Comportement thermodynamique de réservoirs d’ergols cryogéniques : Étude expérimentale et théorique d’un système de contrôle pour des missions spatiales de longue durée
Les travaux de thèse ont été effectués au LEGI, dans l’Ecole Doctorale I-MEP2 et financés par le CNES et Air Liquide.
Membres du jury
Mme Catherine COLIN, Professeur à l’INP Toulouse, Rapporteur
M. Christophe CORRE, Professeur à l’INP Grenoble, Directeur de thèse
M. Jean-Luc HARION, Professeur à l’Ecole des Mines de Douai, Président
M. Benjamin LEGRAND, Ingénieur au CNES
M. Fabrice LEMOINE, Professeur à l’Université de Lorraine, Rapporteur
M. Fabrice MATHEY, Chef de projet CFD chez Air Liquide
M. Jean-Paul THIBAULT, CR CNRS au LEGI, Directeur de thèse
Résumé
La thèse porte sur l’étude d’un système de contrôle de la pression au sein de réservoirs d’ergols cryogéniques (dihydrogène ou dioxygène) dans le cadre de missions spatiales de longue durée. Ce contrôle est destiné à compenser la montée en pression, associée aux entrées de chaleur dues au défaut d’isolement, tout en minimisant les pertes d’ergol. Le système alternatif étudié, dit de contrôle thermodynamique, repose sur la réinjection d’un spray sous-refroidi grâce à un circuit cryogénique secondaire cryogénique comportant une détente de Joule-Thomson. Nous avons analysé les performances de ce système en développant en parallèle un banc d’essai adapté aux conditions du laboratoire, et un modèle théorique de type 0D, à base de bilans globaux, qui caractérise l’effet du spray sous-refroidi sur l’état thermodynamique de l’ergol. La confrontation des mesures et des calculs a permis de valider l’outil de modélisation numérique. Les caractéristiques du système réel (ensemble des circuits d’injection et de refroidissement) ont ensuite été introduites dans le modèle numérique afin de quantifier de façon réaliste les gains offerts par le système de contrôle thermodynamique, i.e. en prenant en compte la pénalité en masse associée à ces circuits. Des solutions optimales de contrôle de la pression au sein de réservoirs d’ergols cryogéniques lors de missions spatiales de longue durée ont pu ainsi être proposées.
Mots clés : réservoirs spatiaux, ergols cryogéniques, contrôle thermodynamique, expérience, modèle 0D, simulation numérique, dimensionnement optimal