Caractérisation des régimes d'atomisation des ergols cryogéniques pour le contrôle thermodynamique des réservoirs

Thèse L. Demeure

Présentation de ma thèse

Date de début de thèse

octobre 2010

Contexte et objectif

Lorsqu’une fusée voyage dans l’espace, ses réservoirs d’ergols cryogéniques (dioxygène et dihydrogène liquides) sont soumis au rayonnement solaire. La température et la pression ont donc tendance à augmenter au sein des réservoirs. Pour éviter d'endommager les réservoirs, il est nécessaire de contrôler cette montée en pression.

La première idée est de placer une soupape de sécurité sur les réservoirs, comme il en existe sur la cocotte-minute. La grosse différence avec la cocotte-minute est que l’on est incapable de savoir où se trouve le liquide dans le réservoir. En effet, lors de la phase balistique, les fluides contenus dans les réservoirs se trouvent en microgravité, on ne peut donc pas prédire leur position dans les réservoirs. La soupape risque donc de laisser échapper non seulement de la vapeur mais aussi du liquide, ce qui est désastreux en termes de perte de carburant. Si le voyage est suffisamment court, il est possible d'effectuer régulièrement des phases de poussée pendant lesquelles le liquide est maintenu au fond du réservoir grâce à l'accélération de la fusée. Ceci permet de dégazer et d'abaisser la pression sans perte critique de carburant. Néanmoins, ces phases de poussée consomment du carburant inutilement. Cette solution n'est donc pas suffisamment efficace pour réaliser des missions longue durée.

La deuxième idée est de mettre en place un système qui permette de contrôler la pression au sein d’un réservoir avec une perte de carburant minimale. Ce système appartient à la famille des TVS (Thermodynamic Vent System) et son principe de fonctionnement est fondé sur le prélèvement de liquide au fond du réservoir, son refroidissement dans un circuit extérieur et sa réinjection en haut du réservoir sous forme de spray. Le spray, plus froid que la vapeur environnante, provoque la condensation de la vapeur et il s’en suit donc une baisse de la pression. Ce genre de système évite au maximum les pertes de carburant mais ajoute une surcharge de masse utile. Il s'agit donc de trouver le meilleur compromis entre l'efficacité du contrôle de pression et la surcharge engendrée par le dispositif de contrôle de pression.

Problématique

Comment éviter l'endommagement d'un réservoir de fusée, avec une perte de carburant et une surcharge de masse utile minimales?

Moyens mis en oeuvre

Volet modélisation

L'objectif ici est de mettre au point un modèle théorique suffisamment perfectionné pour bien décrire les phénomènes physiques qui se déroulent au sein du réservoir. Ce modèle pourra être résolu à l'aide de Matlab© et de Fluent©. Il servira à compléter les données expérimentales en aval.

Volet expérimental

  • Dispositif expérimental :

Il constitue la partie centrale du travail de thèse. La conception du banc expérimental, déjà bien avancée à mon arrivée, doit être poursuivie et achevée. Le banc expérimental (voir  experimental setup) est constitué d'un réservoir central relié à un vase d'expansion et à un circuit extérieur. Le tout est maintenu à une température proche de 49°C pour limiter les pertes thermiques. Le fluide utilisé est le NOVEC 649, c'est une fluorocétone qui, à pression atmosphérique, bout à 49°C. Le mode opératoire est tel que le NOVEC 649 ne sera jamais en contact avec l'air extérieur. Le banc expérimental sera surtout utilisé en circuit fermé, c'est-à-dire que les deux vannes en bas à droite du schéma de principe seront fermées ainsi que celle en haut à gauche. Le circuit extérieur de recirculation sert à refroidir le liquide prélevé en fond de réservoir et à le réinjecter sous forme de spray en haut du réservoir. Le dispositif doit nous permettre de suivre l'évolution des grandeurs thermodynamiques et des quantités de matière au sein du réservoir entre l'instant initial et l'instant où l'état stationnaire est atteint. Pour cela, quatre hublots sont disposés sur le réservoir (voir  photo manip).

  • Mesures expérimentales :
  • Granulométrie du spray: Spraytec.
  • Vitesse des gouttes du spray: PDI (Phase Doppler Interferometry).
  • Température des gouttes de spray: caméra Infra Rouge.
  • Stratification en température dans le liquide: PIV (Particule Image Velocimetry).
  • Pression et température dans le réservoir : capteur de pression absolue et thermocouple de type K.
  • Pression dans le vase d'expansion : capteur de pression absolue.
  • Hauteur de liquide dans le réservoir : capteur de pression différentielle.
  • Débit d'entrée : débitmètre à engrenage.

etc.

Directeurs de thèse

Jean-Paul Thibault

Christophe Corre

Financement de la thèse

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