit d'alimentation en hydrogène 12. Le circuit d'alimentation en hydrogène 29 traverse la turbine 31a du turbocompresseur 31 en aval du deuxième échangeur de chaleur 28, de telle manière qu'une détente partielle de l'hydrogène vaporisé dans le deuxième échangeur de chaleur 28 actionne cette turbine 31a pour entraîner le compresseur 31b auquel elle est couplé.
En outre, le troisième réservoir 4 est connecté à un Boîtier Electrovannes Hydrogène (BEVH) 19, à un Boîtier Electrovannes Oxygène (BEVO) 21, et à un Boîtier Electrovannes Balayage Moteur (BEVM) 22 de manière à les alimenter en hélium gazeux à pression. Comme dans l'art antérieur, le BEVH 19 sert à la commande d'une Vanne d'Alimentation Hydrogène (VAH) 20 pour le pilotage du circuit d'alimentation en hydrogène 12, et le BEVO 21 sert à la commande d'une Vanne d'Alimentation Oxygène (VAO) 22 pour le pilotage du circuit d'alimentation en oxygène 11. Le BEVM 22 sert à la commande de vannes de purge et de balayage. Finalement, la Vanne Chambre Oxygène (VCO) 24 pilotant l'arrivée d'oxygène dans la chambre propulsive 9, la Vanne Chambre Hydrogène (VCH) 25 pilotant l'arrivée d'hydrogène dans la chambre propulsive 9, la Vanne Générateur Oxygène (VGO) 26 pilotant l'arrivée d'oxygène dans le générateur de gaz 6 et la Vanne Générateur Hydrogène (VGH) 27 pilotant l'arrivée d'hydrogène dans le générateur de gaz 6 sont toutes à commande électrique directe, ce qui permet l'élimination du Boîtier Electrovannes de Commande de l'art antérieur, réduisant encore plus la servitude en hélium pressurisé et donc le volume nécessaire pour le troisième réservoir 4.
Dans un exemple particulier de ce mode de réalisation de l'invention, il est ainsi possible d'utiliser un turbocompresseur 31 de taille et donc de masse limitées, pour remplacer la CHP formée, dans le système d'alimentation de l'art antérieur, par un réservoir 104 d'hélium gazeux sous haute pression à température ambiante, et nécessitant une PGD 118 requise dans l'art antérieur pour détendre l'hélium gazeux à une pression d'utilisation acceptable. Par exemple, le réservoir 104 de l'exemple comparatif illustré sur la figure 1, avec une capacité proche de 400 I à près de 400 bar de pression, et une masse de près de 100 kg, pourrait être remplacé, avec la PGD 118, par un turbocompresseur 31 de masse inférieure à 20 kg.
Dans cet exemple de réalisation particulier, le turbocompresseur 31 est actionné par la détente d'un faible débit d'hydrogène gazeux arrivant à la turbine 31a, ce débit d'hydrogène étant lui-même issu de l'échangeur de chaleur 28, dit régénératif, servant à refroidir les parois de la chambre propulsive 9. Le compresseur 31b comprime un faible débit d'hélium supercritique, inférieur à 50 g/s, provenant du deuxième réservoir 3 et dérivé du premier circuit de pressurisation 13 à travers le deuxième circuit de pressurisation 14. A la sortie du compresseur 31b, ce débit d'hélium supercritique atteint un état thermodynamique suffisant, avec une pression supérieure à 30 bar et une température supérieure à 20 K, pour permettre la pressurisation du deuxième réservoir 3 et pour y maintenir cette pression malgré l'extraction d'un plus grand débit massique d'hélium supercritique du deuxième réservoir 3 pour la pressurisation du premier réservoir 2 et le piquage moteur.
Dans cet exemple de réalisation particulier, il suffit d'un troisième réservoir 4 contenant une quantité moindre d'hélium (par exemple une capacité inférieure à 100 I) gazeux à pression réduite (par exemple une pression inférieure à 100 bar), et à une température ambiante pour alimenter le Boîtier Electrovannes Oxygène (BEVO) 21, et à un Boîtier Electrovannes Balayage Moteur (BEVM) 22. La masse de ce troisième réservoir 4, formant une Capacité Basse Pression (CBP), est donc très inférieure à celle de la Capacité Haute Pression (CHP) qui prévalait dans l'art antérieur. La suppression du BEVH et du BEVC participe également à une réduction de masse globale de l'ordre de 100 kg dans cet exemple de réalisation particulier par rapport à l'exemple comparatif illustré sur la figure 1.
Dans une variante de ce premier mode de réalisation, afin d'optimiser la pressurisation du deuxième réservoir 3, le deuxième circuit de pressurisation 14 peut traverser un échangeur de chaleur en aval du compresseur 31b afin d'encore accroître la température du fluide cryogénique avant de le réinjecter dans le deuxième réservoir 3.
Dans un deuxième mode de réalisation, illustré sur la figure 3, dans laquelle chaque élément reçoit le même chiffre de référence qu'un élément équivalent dans la figure 2, le deuxième circuit de pressurisation 14 est dérivé du premier circuit de pressurisation 13 en aval du premier échangeur de chaleur 15, de telle manière que le débit d'hélium à réinjecter dans le deuxième réservoir 3 est préchauffé dans le premier échangeur de chaleur 15 avant d'être dérivé vers le deuxième circuit de pressurisation 14 et comprimé par le compresseur 31b. Le reste des éléments de ce système d'alimentation 1 suivant le deuxième mode de réalisation sont arrangés de manière équivalente au premier mode de réalisation.
Bien que dans les deux modes de réalisation illustrés sur les figures 2 et 3 le compresseur 31b soit couplé à une turbine 31a avec laquelle il forme un turbocompresseur 31, dans une variante illustrée sur la figure 4 et applicable aux deux modes de réalisation, le compresseur 31b est plutôt actionné par un moteur électrique M. On obtient ainsi une plus grande flexibilité dans le pilotage de ce compresseur 31b.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des modes 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. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de pressurisation d'un premier réservoir (2), comprenant au moins :
un deuxième réservoir (3), adapté à contenir un fluide cryogénique, et
un premier circuit de pressurisation (13) pour communiquer ledit deuxième réservoir (3) avec le premier réservoir (2), ledit premier circuit de pressurisation (13) comprenant au moins un premier échangeur de chaleur (15) pour réchauffer un débit dudit fluide cryogénique extrait du deuxième réservoir (3) à travers le premier circuit de pressurisation (13),
le dispositif de pressurisation étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième circuit de pressurisation (14), avec un compresseur (31b), dérivé du premier circuit de pressurisation (13) et débouchant sur le deuxième réservoir (3).
2. Dispositif de pressurisation suivant la revendication 1, dans lequel le deuxième circuit de pressurisation (14) est dérivé du premier circuit de pressurisation (13) en amont dudit premier échangeur de chaleur (15).
3. Dispositif de pressurisation suivant la revendication 1, dans lequel le deuxième circuit de pressurisation (14) est dérivé du premier circuit de pressurisation (13) en aval dudit premier échangeur de chaleur (15).
4. Dispositif de pressurisation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre une turbine (31a) pour entraîner ledit compresseur (31b).
5. Dispositif de pressurisation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un moteur électrique (M) pour entraîner ledit compresseur (31b).
6. Système d'alimentation (1) d'un moteur à réaction en au moins un premier ergol liquide, comportant au moins :
un premier réservoir (2), adapté à contenir ledit premier ergol liquide, et
un dispositif de pressurisation du premier réservoir, suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
7. Système d'alimentation (1) suivant la revendication 6, dans lequel le fluide cryogénique du deuxième réservoir (3) est inerte.
8. Système d'alimentation (1) suivant la revendication 7, dans lequel le fluide cryogénique du deuxième réservoir (3) est de l'hélium.
9. Système d'alimentation (1) suivant la revendication 7, dans lequel le fluide cryogénique du deuxième réservoir (3) est de l'azote.
10. Système d'alimentation (1) suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel ledit premier ergol liquide est un oxydant.
11. Système d'alimentation (1) suivant l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel ledit premier ergol liquide est un liquide cryogénique avec un point de condensation plus élevé que le fluide cryogénique du deuxième réservoir (3).
12. Système d'alimentation suivant l'une quelconque des revendications 6 à 11, comprenant en outre au moins une turbopompe (7) pour le pompage au moins dudit premier ergol liquide, et un générateur de gaz chauds (6) pour l'entraînement d'au moins une turbopompe (7), ledit premier échangeur de chaleur (15) étant configuré pour réchauffer ledit débit de fluide cryogénique extrait du deuxième réservoir (3) avec une chaleur générée par ledit générateur de gaz chauds (6).
13. Procédé de pressurisation d'un premier réservoir (2), dans lequel un débit de fluide cryogénique est extrait d'un deuxième réservoir
(3) à travers un premier circuit de pressurisation (13), et réchauffé dans au moins un premier échangeur de chaleur (15), ce débit réchauffé étant ensuite introduite dans le premier réservoir (2) pour le pressuriser, et caractérisé en ce qu'une deuxième partie de ce débit extrait du réservoir (3) est dérivée du premier circuit de pressurisation (13) à travers un deuxième circuit de pressurisation (14), comprimée par un compresseur (31b) dudit deuxième circuit de pressurisation (14), et introduite dans le deuxième réservoir (3) pour pressuriser le deuxième réservoir (3).
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