🎸 👩🏿‍💻 🎰 Moteurs enflammés et à glace des satellites 🦓 ♋️ 🧙🏻

Salut avec toi lozgadans le rôle quelque peu inhabituel de l'auteur d'un blog d'entreprise. En janvier, les Olympiades sur la sécurité des astéroïdes ont eu lieu au point d'ébullition de Tcheliabinsk , au cours de laquelle Valery Bogdanov et Ruslan Peshkov, constructeurs de satellites et enseignants de l'Université d'État de l'Oural du Sud, ont donné une conférence aux écoliers sur les moteurs des engins spatiaux. Ce matériel est un traitement détaillé de la conférence et de ma conversation avec eux.

Moteur d'orientation méthane-oxygène, NASA Photo / John H. Glenn Research Center

Richesse de choix

La première preuve écrite de la création de fusées remonte au 13e siècle. Quatre siècles plus tard, grâce à Newton, l'humanité a compris comment ils fonctionnaient. Astuce: la fusée ne "pousse" pas - dans le vide, il n'y a rien à repousser, mais elle accélère dans une direction en raison de la libération de la substance dans la direction opposée. Et au 20ème siècle, les gens, en créant des satellites, ont trouvé de nombreuses options pour leur mouvement, et il y a même ceux qui ne fonctionnent pas sur l'éjection de masse. Les principaux types de moteurs satellites peuvent être classés comme suit:

Comme cela arrive souvent, dans notre monde, il n'y a pas de moteur «idéal» dans tous les cas, et la tâche de «choisir un moteur pour un vaisseau spatial» peut avoir de nombreuses conditions différentes, rendant certaines options inacceptables ou inefficaces. Et pour pouvoir comparer quoi que ce soit, nous devons d'abord trouver les critères selon lesquels nous comparerons. Pour les moteurs, on peut distinguer l'impulsion et la poussée spécifiques.

Impulsion spécifique- une mesure de l'efficacité du moteur. Par définition, c'est le temps pendant lequel le moteur peut développer une traction en dépensant 1 kg de carburant. Si nous mesurons la poussée du moteur en kilogrammes (plus précisément, la force de kilogramme), alors l'impulsion spécifique sera mesurée en secondes, et si la poussée est mesurée en newtons, alors l'unité de mesure sera d'un mètre par seconde. Des secondes aux mètres par seconde et vice versa, l'impulsion spécifique peut être calculée en multipliant ou en divisant par l'accélération de la gravité. La signification du changement en mètres par seconde peut être plus facilement comprise si elle est représentée comme la vitesse de la substance s'écoulant du moteur à la sortie de la tuyère. Évidemment, plus l'impulsion spécifique est grande, plus le moteur sera efficace.

Poussée, en fait, est un paramètre de service ou même une limitation. Les moteurs très efficaces, qui, cependant, développent un peu de traction, ne peuvent pas être appliqués dans une situation où vous devez effectuer une manœuvre qui nécessite un grand changement de vitesse et ne peut pas être étirée dans le temps (ou divisée en plusieurs démarrages de moteur).

La combinaison des deux valeurs nous permet de construire un graphique des moteurs les plus appropriés dans chaque cas.

Source: Systèmes de contrôle réactifs pour engins spatiaux, Belyaev N.M., Belik N.P., Uvarov E.I. - M.: Génie mécanique, 1979.

Moteurs à gaz froid

Si vous étiez intéressé par l'histoire de l'astronautique, alors vous savez que les moteurs à gaz orientaient les "Moon-3" et "East" de Gagarine. Maintenant que les satellites abandonnent les moteurs chimiques et passent à l'électro-réactivité, les moteurs à gaz peuvent sembler archaïques en raison d'une faible traction et d'une faible impulsion spécifique, mais ce n'est pas le cas. Jusqu'à présent, les conceptions sont envoyées dans l'espace que les moteurs apparemment obsolètes sont meilleurs que les autres. Tout d'abord, le gaz comprimé n'est pas toxique et est parfait pour les fusées des astronautes - une éventuelle fuite n'empoisonnera pas l'équipage, et l'échappement installé sur la combinaison ne devra pas être désactivé.

Bruce McCandless teste l'installation MMU en 1984, photo de la NASA

La conception d'un système de propulsion à gaz froid est simple et fiable, sauf pour les bouteilles, les électrovannes et les pipelines, considérez que rien n'est nécessaire. Si vous avez suffisamment de petites réserves de vitesse caractéristique (delta-V), cette conception sera plus facile que des alternatives plus complexes. Les moteurs à gaz d'orientation ont une excellente dynamique - les soupapes sont très rapides (temps de réaction jusqu'à 20 millisecondes) et n'ont pas besoin, par exemple, d'un chauffage préalable du catalyseur. En raison de ces avantages, ils sont parfaitement adaptés aux systèmes d'orientation précis à faible poussée, par conséquent, par exemple, le télescope Gaia a volé avec des moteurs d'orientation à gaz. Le LISA Pathfinderfaites pour tester la possibilité que l'observatoire gravitationnel travaille dans l'espace et a besoin d'un mouvement très précis, deux options de moteur - gaz froid et électrique avec émission de champ, en vol, elles ont été testées avec succès ensemble et séparément.

Le schéma du moteur sur le gaz froid. Le rouge est la région de la haute pression de gaz, le bleu est la région de la basse.

Mais, bien sûr, vous ne pouvez pas obtenir beaucoup de poussée ou un grand changement de vitesse sur les moteurs à gaz - l'impulsion spécifique de l'azote comprimé n'est pas supérieure à 80 secondes, de plus, elle chute avec une pression décroissante dans le réservoir. L'hydrogène comprimé a une impulsion spécifique de plus de 270 secondes, mais en raison de la faible densité, la poussée est irrationnellement faible.

Moteurs de sublimation

Dans le diagramme dans le coin inférieur gauche, il y a des substances sublimantes agissant comme un fluide de travail. Autrement dit, un corps solide se trouve dans le réservoir qui, lorsqu'il est chauffé, passe immédiatement dans le gaz, contournant l'état liquide. Dans la vie de tous les jours, vous pourriez rencontrer de la «glace sèche» - du dioxyde de carbone congelé à l'état solide. Du fait que les moteurs à gaz comprimé peuvent offrir une poussée importante et une impulsion spécifique, ils ont en fait supplanté les moteurs à sublimation. Mais le concept n'est pas du tout abandonné - les recherches de la NASA, effectuées au début des dixièmes, considèrent ces moteurs comme prometteurs, à condition que le fluide de travail soit extrait sur place. Glace de dioxyde de carbone sur Mars, méthane et monoxyde de carbone dans le système solaire externe, substances volatiles des astéroïdes et des comètes - tout cela peut théoriquement être utilisé comme carburant produit localement.

Le concept d'un appareil déviant une comète d'un parcours dangereux et utilisant les ressources locales comme fluide de travail, illustration de la NASA

Moteurs monocomposants

Ce n'est pas un incendie à bord, mais une décharge régulière de peroxyde d'hydrogène utilisé dans le système d'orientation, atterrissage de Soyouz MS-02, photo de la NASA / Bill Ingals

Il existe des substances qui se décomposent dans certaines conditions avec dégagement de chaleur, et les produits de décomposition conviennent bien pour pour les diriger dans la buse Laval et obtenir une traction. La conception est toujours simple, il n'y a qu'une seule ligne d'alimentation en carburant, il n'y a pas de problèmes de mélange des composants dans la chambre de combustion, les températures ne nécessitent pas de refroidissement complexe, mais l'impulsion spécifique est déjà plus élevée que celle des moteurs à gaz froid.

Diagramme du moteur à un composant

Capacité de peroxyde d'hydrogène concentrédécomposé sur un simple catalyseur de fer en eau et en oxygène avec un dégagement de chaleur abondant en a fait un type populaire de carburant monocomposant même à l'aube de l'exploration spatiale - la turbopompe des moteurs des premier et deuxième étages des fusées de la famille R-7 depuis 1957 et travaille toujours sur la décomposition du peroxyde . Les moteurs d'orientation des premières versions du vaisseau spatial Soyouz y ont travaillé, et jusqu'à présent, il a été utilisé pour orienter le véhicule de descente. Le peroxyde concentré n'est pas toxique, mais provoque des brûlures s'il entre en contact avec la peau et est explosif si les lignes sont contaminées. Et pourtant, cela ne fonctionnera pas avant des années et des décennies. L'impulsion spécifique est relativement faible, de l'ordre de 150 secondes. En raison des deux dernières propriétés, le peroxyde est rarement utilisé actuellement.

Moteur de traction hydrazine 1 Newton, fabriquéL'

hydrazine arianespace se décompose en présence d'un catalyseur chauffé à 200-300 ° C. En raison du besoin de préchauffage, la dynamique du moteur diminue, l'hydrazine est très toxique, mais, grâce à l' impulsion spécifique la plus élevée de 230-240 secondes et la possibilité de stockage à long terme, elle reste une option populaire pour un moteur monocomposant.

L'oxyde nitreux est également décomposable en présence d'un catalyseur, mais à des températures plus élevées, ce qui complique la conception du moteur. Mais c'est bon car il n'est pas toxique, ne s'étouffe pas, ne provoque pas de brûlures, n'est pas explosif, ne provoque pas de corrosion et peut être stocké très longtemps. À l' Université de Stanford ont étédes moteurs testés avec succès pour l'oxyde nitreux avec une poussée jusqu'à 2 Newtons, fonctionnant sans détruire le catalyseur pendant plus d'une heure à des températures allant jusqu'à 1225 ° C. La température de fonctionnement peut être encore plus basse, un article de l' Université de Surrey (Grande-Bretagne) a montré qu'à une température de 520 ° C l'oxyde nitreux se décompose sans catalyseurs, ce qui permet la création de moteurs à décomposition auto-entretenue. Malheureusement, l'impulsion spécifique de protoxyde d'azote est faible, jusqu'à 170 secondes.

Chambre catalytique expérimentale d'oxyde nitreux, Stanford University Photo

La toxicité de l'hydrazine conduit à étudier des options plus exotiques, par exemple le dinitramide d'ammonium (ADN) ou le nitrate d'hydroxylammonium (HAN). Ayant une impulsion spécifique même légèrement plus grande que celle de l'hydrazine, ces composés chimiques sont beaucoup moins toxiques, mais nécessitent des températures élevées dans la chambre catalytique.

Hydrazine classique

Le vaisseau spatial devrait fonctionner pendant une longue période, de sorte que son carburant devrait pouvoir être stocké pendant des années. Et si vous avez besoin de beaucoup de traction et d'une impulsion spécifique suffisamment grande, alors l'option la plus développée et la plus familière sera un moteur à deux composants basé sur la diméthylhydrazine asymétrique (en option, la monométhylhydrazine ou des mélanges avec de l'hydrazine, dite aérosine) et du diazotétroxyde.

Essais d'un moteur à orientation de poussée de 200 N dans une chambre de pression, photo par Arianespace

Cette vapeur de carburant présente de nombreux avantages - le carburant est à l'état liquide à température ambiante, stocké pendant des années, auto-inflammable au contact, c'est-à-dire qu'il n'a pas besoin de systèmes d'allumage, a une bonne dynamique et une bonne impulsion spécifique dans la région de 320 secondes. Mais, bien sûr, non sans inconvénients. Les deux composants sont très toxiques, provoquent de la corrosion et nécessitent des matériaux spéciaux. Et, comme il y a maintenant deux composants, nous avons maintenant deux réservoirs, deux systèmes d'alimentation, c'est-à-dire une probabilité de défaillance deux fois plus élevée, et un système de mélange des composants dans la chambre de combustion apparaît. Par exemple, en 2010, la sonde Akatsuki n'a pas pu entrer dans l'orbite de Vénus en raison d'une défaillance de la soupape de suralimentation. En conséquence, un excès d'agent oxydant est apparu dans le mélange, la température de la chambre de combustion et de la buse a augmenté et ils ont été irrémédiablement endommagés.L'appareil n'a pu pénétrer dans l'orbite de Vénus que cinq ans plus tard, après avoir effectué une très longue manoeuvre de freinage sur des moteurs d'orientation mono-composant.

Schéma du système de propulsion de la sonde Akatsuki, source

En raison de la combinaison d'une poussée élevée et d'une impulsion spécifique élevée, les moteurs de cette paire de carburant sont pratiquement incontestés pour les engins spatiaux habités et les camions de ravitaillement ISS. Jusqu'à récemment, ils étaient également un classique familier pour les missions interplanétaires et les satellites géostationnaires, mais maintenant, dans ces domaines, ils sont encombrés de moteurs de propulsion électrique.

Alternatives

Les difficultés de travailler avec des composants cryogéniques n'ont pas arrêté les concepteurs. Un exemple unique de moteurs utilisant des composants non toxiques est le système de propulsion combiné de Buran, qui utilisait de l'oxygène liquide et du kérosène. L'utilisation de cette paire de combustibles a donné un excellent rapport de puissance (impulsion spécifique dans la région de 358 secondes, supérieure à UDMH + AT), des composants non toxiques ont rendu le fonctionnement du navire plus sûr et plus respectueux de l'environnement, et ont également permis l'utilisation d'oxygène pour l'alimentation et les systèmes de survie.

ODU "Burana", un grand réservoir d'oxygène liquide est clairement visible, source

Solutions techniques spéciales: un refroidissement profond de l'oxygène à -210 ° C avant le ravitaillement, une agitation constante dans le réservoir et une gazéification avant d'être alimenté aux moteurs d'orientation ont permis de créer un système de propulsion pouvant assurer un vol jusqu'à 30 jours.

Et au milieu des années 2000, la NASA envisageait une paire de carburant méthane-oxygène pour le module lunaire et le vaisseau spatial habité. Le méthane est beaucoup plus facile à stocker sous forme liquide que l'hydrogène, et l'impulsion spécifique est supérieure à celle de l'UDMH-AT. Le navire, qui est devenu l'Orion, a finalement reçu des moteurs à hydrazine. Mais l'idée des moteurs au méthane ne disparaîtra nulle part, car pour les moteurs fonctionnant sur des ressources collectées localement, le méthane reste une option intéressante.

L'avenir électrique

2020, par soumissiond'experts, devrait être l'année où la moitié des nouveaux satellites commerciaux utiliseront des moteurs à propulsion électrique. Étant donné que ce sont ceux des satellites Starlink et OneWeb lancés massivement, cette estimation semble désormais prudente. Le satellite géostationnaire sur UDMH + AT atteindra l'orbite cible dans un maximum d'une semaine, mais la moitié de sa masse initiale sera du carburant. Et sur les moteurs électriques, l'orbite prendra jusqu'à six mois, mais le satellite sera 40% plus léger. Les grands panneaux solaires installés pour les répéteurs haute puissance se combinent à merveille avec les moteurs à réaction électriques. Une attaque électrique similaire se produit dans le camp des appareils scientifiques - la sonde Dawn qui a démarré en 2007 avait une réserve record de vitesse caractéristique, 11 km / s, inaccessible pour les moteurs chimiques.Tous ces résultats remarquables sont possibles du fait que l'impulsion spécifique des moteurs à réaction électriques est d'un ordre de grandeur supérieur à celui des moteurs chimiques et pour différents modèles se situe dans une large plage de plusieurs milliers de secondes. Mais, bien sûr, tout a un prix - la poussée des moteurs à réaction électriques est mesurée en millinewtons, et elle peut être représentée au niveau des ménages comme le poids d'une petite pièce.

Deux types de moteurs à électro-jet sont les plus courants:

les moteurs ioniques ionisent le gaz par bombardement électronique et émettent les ions résultants dans un champ électrique.

Dans une conception à effet Hall , également souvent appelée moteur à plasma, le fluide de travail est introduit dans une chambre annulaire à laquelle une différence de potentiel est appliquée. Le gaz neutre est ionisé et accéléré par un champ électrique, éjecté du moteur à grande vitesse.

Les moteurs ioniques ont une impulsion spécifique plus grande, mais souffrent jusqu'à présent de problèmes de durabilité: de la grande différence de potentiel entre les réseaux d'accélération et de focalisation et l'érosion avec le temps, le réseau éclate. Aujourd'hui, les moteurs à effet Hall présentent un certain nombre d'avantages opérationnels.

Il existe également des options moins courantes. Par exemple, un électrothermique, c'est aussi un moteur de chauffage électrique dans lequel le carburant est accéléré par chauffage au courant électrique. Sur les satellites Iridium de la première génération (98 pièces au total ont été construites) , sept moteurs monocomposants d'une poussée de 1 Newton et un moteur de chauffage électrique plus efficace d'une poussée de 0,369 N. ont été installés . Tous les moteurs étaient alimentés par un réservoir avec de l'hydrazine.

Production de moteurs de chauffage électrique

Les moteurs de propulsion Aerojet Rocketdyne Electric sont un sujet prometteur, et où vous pouvez vous passer de beaucoup de poussée du moteur, il y en aura plus. Et lorsque, enfin, les réacteurs nucléaires voleront dans l'espace, leurs énormes capacités énergétiques, associées à une impulsion spécifique de propulsion électrique, ouvriront de nouvelles perspectives.

Trop rigide

Les moteurs à propergol solide perdent progressivement en popularité pour les engins spatiaux. La simplicité de conception et la traction élevée ne peuvent pas compenser une seule inclusion et loin d'une impulsion record spécifique - environ 290 secondes. Mais ils avaient un passé glorieux: sur les premiers pionniers, de petits moteurs à semi-conducteurs allaient effectuer des corrections de trajectoire, ils étaient utilisés comme moteurs de frein sur les Mercury et Gemini habités, ils étaient allumés avant les sondes automatiques de Surveyor sur la lune, et pendant longtemps, ils ont été utilisés comme apogées. moteurs, le transfert de satellites à partir d'une orbite géo-transitionnelle proche de géostationnaire.

Diagramme satellite géostationnaire Syncom de première génération, moteur apogée centre-gauche

Exotique

Il est possible de chauffer le fluide de travail non seulement avec de l'électricité. Beaucoup de chaleur est libérée lors d'une réaction nucléaire, et dans les années 50, l'idée d'un moteur à statoréacteur est née. L'hydrogène devait pénétrer dans le cœur du réacteur et être rejeté. L'impulsion spécifique était attendue aux alentours de 900 secondes. Le développement a été réalisé des deux côtés de l'océan, aux États-Unis - NERVA, en URSS - RD-0410, mais finalement ils ont été progressivement supprimés.

Moteur NERVA

Il y avait aussi des conceptions plus exotiques: explosif pulsé, moteurs à base de sels de combustible nucléaire, moteurs nucléaires en phase gazeuse, etc., mais jusqu'à présent ils ne sont pas allés au-delà des diagrammes et dessins.

Il existe des concepts de chauffage plus respectueux de l'environnement, par exemple l'énergie solaire ou les lasers. À la surface de la lune, le régolithe se réchauffe au-dessus de cent degrés pendant la journée, donc le principe de la concentration de la lumière solaire pour chauffer le fluide de travail est réel, mais sans miroirs très légers, il perdra pour la masse totale du système avec un moteur chimique classique.

Concept satellite expérimental du papillon solaire, source

Pour modifier la vitesse, toutes les options ci-dessus ont utilisé la libération de matière dans la direction opposée. Mais il y a des designs qui s'en passent. Les voiles solaires sont les plus célèbres et les plus réussies. Le vaisseau spatial IKAROS lancé à Vénus avec la sonde Akatsuki a lancé une voile de 14x14 mètres le 10 juin 2010. La forme de la voile était supportée par la rotation de l'appareil et l'orientation était contrôlée par des LED sur les bords modifiant la réflectivité. Le satellite expérimental a survolé Vénus avec succès et en 2013, grâce à la voile, il a changé sa vitesse d'environ 400 m / s.

Disposition IKAROS réduite

La lame de voile solaire n'est pas une chose facile, elle doit être ouverte, idéalement sans plis et affaissement, pour assurer la force et la contrôlabilité afin qu'une micrométéorite aléatoire ne devienne pas un désastre pour la mission, ainsi que la durabilité. Il existe une option potentiellement plus fiable et efficace - une voile électrique. Au lieu d'un tissu fragile, de minces broches ou câbles sont ouverts, un canon à électrons est placé sur le satellite, qui éjecte des électrons, c'est pourquoi le satellite lui-même et les câbles acquièrent une charge positive et repoussent les ions du vent solaire. Malheureusement, l'expérimental cubate estonien ESTCube-1 n'a pas pu ouvrir la voile dans l'espace, et le finlandais Aalto-1 était censé ouvrir la voile l'année dernière, mais il n'y a pas de nouvelles à ce sujet.

Principe de fonctionnement de la voile électrique, illustration par Alexandre Szames

Les cordes peuvent être utilisées pour freiner dans le champ magnétique terrestre ou, inversement, utilisées comme moteur. Si nous déroulons un câble conducteur avec un émetteur électronique à la fin, un courant apparaîtra dans le câble et le satellite commencera à ralentir sans consommation de carburant. Et si vous inversez la direction du courant, vous pouvez accélérer. Malheureusement, l'expérience japonaise HTV-KITE a échoué - le câble ne s'est pas déroulé.

Le principe du freinage passif avec un câble conducteur

Après avoir déroulé le câble et déroulé le système résultant, vous pouvez convertir le moment de rotation en vitesse, décrocher la charge à la fin au bon moment. Ainsi, ils sont revenus avec succès (même s'ils ne pouvaient pas trouver plus tard) la capsule Fotino de l'appareil Photon-M3. En théorie, les systèmes de câbles rotatifs peuvent être utilisés pour déplacer des marchandises entre les orbites, mais jusqu'à présent, ces systèmes ne fonctionnent que dans la science-fiction (par exemple, Neil Stevenson, Semieviye).

Position mutuelle de "Photino" et "Photon-M3" lors du déroulement d'un câble

Épilogue

Le XXIe siècle pour les moteurs de satellites promet d’être tout aussi intéressant que le XXe - une abondance de concepts différents promet de nouvelles expériences passionnantes et le développement de moteurs spatiaux dans de nombreuses directions différentes.

Moteurs enflammés et à glace des satellites