Depósito de combustible para líquidos criogénicos.

Vehículo espacial con un depósito de combustible para almacenar líquidos criogénicos para elfuncionamiento del vehículo espacial y con un gas propelente que sirve de medio transportador,

con al menos undispositivo de extracción en forma de un recipiente de reserva (2) rellenable y con una separación del combustibledel gas propelente por la tensión superficial y por las fuerzas hidráulicas originadas, caracterizado porque comopared del depósito de combustible están dispuestos dos semicoquillas (1, 1') que están unidas entre ellas formandoun recipiente de alojamiento (7) toroidal, y porque el dispositivo de extracción está dispuesto como recipiente dereserva (2) en la zona inferior en el lado exterior de la pared de depósito como semicoquilla (1'), y porque en lasemicoquilla (1') están previstos taladros (12, 13) para la comunicación con el recipiente de reserva (2).

Depósito de combustible para líquidos criogénicos.

La invención se refiere a un vehículo espacial con un depósito de combustible para almacenar líquidos criogénicos para el funcionamiento y con un gas propelente que sirve de medio transportador, con al menos un dispositivo de extracción en forma de un recipiente de reserva rellenable y con una separación del combustible del gas propelente por la tensión superficial y las fuerzas hidráulicas originadas.

En los vehículos espaciales, frecuentemente, gases propelentes sirven para transportar el combustible de los depósitos de combustible a las cámaras de combustión o de reacción. En el caso de líquidos criogénicos, como gas propelente habitualmente se usa helio (He) que impulsa el recipiente de combustible y de esta manera hace pasar el combustible a presión al sistema de tuberías que conduce al propulsor correspondiente. En un depósito de este tipo, como se conoce por ejemplo por el documento DE10117557A1, es importante una separación completa y segura entre el gas propelente que sirve de medio transportador y el combustible que llega al propulsor, porque es imprescindible que este último esté libre de inclusiones de gases ajenos durante su encendido.

Por su mayor efectividad junto a su menor peso, a ser posible, se prefieren los combustibles criogénicos a los combustibles líquidos convencionales como por ejemplo el MMH. Sin embargo, una desventaja de los combustibles criogénicos es que al contrario de los combustibles convencionales no pueden almacenarse a temperaturas ambiente. El hidrógeno líquido que también se denomina LH2, por ejemplo, pasa al estado gaseiforme a una temperatura de aproximadamente 30 K, de modo que es imprescindible un aislamiento suficiente del depósito de combustible para garantizar la aptitud para el almacenaje durante un período de tiempo suficiente. Algo similar ocurre con el oxígeno líquido (LOX) que se usa junto con el LH2 y se almacena en depósitos separados. Un aislamiento del depósito de combustible durante un almacenamiento más prolongado es necesario por las aportaciones de calor, entre otras cosas por la irradiación solar y componentes calientes como los propulsores.

Al contrario de un uso de combustibles no criogénicos, aptos para el almacenaje, en los combustibles criogénicos, la pared de depósito que generalmente es más caliente puede conducir a la ebullición del líquido cerca de la pared del depósito, lo que dificulta un transporte del combustible sin burbujas. Por lo tanto, especialmente el aislamiento térmico del recipiente de reserva que constituye el dispositivo de extracción para evitar la formación de gas dentro del recipiente de reserva y la realización de chapas guía dispuestas dentro del recipiente de reserva exige requisitos especiales a un depósito de este tipo. Estas chapas guía se disponen dentro del recipiente de reserva de tal forma que el líquido se posicione de forma estable en el recipiente de reserva y las burbujas de gas se vuelvan a expulsar del recipiente de reserva volviendo al depósito. Este efecto de sujeción se ve fomentado por el cambio local de la presión capilar.

Un problema adicional consiste en el transporte de combustible sin burbujas bajo el estado de la ingravidez. Un transporte de combustible sin burbujas se puede conseguir por ejemplo mediante una aceleración preliminar por medio de cohetes adicionales que se llevan adicionalmente. Esta aceleración preliminar conduce a la reorientación y el posicionamiento del líquido cerca del tubo de salida. El procedimiento del encendido comprende en primer lugar que se produce una fase de enfriamiento del sistema de conductos a la temperatura de funcionamiento, seguido de la fase de encendido en sí de los propulsores. En la fase de enfriamiento se transporta combustible líquido, en mayor medida frío, del depósito de combustible al sistema de conductos. También para esta fase de enfriamiento, la invención puede suministrar ilimitadamente combustible. El encendido del propulsor se produce sólo cuando después del enfriamiento a la temperatura de funcionamiento esté libre sin burbujas el sistema completo.

Según el documento FR2865018A1 se conoce una disposición con una disposición de aspiración que bajo condiciones estacionarias proporciona líquidos y que para su capacidad de funcionamiento depende del campo gravitacional de la tierra. Esta disposición no se puede transmitir a un transporte de combustible para un funcionamiento espacial con ingravidez ni se puede emplear para el transporte de combustible aprovechando fuerzas hidráulicas y fuerzas capilares.

La invención tiene el objetivo de realizar un vehículo espacial con un depósito de combustible del tipo mencionado al principio, de tal forma que al usar combustibles criogénicos, alternativamente a una aclaración preliminar, quede garantizado un transporte de combustible sin burbujas mediante el aprovechamiento de fuerzas hidrostáticas y de fuerzas capilares.

La invención consigue este objetivo porque como pared del depósito de combustible están dispuestas dos semicoquillas que están unidas entre ellas formando un recipiente de alojamiento toroidal, y el dispositivo de extracción está dispuesto como recipiente de reserva en la zona inferior en el lado exterior de la pared de depósito como semicoquilla, y en la semicoquilla están previstos taladros para la comunicación con el recipiente de reserva.

La realización del dispositivo de extracción previsto en el depósito de combustible según la invención presenta la ventaja de que es capaz de transportar combustible incluso con velocidades de rotación muy elevadas alrededor del eje longitudinal del depósito de la etapa de cohete dotada de un depósito de este tipo. Así queda garantizado un transporte seguro de combustible con un comportamiento no nominal de la etapa. El dispositivo de extracción según la invención, completamente montado, puede ensayarse en un puesto de ensayo separado. Además, no se necesitan componentes adicionales dentro del depósito de combustible, más bien, el dispositivo de extracción se dispone como componente separado desde fuera en la semicoquilla exterior que forma la pared de depósito. En depósitos grandes como el depósito ESC-A LH2 del Ariane 5, estas semicoquillas habitualmente se componen de segmentos individuales, de modo que el recipiente de reserva puede introducirse de forma ajustada en uno de los segmentos antes de que se ensamblen las semicoquillas.

La renuncia a una aceleración preliminar y, por tanto, a llevar cohetes adicionales separados permite un ahorro de peso adicional y, por consiguiente, una mayor carga útil con un reencendido múltiple. El recipiente de reserva garantiza un posicionamiento estable del combustible en la salida y no limita el número de reencendidos, ni siquiera en caso de grados de llenado residual muy pequeños en el depósito. Por lo tanto, el número de posibles reencendidos depende tan sólo de la cantidad de combustible necesaria respectivamente. El depósito según la invención resulta adecuado de la misma manera tanto para guardar combustible criogénico como el LH2, como para guardar oxígeno líquido en forma de LOX.

En las formas de realización preferibles según las reivindicaciones subordinadas 2 a 4 de la invención, el dispositivo de extracción está provisto de un aislamiento y de una trampa térmica y por tanto resulta especialmente adecuado para los depósitos toroidales y depósitos con fondo intermedio que en forma similar se están empleando o se emplearán por ejemplo como depósitos de LH2 en la etapa orbital criogénica ESC-A o la ESC-B planeada del Ariane 5.

Otras formas de realización de la invención se caracterizan por las reivindicaciones subordinadas 5 a 10.

A continuación, el vehículo espacial según la invención con un depósito de combustible se describe en detalle con la ayuda de un ejemplo de realización representado en el dibujo. Muestran:

la figura 1 un detalle de un depósito de combustible LH2 con un dispositivo de extracción,

la figura 2 un dispositivo de extracción según la figura 1, visto desde arriba y en sección en la zona del adaptador de tamiz,

la figura 3 un detalle de un dispositivo de extracción según las figuras 1 y 2 en una representación tridimensional y

la figura 4 un detalle del tubo de salida dentro del dispositivo de extracción según las figuras 1 a 3, que está realizado como llamado tubo de calor.

En el depósito de combustible representado en sección parcial en la figura 1 se trata de un depósito para el alojamiento y el almacenamiento de un combustible criogénico como elemento parcial de un depósito toroidal, como el que en forma similar constituye por ejemplo la... [Seguir leyendo]

1. Vehículo espacial con un depósito de combustible para almacenar líquidos criogénicos para el funcionamiento del vehículo espacial y con un gas propelente que sirve de medio transportador, con al menos un dispositivo de extracción en forma de un recipiente de reserva (2) rellenable y con una separación del combustible del gas propelente por la tensión superficial y por las fuerzas hidráulicas originadas, caracterizado porque como pared del depósito de combustible están dispuestos dos semicoquillas (1, 1') que están unidas entre ellas formando un recipiente de alojamiento (7) toroidal, y porque el dispositivo de extracción está dispuesto como recipiente de reserva (2) en la zona inferior en el lado exterior de la pared de depósito como semicoquilla (1') , y porque en la semicoquilla (1') están previstos taladros (12, 13) para la comunicación con el recipiente de reserva (2) .

2. Vehículo espacial según la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente de reserva (2) está realizado con doble pared y con aislamiento por vacío.

3. Vehículo espacial según la reivindicación 2, caracterizado porque, en la zona de vacío, el recipiente de reserva (2) está aislado adicionalmente por una lámina aislante multicapas.

4. Vehículo espacial según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el recipiente de reserva (2) está aislado hacia fuera por medio de espuma aislante (9) .

5. Vehículo espacial según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en el recipiente de reserva (2) está prevista una chapa (6) cónica que tiene aproximadamente forma de L y en cuyo ángulo está dispuesta una chapa (11) recortada a modo de un recorte de cilindro.

6. Vehículo espacial según la reivindicación 5, caracterizado porque las chapas (6, 11) están provistas de agujeros.

7. Vehículo espacial según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque un tamiz (3) cilíndrico y plisado está fijado a la chapa (6) en forma de L mediante placas finales a la derecha y la izquierda, y adicionalmente en la zona de un tubo de salida (4) .

8. Vehículo espacial según la reivindicación 5, caracterizado porque varias chapas (5) están dispuestas cónicamente en la chapa (6) en forma de L, no presentando éstas ningún contacto con la pared de depósito (1) .

9. Vehículo espacial según la reivindicación 6, caracterizado porque están previstos puntos de sujeción

(14) para la fijación de las chapas (6, 11) a una distancia máxima del tamiz (3) que funciona como punto de extracción.

10. Vehículo espacial según la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo de salida (4) está realizado como tubo de calor en su zona que se extiende por el interior del recipiente de reserva (2) y está provisto de ranuras longitudinales en su superficie exterior.