TANKYOU : Recherche sur les réservoirs cryogéniques pour la Région Occitanie

Dans le cadre des Aerosat - appel à projets lancé par la Région Occitanie visant à accompagner les initiatives technologiques de l’aéronautique et de la construction de satellites - l’ISAE-SUPAERO a remporté un programme dédié à la dynamique des réservoirs cryogéniques.

Cette opération consacre une coopération exemplaire entre la Région, l’ISAE-SUPAERO et l’Institut Clément Ader, impliquant 2 PME locales : DynaS+, entreprise toulousaine spécialisée en modélisation numérique avancée et Ateca, société Montalbanaise détentrice de nombreux brevets relatifs à l’élaboration de matériaux dynamiques.

Les financements sont attribués par l’État et la Région, et proviennent pour moitié du fonds européen de développement régional (FEDER).

Une des difficultés des réservoirs cryotechniques en général tient au propriétés « exotiques » des fluides embarqués dans les structures, et en particulier de l’hydrogène liquide (LH2, actuel carburant spatial, possible combustible des véhicules du futur).

Le LH2 se conserve à -253°C (isolation draconienne impérative !) et est 14 fois plus léger que l’eau (nécessitant des réservoirs volumineux) et fugace (véritable « passe muraille », il traverse les matériaux et modifie leurs propriétés au passage).

Il est donc extrêmement difficile de réaliser des essais très dynamiques en laboratoire avec de l’hydrogène à bord, sauf si on possède un matériau de substitution. Or des essais sont nécessaires pour valider nos modèles mathématiques des interactions fluide-coques en dynamique (vibroacoustique, choc). On peut prendre une comparaison : le fameux « canon à poulets » utilisé pour tester les structures à l’impact en vol ne projette plus de vrais poulets mais des impacteurs en polymère de synthèse de même rhéologie. De même TANKYOU ambitionne de fournir un matériau de substitution pour les essais de réservoirs cryogéniques.

Les études préliminaires ont montré qu’une voie prometteuse est ouverte par les matériaux granulaires, dont le département DMSM de l’ISAE-SUPAERO est devenu spécialiste (notamment pour les régolithes planétaires).

Cela revient à remplacer le liquide dans le réservoir par un jeu de billes équivalentes, donc schématiquement à étudier le ballottement et les modes vibroacoustiques du poivre dans une poivrière (le LH2 a à peu près la même densité…).

La figure 1 montre par exemple une « vague » schématisée par une circulation de billes en 2D. Mais la poivrière est déformable, et de surcroît à petite échelle (par rapport à un véritable réservoir de lanceur). La théorie des coques dynamiques de Reissner et la similitude de Froude (encore 2 spécialités du DMSM…) ont permis de réaliser le démonstrateur dynamique (figure 2) avec les modèles mathématiques associés, précisément dans le cadre de TANKYOU.

Ce programme se termine fin 2017 et a d’ores et déjà atteint ses objectifs, dans le cadre de publications, modèles numériques et essais. Des techniques numériques et des matériaux granulaires spécifiques ont été développés à cette occasion.