DISPOSITIVO PARA ALMACENAR LIQUIDOS CRIOGENICOS Y COMBUSTIBLES ALMACENABLES.

Depósito para almacenar líquidos criogénicos o combustibles líquidos almacenables para la operación de vehículos espaciales,

con un gas propelente que sirve de medio transportador, así como con al menos un dispositivo de suministro y extracción de gas en forma de un depósito rellenable que presenta una bandeja de depósito, en el que se realiza una separación del gas propelente del líquido mediante tamizado aprovechando la tensión superficial, caracterizado porque el dispositivo de suministro y extracción de gas (2) está dispuesto directamente en la bandeja del depósito (1), en la zona superior del depósito, y unido directamente con ésta, componiéndose de una carcasa (25) sustancialmente cilíndrica, provista de una serie de aberturas (3) dispuestas perimetralmente en la zona superior de la carcasa (25), que se ensanchan en forma de trompeta y que están cubiertas por placas deflectoras (30), así como con al menos una abertura (9) adicional, dispuesta en la zona inferior de la carcasa (25), que se ensancha en forma de trompeta y que está cubierta por una placas deflectora (32) y que presenta un tubo de extracción (29) que conduce a al menos una salida, estando provista cada una de las aberturas (3, 9) con chapas (14) dispuestas una detrás de otra en lados alternos, que entran en la abertura (3, 9), y unida a través de un doble tamiz (12) con el interior de la carcasa (25), estando dispuestas en la pared interior de la carcasa (25) chapas (24) que se extienden paralelamente respecto al eje longitudinal de la carcasa (25), presentando la placa deflectora (32) horizontal uno o varios agujeros (31), en forma de plato, prevista para cubrir la abertura (9) inferior en forma de trompeta

Depósito para almacenar líquidos criogénicos y combustibles almacenables.

La invención se refiere a un depósito para almacenar líquidos criogénicos o combustibles líquidos almacenables para la operación de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio transportador, así como con al menos un dispositivo de suministro y extracción de gas en forma de un depósito rellenable, en el que mediante tamizado aprovechando la tensión superficial se realiza una separación del gas propelente del líquido.

En los depósitos de este tipo, los gases propelentes sirven para transportar los componentes líquidos contenidos en éstos, es decir, el combustible por una parte y un oxidante por otra parte, a la cámara de combustión o de reacción. Como gases propelentes se emplean habitualmente gases inertes como el helio (He) o el nitrógeno (N₂) que se hacen pasar bajo presión al depósito de combustible o de oxidante haciendo pasar a presión de esta manera el combustible y el oxidante al sistema de tuberías que conduce al módulo propulsor correspondiente. Durante ello es importante que se produzca una separación completa y segura entre el gas propelente que sirve de medio transportador y los componentes líquidos que llegan al módulo propulsor, es decir, entre el combustible o el oxidante, ya que éstos últimos tienen que estar en todo caso libre de inclusiones de gas ajeno.

En los líquidos criogénicos, especialmente en el hidrógeno líquido, el calentamiento del combustible conduce generalmente a un aumento de la presión en el depósito debido a los efectos de evaporación a lo largo del tiempo. La sobrepresión originada tiene que evacuarse del depósito para mantener la integridad estructural del depósito al alcanzar un valor límite superior. Esta problemática se produce especialmente en sistemas espaciales criogénicos que tienen que operar durante un tiempo prolongado en la órbita en levitación. El gas situado en el depósito se usa frecuentemente también para regular la posición del vehículo espacial. Es una variante de generación de empuje económica, en comparación con un sistema de propulsión adicional, y suficiente para la regulación de la posición. El gas frío se hace salir del depósito de combustible al vacío de forma dirigida a través de una o varias toberas de empuje.

Si durante este procedimiento se deja salir una mezcla de gas y líquido del depósito al vacío, las diferentes densidades del líquido y del gas conducen, según la relación de mezcla, a un perfil de empuje no constante y el algoritmo de regulación del vehículo espacio tiene que corregir entonces estas variaciones del empuje conforme a los requerimientos de la misión. La evacuación de líquido del dispositivo de extracción de gas también es indeseable porque entonces el combustible ya no está disponible para el módulo propulsor principal del vehículo espacial.

Para una separación segura de las fases de gas y de líquido, hasta ahora, en la navegación espacial se aplican los siguientes procedimientos:

Además, por el documento US4027494A se dio a conocer el uso de separadores de fase para separar la fase liquida de la fase gaseosa, empleándose en este dispositivo conocido un separador de fases para los regímenes con baja aceleración y realizándose la separación usando imanes supraconductores. Además, el documento US4848987A describe un separador de fases, en el que están previstas bombas y una serie de válvulas. Finalmente, en un separador de fases descrito en el documento US7077885B2 se usa una hélice que hace rotar una mezcla de líquido y gas y en el que una membrana de polietileno o nilón separa el líquido, en este caso agua. Éste último sistema conocido está previsto para un uso junto con las células de combustible y no es apropiado para la separación de líquidos criogénicos. Otros dispositivos que se dieron a conocer en los documentos US4435196A y US4617031A se limitan a un uso en el campo gravitacional de la tierra.

La invención tiene el objetivo de configurar un depósito del tipo mencionado al principio de tal forma que quede garantizada una separación de fases segura tanto para combustibles y líquidos criogénicos como no criogénicos, con las más diversas aceleraciones, desde las bajas aceleraciones durante fases de vuelo balísticas hasta las elevadas aceleraciones durante las fases de empuje principal, tales como se producen en los sistemas de navegación espacial.

La invención consigue este objetivo mediante las características de la reivindicación 1, de tal forma que prevé que en un depósito de este tipo el dispositivo de suministro y extracción de gas está dispuesto directamente en la bandeja del depósito, en la zona superior del depósito, y unido directamente con ésta, componiéndose de una carcasa sustancialmente cilíndrica, provista con una serie de aberturas dispuestas en el lado circunferencial en la zona superior de la carcasa, que se ensanchan en forma de trompetas y que están cubiertas por placas deflectoras, así como con al menos una abertura adicional, dispuesta en la zona inferior de la carcasa, que se ensancha en forma de trompeta y que está cubierta por una placas deflectora y que presenta un tubo de extracción que conduce a al menos una salida, estando provista cada una de las aberturas con chapas dispuestas una detrás de otra en lados alternos, que entran en la abertura, y unida a través de un doble tamiz con el interior de la carcasa, estando dispuestas en la pared interior de la carcasa chapas que se extienden paralelamente respecto al eje longitudinal de la carcasa, presentando uno o varios agujeros la placas deflectora horizontal, en forma de plato, prevista para cubrir la abertura inferior en forma de trompeta.

Las aberturas que se ensanchan hacia el depósito y que, por tanto, están configuradas aproximadamente en forma de trompeta, están configuradas por la incorporación de chapas capilares de tal forma que se evita en mayor medida la entrada de líquidos. Por ejemplo, si debido a mayores movimientos de líquido, entra líquido en el interior del dispositivo de suministro y extracción de gas, dicho líquido se evacúa mediante las chapas capilares al interior del depósito siendo separada de esta manera del gas. El dispositivo de suministro y extracción de gas previsto en el depósito según la invención tiene la ventaja de que con las chapas se compone exclusivamente de componentes pasivos y, entre otras cosas, no presenta válvulas. Por lo tanto, el sistema completo no requiere ningún control adicional, que es el caso por ejemplo en los sistemas que dependen de una aceleración previa o que realizan una separación de fase mediante la evaporación del combustible. Por lo tanto, el depósito según la invención se caracteriza por una estructura simplificada sustancialmente frente a los sistemas activos, una mayor robustez y costes reducidos y permite el transporte de gas, sin líquido, durante fases de aceleración reducida, es decir, fases balísticas, al igual que en fases de vuelo aceleradas como las que se producen en etapas orbitales y vehículos de transferencia en la navegación espacial.

Dado que en el depósito según la invención, en la zona inferior de la carcasa del dispositivo de suministro y extracción de gas está prevista sólo una abertura en forma de trompeta, se consigue una estructura especialmente sencilla y, por tanto, una optimización en cuanto a su montaje, su peso y su posterior mantenimiento, siendo esto último un aspecto importante especialmente en los sistemas espaciales reutilizables, para los que este depósito según la invención resulta especialmente adecuado.

Otra ventaja del depósito según la invención consiste en que presenta una buena unión termal entre el dispositivo de suministro y extracción de gas y la bandeja del depósito. En la zona del domo superior del depósito, donde se encuentra principalmente el gas propelente, la temperatura es especialmente elevada frente a la temperatura del combustible líquido criogénico y la...

1. Depósito para almacenar líquidos criogénicos o combustibles líquidos almacenables para la operación de vehículos espaciales, con un gas propelente que sirve de medio transportador, así como con al menos un dispositivo de suministro y extracción de gas en forma de un depósito rellenable que presenta una bandeja de depósito, en el que se realiza una separación del gas propelente del líquido mediante tamizado aprovechando la tensión superficial, caracterizado porque el dispositivo de suministro y extracción de gas (2) está dispuesto directamente en la bandeja del depósito (1), en la zona superior del depósito, y unido directamente con ésta, componiéndose de una carcasa (25) sustancialmente cilíndrica, provista de una serie de aberturas (3) dispuestas perimetralmente en la zona superior de la carcasa (25), que se ensanchan en forma de trompeta y que están cubiertas por placas deflectoras (30), así como con al menos una abertura (9) adicional, dispuesta en la zona inferior de la carcasa (25), que se ensancha en forma de trompeta y que está cubierta por una placas deflectora (32) y que presenta un tubo de extracción (29) que conduce a al menos una salida, estando provista cada una de las aberturas (3, 9) con chapas (14) dispuestas una detrás de otra en lados alternos, que entran en la abertura (3, 9), y unida a través de un doble tamiz (12) con el interior de la carcasa (25), estando dispuestas en la pared interior de la carcasa (25) chapas (24) que se extienden paralelamente respecto al eje longitudinal de la carcasa (25), presentando la placa deflectora (32) horizontal uno o varios agujeros (31), en forma de plato, prevista para cubrir la abertura (9) inferior en forma de trompeta.

2. Depósito según la reivindicación 1, caracterizado porque está configurado para recibir líquidos criogénicos, tales como hidrógeno líquido u oxigeno líquido.

3. Depósito según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque está configurado para recibir combustibles almacenables, tales como monometilhidracina (MMH) o hidracina (N₂H₄).

4. Depósito según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque está configurado para recibir un oxidante como el tetraóxido de dinitrógeno (N₂O₄).