FR3159152A1 - Cryogenic propellant tank for a spacecraft engine - Google Patents
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Abstract
Réservoir d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial L’invention concerne un réservoir d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial, comprenant une paroi délimitant un volume de stockage pour l’ergol cryogénique, la paroi étant en matériau composite et comprenant un renfort fibreux sous la forme d’un empilement (110) fibreux qui est densifié par une matrice organique, l’empilement fibreux comprenant au moins en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur (E) de la paroi : (a) un premier pli (113) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, (b) un deuxième pli (115) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de -β°, (c) un troisième pli (117) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et (d) un quatrième pli (119) de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +β°, avec α compris entre 5° et 20° et β compris entre 40° et 50°, chaque angle étant pris par rapport à un axe longitudinal du réservoir. Figure pour l’abrégé : Fig. 4. Cryogenic propellant tank for a spacecraft engine The invention relates to a cryogenic propellant tank for a spacecraft engine, comprising a wall delimiting a storage volume for the cryogenic propellant, the wall being made of composite material and comprising a fibrous reinforcement in the form of a fibrous stack (110) which is densified by an organic matrix, the fibrous stack comprising at least in succession in this order in the direction of the thickness (E) of the wall: (a) a first ply (113) of unidirectional fibers oriented at an angle of –α, (b) a second ply (115) of unidirectional fibers oriented at an angle of –β°, (c) a third ply (117) of unidirectional fibers oriented at an angle of +α, and (d) a fourth ply (119) of unidirectional fibers oriented at an angle of +β°, with α between 5° and 20° and β between 40° and 50°, each angle being taken relative to a longitudinal axis of the tank. Figure for abstract: Fig. 4.
Description
Le présent exposé concerne un réservoir d’ergol cryogénique en matériau composite pour un moteur d’engin spatial présentant des propriétés mécaniques et une étanchéité améliorées aux basses températures.This disclosure relates to a composite cryogenic propellant tank for a spacecraft engine having improved mechanical properties and sealing at low temperatures.
Les moteurs de lanceurs spatiaux consomment typiquement des ergols cryogéniques stockés dans des réservoirs dédiés. Les ergols cryogéniques sont maintenus à des températures très basses de l’ordre de 90 K pour l’oxygène, 20 K pour l’hydrogène ou 110 K pour le méthane.Space launcher engines typically consume cryogenic propellants stored in dedicated tanks. Cryogenic propellants are maintained at very low temperatures of around 90 K for oxygen, 20 K for hydrogen or 110 K for methane.
Les matériaux composites ont été proposés comme une alternative intéressante aux matériaux métalliques afin d’alléger la masse du réservoir. Il est néanmoins possible d’améliorer les solutions composites existantes en termes de maintien de l’étanchéité et de conservation des propriétés mécaniques aux faibles températures mises en jeu.Composite materials have been proposed as an attractive alternative to metallic materials in order to reduce the mass of the tank. However, it is possible to improve existing composite solutions in terms of maintaining watertightness and preserving mechanical properties at the low temperatures involved.
Le présent exposé concerne un réservoir d’ergol cryogénique pour un moteur d’engin spatial, comprenant une paroi délimitant un volume de stockage pour l’ergol cryogénique, la paroi étant en matériau composite et comprenant un renfort fibreux sous la forme d’un empilement fibreux qui est densifié par une matrice organique, l’empilement fibreux comprenant au moins en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur de la paroi : (a) un premier pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, (b) un deuxième pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de -β, (c) un troisième pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et (d) un quatrième pli de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +β, avec α compris entre 5° et 20° et β compris entre 40° et 50°, chaque angle étant pris par rapport à un axe longitudinal du réservoir.The present disclosure relates to a cryogenic propellant tank for a spacecraft engine, comprising a wall delimiting a storage volume for the cryogenic propellant, the wall being made of composite material and comprising a fibrous reinforcement in the form of a fibrous stack which is densified by an organic matrix, the fibrous stack comprising at least in succession in this order in the direction of the thickness of the wall: (a) a first ply of unidirectional fibers oriented with an angle of –α, (b) a second ply of unidirectional fibers oriented with an angle of –β, (c) a third ply of unidirectional fibers oriented with an angle of +α, and (d) a fourth ply of unidirectional fibers oriented with an angle of +β, with α between 5° and 20° and β between 40° and 50°, each angle being taken relative to a longitudinal axis of the tank.
Les premier et troisième plis ayant l’orientation +/- α décrite ci-dessus sont relativement peu désorientés l’un par rapport à l’autre ce qui confère à la paroi du réservoir une bonne reprise des efforts qui s’exercent lorsque le réservoir est rempli et mis à froid. Les inventeurs ont néanmoins constaté que l’utilisation seule des premier et troisième plis pouvait conduire à une perte d’étanchéité du réservoir si des fissures matricielles apparaissaient lesquelles pouvaient alors générer un réseau de fissures de longueur importante dans le pli concerné ainsi que dans le ou les plis adjacents. Pour répondre à cet inconvénient, l’invention propose d’ajouter à l’empilement les deuxième et quatrième plis décrits ci-dessus lesquels sont suffisamment désorientés par rapport aux premier et troisième plis pour limiter l’ouverture des fissures matricielles en minimisant les interactions entre plis adjacents, mais dont la désorientation reste limitée pour ne pas générer de contraintes thermomécaniques trop importantes lors de la mise à froid du réservoir.The first and third plies having the orientation +/- α described above are relatively little disoriented with respect to each other, which gives the wall of the tank a good absorption of the forces which are exerted when the tank is filled and brought to a cold state. The inventors have nevertheless noted that the use of the first and third plies alone could lead to a loss of tightness of the tank if matrix cracks appeared which could then generate a network of cracks of significant length in the ply concerned as well as in the adjacent ply or plies. To overcome this drawback, the invention proposes adding to the stack the second and fourth plies described above which are sufficiently disoriented with respect to the first and third plies to limit the opening of the matrix cracks by minimizing the interactions between adjacent plies, but whose disorientation remains limited so as not to generate excessively high thermomechanical stresses when the tank is brought to a cold state.
Dans un exemple de réalisation, α est compris entre 13° et 17°, par exemple est sensiblement égal à 15°.In an exemplary embodiment, α is between 13° and 17°, for example is substantially equal to 15°.
Dans un exemple de réalisation, β est compris entre 43° et 47°, par exemple est sensiblement égal à 45°.In an exemplary embodiment, β is between 43° and 47°, for example is substantially equal to 45°.
Une telle caractéristique permet avantageusement de limiter davantage encore l’ouverture des fissures matricielles, sans générer de contraintes thermomécaniques trop importantes lors de la mise à froid.Such a characteristic advantageously makes it possible to further limit the opening of matrix cracks, without generating excessive thermomechanical stresses during cold setting.
Dans un exemple de réalisation, l’empilement fibreux comprend en outre un pli additionnel de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, et le premier pli étant situé entre ledit pli additionnel et le deuxième pli.In an exemplary embodiment, the fibrous stack further comprises an additional ply of unidirectional fibers oriented at an angle of +α, and the first ply being located between said additional ply and the second ply.
Une telle caractéristique permet avantageusement de limiter davantage encore le taux de fissuration au sein de la paroi.Such a characteristic advantageously makes it possible to further limit the cracking rate within the wall.
Dans un exemple de réalisation, chaque pli de l’empilement fibreux a une épaisseur inférieure ou égale à 150 µm, par exemple inférieure ou égale à 100 µm.In an exemplary embodiment, each ply of the fibrous stack has a thickness less than or equal to 150 µm, for example less than or equal to 100 µm.
L’utilisation de plis fins permet de retarder davantage encore l’initiation de la fissuration matricielle.The use of fine folds further delays the initiation of matrix cracking.
Dans un exemple de réalisation, l’empilement fibreux est en fibres de carbone.In an exemplary embodiment, the fiber stack is made of carbon fibers.
Dans un exemple de réalisation, la matrice organique est une matrice époxy.In an exemplary embodiment, the organic matrix is an epoxy matrix.
Dans un exemple de réalisation, le volume interne contient du dihydrogène à l’état liquide. En variante, le volume de stockage contient du dioxygène à l’état liquide.In an exemplary embodiment, the internal volume contains dihydrogen in the liquid state. Alternatively, the storage volume contains dioxygen in the liquid state.
L’invention concerne également un moteur d’engin spatial comprenant un réservoir d’ergol cryogénique tel que décrit plus haut.
Brève description des dessins
Brief description of the drawings
L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière.The invention is now described by means of figures, present for descriptive purposes to illustrate certain embodiments of the invention and which should not be interpreted as limiting the latter.
Les figures 1 et 2 concernent un réservoir composite hors invention dont le renfort ne comprend qu’un empilement de plis 10 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α, et de plis 30 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, avec α compris entre 5° et 20° et chaque angle étant pris par rapport à un axe longitudinal du réservoir.Figures 1 and 2 relate to a composite tank outside the invention, the reinforcement of which comprises only a stack of plies 10 of unidirectional fibers oriented at an angle of –α, and plies 30 of unidirectional fibers oriented at an angle of +α, with α between 5° and 20° and each angle being taken relative to a longitudinal axis of the tank.
Vis-à-vis des sollicitations d’origine thermomécanique (induites par la mise à froid du réservoir), les empilements permettant de limiter au maximum les contraintes dans les différents plis sont constitués de plis d’orientation la plus proche possible (i.e. cas le plus favorable : deux plis adjacents de même orientation ; cas le plus défavorable : deux plis adjacents d’orientations α° et α°+90°). En effet, dans le cas des composites unidirectionnels, la dilatation thermique est fortement anisotrope : dans la direction des fibres, le matériau se dilate très peu tandis qu’il se dilate significativement dans le sens perpendiculaire aux fibres. Ainsi, lorsque l’on empile des plis fortement désorientés les uns par rapport aux autres, une variation de température importante, comme dans le cas de la mise à froid du réservoir, va générer des contraintes internes très importantes, réduisant la capacité de l’empilement à reprendre les efforts d’origine mécanique (pression interne du réservoir).With regard to stresses of thermomechanical origin (induced by the cold setting of the tank), the stacks that allow the constraints in the different plies to be limited as much as possible are made up of plies with the closest possible orientation (i.e. the most favorable case: two adjacent plies with the same orientation; the most unfavorable case: two adjacent plies with orientations α° and α°+90°). Indeed, in the case of unidirectional composites, thermal expansion is highly anisotropic: in the direction of the fibers, the material expands very little while it expands significantly in the direction perpendicular to the fibers. Thus, when stacking plies that are highly misoriented relative to each other, a significant temperature variation, as in the case of the cold setting of the tank, will generate very significant internal stresses, reducing the stack's capacity to absorb the forces of mechanical origin (internal pressure of the tank).
Aussi, vis-à-vis de l’initiation de fissures matricielles pouvant conduire à la non-étanchéité du réservoir, il serait souhaitable de minimiser l’angle entre deux plis adjacents. Toutefois, en cas d’initiation de ces fissures, leur propagation génère un réseau de fissures de longueur importante dans le pli concerné et initie des fissures dans les plis adjacents. La
La
Le réservoir 100 comprend une paroi 102 qui délimite le volume V. La paroi 102 est en matériau composite à matrice organique et comprend un renfort fibreux dont la structure sera décrite plus en détails en lien avec la
Dans l’exemple illustré, un des fonds 104 est muni d’un port 106 qui est, de manière connue en soi, destiné à être en communication avec un circuit (non représenté) comprenant une turbopompe apte à transmettre l’ergol cryogénique 108 du réservoir 100 vers une chambre de combustion, lorsque le réservoir 100 est intégré au sein d’un moteur d’engin spatial. Cette communication est matérialisée par la flèche C à la
La paroi 102 comprend un renfort fibreux, par exemple en fibres de carbone, qui est densifié par une matrice organique, comme une matrice époxy. Le renfort fibreux est, dans l’exemple illustré, sous la forme d’un empilement fibreux 110 formé d’une superposition de plis de fibres unidirectionnelles ayant des orientations particulières.The wall 102 comprises a fibrous reinforcement, for example made of carbon fibers, which is densified by an organic matrix, such as an epoxy matrix. The fibrous reinforcement is, in the example illustrated, in the form of a fibrous stack 110 formed from a superposition of folds of unidirectional fibers having particular orientations.
L’empilement 110 comprend en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur E de la paroi 102 :
- un premier pli 113 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de –α,
- un deuxième pli 115 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de -β, en contact avec le premier pli 113,
- un troisième pli 117 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, en contact avec le deuxième pli 115, et
- un quatrième pli 119 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +β, en contact avec le troisième pli 117,
avec α compris entre 5° et 20° et β compris entre 40° et 50° et, dans l’exemple illustré, égal à 45°, chaque angle étant pris par rapport à l’axe X.The stack 110 comprises in succession in this order in the direction of the thickness E of the wall 102:
- a first fold 113 of unidirectional fibers oriented with an angle of –α,
- a second ply 115 of unidirectional fibers oriented at an angle of -β, in contact with the first ply 113,
- a third ply 117 of unidirectional fibers oriented at an angle of +α, in contact with the second ply 115, and
- a fourth fold 119 of unidirectional fibers oriented at an angle of +β, in contact with the third fold 117,
with α between 5° and 20° and β between 40° and 50° and, in the example illustrated, equal to 45°, each angle being taken with respect to the X axis.
Dans l’exemple illustré, l’empilement 110 comprend en outre un pli additionnel 111 de fibres unidirectionnelles orientées avec un angle de +α, en contact avec le premier pli 113, le premier pli 113 étant situé entre ledit pli additionnel 111 et le deuxième pli 115. Ainsi, l’empilement illustré comprend en succession dans cet ordre dans le sens de l’épaisseur E de la paroi 102 :
- le pli additionnel 111,
- le premier pli 113 en contact avec le pli additionnel 111,
- le deuxième pli 115 en contact avec le premier pli 113,
- le troisième pli 117 en contact avec le deuxième pli 115, et
- le quatrième pli 119 en contact avec le troisième pli 117.In the example illustrated, the stack 110 further comprises an additional ply 111 of unidirectional fibers oriented at an angle of +α, in contact with the first ply 113, the first ply 113 being located between said additional ply 111 and the second ply 115. Thus, the stack illustrated comprises in succession in this order in the direction of the thickness E of the wall 102:
- additional fold 111,
- the first fold 113 in contact with the additional fold 111,
- the second fold 115 in contact with the first fold 113,
- the third fold 117 in contact with the second fold 115, and
- the fourth fold 119 in contact with the third fold 117.
Selon une variante non illustrée, on peut s’affranchir du pli additionnel 111. Selon une variante non illustrée, l’empilement qui vient d’être décrit peut être répété dans le sens de l’épaisseur E de la paroi 102 avec une symétrie miroir (symétrie par rapport à une nappe médiane de l’empilement).According to a variant not illustrated, the additional fold 111 can be dispensed with. According to a variant not illustrated, the stack which has just been described can be repeated in the direction of the thickness E of the wall 102 with mirror symmetry (symmetry with respect to a middle layer of the stack).
Quel que soit l’exemple considéré, α peut être compris entre 13° et 17° et/ou β peut être compris entre 43° et 47°.Whichever example is considered, α can be between 13° and 17° and/or β can be between 43° and 47°.
Quel que soit l’exemple considéré, chaque pli 111-119 de l’empilement 100 peut avoir une épaisseurepinférieure ou égale à 150 µm, par exemple inférieure ou égale à 100 µm.Whatever the example considered, each ply 111-119 of the stack 100 may have a thickness ep less than or equal to 150 µm, for example less than or equal to 100 µm.
D’une manière générale, l’empilement 110 peut être fabriqué par drapage manuel ou par placement automatique de fibres (« Automated Fiber Placement » ; « AFP ») sur un mandrin ayant la forme du réservoir 100 à obtenir. L’empilement 110 peut ensuite être imprégné d’une résine destinée à former la matrice organique. Cette imprégnation peut être réalisée par une technique connue en soi comme le moulage par transfert de résine (« Resin Transfer Molding » ; « RTM ») ou l’infusion. Selon une variante, l’empilement 110 est réalisé à partir de plis pré-imprégnés par la résine. La résine peut être thermoplastique ou thermodurcissable. Dans ce dernier cas, un traitement thermique de réticulation de la résine est réalisé après l’imprégnation.Generally speaking, the stack 110 can be manufactured by manual draping or by automatic placement of fibers (“Automated Fiber Placement”; “AFP”) on a mandrel having the shape of the reservoir 100 to be obtained. The stack 110 can then be impregnated with a resin intended to form the organic matrix. This impregnation can be carried out by a technique known per se such as resin transfer molding (“RTM”) or infusion. According to a variant, the stack 110 is produced from plies pre-impregnated with the resin. The resin can be thermoplastic or thermosetting. In the latter case, a heat treatment for crosslinking the resin is carried out after the impregnation.
Le réservoir 100 peut être un réservoir de premier étage ou de deuxième étage de lanceur spatial.Tank 100 may be a first-stage or second-stage space launcher tank.
L’effet de l’invention sur la perméabilité du matériau sous charge a été observé lors d’essais de type « bulge test ». Ces essais visent à pressuriser des éprouvettes composites en environnement cryogénique (jusqu’à 20K) et identifier l’instant où le taux de fuite à l’hélium augmente significativement.The effect of the invention on the permeability of the material under load was observed during “bulge test” type tests. These tests aim to pressurize composite specimens in a cryogenic environment (up to 20K) and identify the moment when the helium leak rate increases significantly.
Les essais ont porté sur deux types de composites représentatifs d’une paroi de réservoir. Le premier, hors invention, ne comprenait qu’une alternance de plis unidirectionnels à -α et +α, avec 5° < α < 20°. Le second, selon l’invention, comprenait un empilement tel qu’illustré à la
Une fuite prématurée importante (à 3 bars), due à des fissurations matricielles de longueur importante comparativement à la zone utile des éprouvettes, a été observée pour le premier composite hors invention.A significant premature leak (at 3 bars), due to matrix cracks of significant length compared to the useful area of the test pieces, was observed for the first composite outside the invention.
L’apparition de la fuite a été significativement retardée pour le second composite selon l’invention. Dans ce cas, la pression de fuite était prévue entre 9 et 14 bars et celle-ci a été mesurée à 13 bars pour un spécimen et 15 bars pour un autre spécimen. De plus, bien qu’une fuite ait été observée lors de ces essais, aucune fissure n’a pu être observée lors des analyses tomographiques post-mortem avec une résolution de 40 µm. Le réseau de fissures généré semblait donc constitué de fissures de longueur très faible et probablement refermées lors de la dépressurisation du spécimen.The onset of the leak was significantly delayed for the second composite according to the invention. In this case, the leak pressure was expected to be between 9 and 14 bars and was measured at 13 bars for one specimen and 15 bars for another specimen. Furthermore, although a leak was observed during these tests, no cracks could be observed during post-mortem tomographic analyses with a resolution of 40 µm. The crack network generated therefore appeared to consist of cracks of very short length and probably closed during depressurization of the specimen.
L’expression « compris entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.The expression “between … and …” must be understood as including the limits.
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| FR2401377A FR3159152A1 (en) | 2024-02-13 | 2024-02-13 | Cryogenic propellant tank for a spacecraft engine |
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR3159152A1 true FR3159152A1 (en) | 2025-08-15 |
Family
ID=91616931
Family Applications (1)
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| FR2401377A Pending FR3159152A1 (en) | 2024-02-13 | 2024-02-13 | Cryogenic propellant tank for a spacecraft engine |
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| Country | Link |
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| FR (1) | FR3159152A1 (en) |
| WO (1) | WO2025172661A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5257761A (en) * | 1992-02-24 | 1993-11-02 | Hercules Incorporated | Assembly and method for attaching a pressure vessel to another object |
| US5993934A (en) * | 1997-08-06 | 1999-11-30 | Eastman Kodak Company | Near zero CTE carbon fiber hybrid laminate |
| US20040206762A1 (en) * | 1995-12-04 | 2004-10-21 | Toray Industries, Inc. | Pressure vessel and process for producing the same |
| EP4112992A1 (en) * | 2021-06-30 | 2023-01-04 | Airbus Operations GmbH | Tank for storing fluid media under cryogenic conditions on bord of a vehicle |
| US20230122936A1 (en) * | 2021-10-18 | 2023-04-20 | Airbus (Sas) | Composite structure provided with a thermal protection device with hollow fibers, in particular for a liquid hydrogen tank |
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2024
- 2024-02-13 FR FR2401377A patent/FR3159152A1/en active Pending
-
2025
- 2025-02-07 WO PCT/FR2025/050102 patent/WO2025172661A1/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20230122936A1 (en) * | 2021-10-18 | 2023-04-20 | Airbus (Sas) | Composite structure provided with a thermal protection device with hollow fibers, in particular for a liquid hydrogen tank |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025172661A1 (en) | 2025-08-21 |
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