Problèmes liés au stockage des propergols pour les missions spatiales

Au-delà du besoin évident de prévenir les fuites et les explosions, l'environnement spatial et le numéro 8212;caractérisés par la microgravité, le cycle thermique extrême et les rayonnements élevés; et le numéro 8212;demande des solutions bien au-delà du réservoir terrestre.Les propulseurs cryogéniques les plus courants et le numéro 8212;l'hydrogène liquide (LH2), l'oxygène liquide (LOX) et le méthane liquide (LCH4) et le numéro 8212;ont des points d'ébullition faibles et sont sujets à des pertes d'ébullition, ce qui peut rendre un vaisseau spatial incapable de mener à bien sa mission s'il n'est pas géré avec soin.

Microgravité Fluide de gestion

En microgravité, les propergols liquides ne se déposent pas au fond d'un réservoir comme ils le feraient sur Terre. Au contraire, la tension de surface domine, créant des distributions de fluides imprévisibles qui peuvent évacuer les moteurs de propergol ou causer des instabilités induites par le slosh. Les ingénieurs ont développé des vessies d'expulsion positive, des réservoirs à diaphragme et des systèmes de décantation rotatifs ou centrifuges pour maintenir une interface liquide-vapor stable.

Gestion thermique et débourrement

Même avec l'isolation passive multicouches (MLI), les fuites de chaleur dues au rayonnement solaire et à l'électronique spatiale provoquent la vaporisation des cryogènes. Un réservoir LH2 typique perd de 1 à 3 % de sa masse par jour en raison de l'ébullition en orbite terrestre basse. Des systèmes de refroidissement actif entraînés par des cryocoolateurs mécaniques ou des dispositifs thermoélectriques peuvent intercepter la chaleur avant qu'elle n'atteigne le propulseur.

Dommages radiologiques et dégradation des propergols

Les rayons cosmiques et les particules solaires énergétiques peuvent décomposer les hydrocarbures complexes dans les propulseurs hypergoliques storables (p. ex., l'hydrazine, le MON) et peuvent induire une décomposition radiolytique dans les fluides cryogéniques. Bien que l'effet sur les propulseurs LH2 et LOX soit minime, les propulseurs storables utilisés pour les propulseurs et les atterrisseurs peuvent souffrir de changements de production de gaz et de viscosité.

Technologies innovantes de stockage

Les progrès récents dans les domaines de la science des matériaux, de l'ingénierie thermique et de la dynamique des fluides permettent des solutions de stockage de propergols jugées peu pratiques il y a une décennie.

Systèmes de gestion cryogénique des fluides (CFM)

NASA=2 Le programme de gestion des fluides éryogènes est un système intégré novateur qui combine l'isolation, le refroidissement actif, le contrôle de la pression et le transfert de propergol en microgravité. Une percée majeure est le développement d'un système de ventilation thermodynamique (TVS) qui libère de petites quantités de propergol gazeux pour contrôler la pression du réservoir sans gaspiller le liquide.

Réservoirs cryogéniques à dépérissement zéro

La technologie ZBO utilise un cryocooler pour extraire la chaleur du propergol à une vitesse égale ou supérieure à la fuite de chaleur, en maintenant le liquide à température et pression constante. Résultat : aucun propergol n'est évacué dans l'espace. Le plus grand système ZBO testé jusqu'à présent est le concept MegaFlex Cryo, qui a démontré un refroidissement de 20 kW pour un dépôt de propergol.

Réservoirs composites avancés

Les réservoirs cryogéniques composites (COPV) sont depuis longtemps utilisés pour le stockage de gaz à haute pression (p. ex., hélium pour la pressurisation des réservoirs).Les réservoirs cryogéniques composites sont maintenant qualifiés pour les propulseurs liquides. SpaceX=1 s Starship utilise une structure en acier inoxydable, mais de nombreuses études montrent que les réservoirs de polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) réduiraient la masse de 30 à 40 % par rapport aux alliages aluminium-lithium. Le programme Cryocharte de l'airbus utilise une doublure en thermoplastique pour empêcher les microcraquages du cycle thermique, tandis que NASA=2 Cryocharte de l'air a réussi à tester la pression d'un réservoir de 5,5 mètres de diamètre à des températures cryogéniques.

Gestion des propergols magnétiques et électrostatiques

En microgravité, la lévitation magnétique peut positionner le propulseur sans contact mécanique. L'oxygène liquide est paramagnétique, de sorte que les aimants supraconducteurs puissants peuvent piéger et contrôler les gouttelettes ou bulles LOX. Pour les fluides isolants électriques (LH2, LCH4), les champs électrostatiques peuvent induire la polarisation et créer des forces diélectrophorétiques.

Dépôts de propulseurs et ravitaillement en orbite

Au lieu de lancer tout propulseur de la Terre, les dépôts orbitaux pourraient ravitailler les engins spatiaux après avoir atteint l'orbite, réduire considérablement la masse de lancement et permettre des missions à haute vitesse.

Missions de démonstration

NASA-Rapid (Architecture de ravitaillement pour la démonstration en orbite de propergol) développe un petit satellite pour démontrer le transfert de propergols cryogéniques en microgravité. L'architecture SpaceX Starship dépend du ravitaillement en orbite : une variante de pétrolier transférera jusqu'à 100 tonnes d'oxygène liquide et de méthane à un vaisseau Star sortant avant qu'il ne parte vers Mars. Pour y parvenir, il faut résoudre non seulement le stockage, mais aussi le transfert de fluide avec une perte et une contamination minimales.

Gestion de la chaleur pendant le transfert

Les recherches récentes utilisent une combinaison de systèmes sans pompe alimentés par pression et de refroidissement actif du réservoir récepteur pour empêcher la vaporisation éclair. Les barres de pulvérisation et les injecteurs conditionnent le fluide entrant pour éviter les chocs thermiques. Le NASA Glenn Research Center a démontré qu'une ligne de transfert soigneusement conçue avec une buse spécialement façonnée peut réduire l'ébullition pendant le transfert à moins de 2% du volume total.

Stockage de propergols in situ sur la Lune et Mars

Sur la Lune, les dépôts d'eau des pôles peuvent être électrolysés en hydrogène et en oxygène; sur Mars, l'atmosphère fournit du dioxyde de carbone qui peut être converti en méthane et en oxygène. Le stockage de ces propergols à la surface pose des défis uniques en raison de la poussière, des températures extrêmes et de la faible gravité.

Stockage des propergols lunaires

La surface lunaire connaît 14 périodes de nuit d'une journée terrestre avec des températures aussi basses que -180°C. Le contrôle thermique passif est difficile, de sorte que des cryocoolers actifs seront nécessaires pour empêcher l'ébullition des LOX et LH2. Un concept innovant utilise le régolith comme masse thermique : enterrer des réservoirs sous plusieurs mètres de sol lunaire les isole et réduit la puissance de refroidissement requise par ordre de grandeur.

Stockage des propergols Mars

L'atmosphère martienne (95 % CO2) peut être transformée par électrolyse à l'oxyde solide pour produire de l'oxygène et du monoxyde de carbone. Cependant, le stockage de l'oxygène liquide et du méthane à la pression ambiante de Mars (environ 6 mbar) nécessite des réservoirs qui peuvent résister à une importante différence de pression tout en minimisant la masse.

Orientations futures et priorités de recherche

Alors que les agences spatiales et les entreprises privées s'orientent vers des opérations durables au-delà de l'orbite terrestre, la technologie de stockage des propergols continuera d'évoluer.

  • Cryomoolateurs supraconducteurs à haute température qui fonctionnent à 77 K ou plus, réduisant la puissance nécessaire pour les systèmes ZBO.
  • Citernes composites auto-guérisantes avec microcapsules intégrées qui réparent les micro-criques causées par le cycle thermique.
  • Gestion autonome des fluides AI qui prédit le slosh propulsif et règle la pression du réservoir en temps réel à l'aide de tableaux de capteurs.
  • Détection de fuites à base de laser qui peut identifier les fuites de trous de goupille dans les parois des réservoirs ou les soudures à partir de mètres.
  • Structures multifonctionnelles qui combinent les parois des réservoirs avec des panneaux radiateurs et des boucliers thermiques pour économiser de la masse.

Ces innovations seront essentielles non seulement pour les missions en équipage sur la Lune et sur Mars, mais aussi pour l'exploration robotique du système solaire externe, où les durées de stockage des propergols s'étendront sur des années plutôt que sur des mois.

Conclusion

Les progrès dans les technologies de stockage des propergols décrits ici transforment la vision des missions spatiales à long terme en une réalité technique. Des réservoirs cryogéniques à débourrement zéro aux récipients à pression composites et à la gestion des fluides magnétiques, chaque percée porte sur un mode de défaillance spécifique qui a historiquement une durée de mission limitée. Combinés avec les systèmes de ravitaillement en orbite et ISRU, ces technologies permettront aux engins spatiaux de transporter le propergol nécessaire pour des voyages aller-retour vers Mars, d'établir des dépôts lunaires permanents et de s'aventurer éventuellement sur les planètes extérieures.