Un poco más sobre la sonda japonesa

El otro día, el 7 de diciembre de 2015, la sonda japonesa Akatsuki entró heroicamente en la órbita de Venus después del accidente hace cinco años. Ya he escrito notas sobre esto . Me gustaría complementar la historia contando sobre el accidente en la misión original.



Con una masa muy modesta de aproximadamente 500 kg en el lanzamiento (por ejemplo, la "Venus" soviética tenía una masa de una a cinco toneladas), la sonda Akatsuki lleva 6 instrumentos científicos. Con el fin de adaptarse a toda la carga de trabajo científica y dejar espacio para los sistemas de propulsión con combustible, se aplicaron astutas soluciones técnicas. Y, por supuesto, estos son los japoneses, utilizaron tecnologías innovadoras con gran poder.

Una de las soluciones constructivas para ahorrar masa es una combinación parcial de sistemas de propulsión de derivación y marcha (la idea en sí misma no es nueva: los tanques de combustible combinados para sistemas de orientación y maniobras principales se han utilizado en los buques Soyuz desde 1986, pero no en todos los vehículos). En la mayoría de las naves espaciales, los motores de orientación funcionan por separado de los motores de marcha. En este caso, los motores de orientación generalmente funcionan con combustible de un solo componente: ya sea gas comprimido (a menudo se usó nitrógeno comprimido en el programa espacial de la URSS) o una sustancia no muy estable químicamente que se descompone con la liberación de calor en el catalizador (a menudo se usan peróxido de hidrógeno o derivados de hidrazina). En los motores de marcha, generalmente se usa una mezcla de combustible-oxidante, ya que la eficiencia (impulso específico) de dicha mezcla es mayor,que el combustible monocomponente. Las mezclas de derivados de hidrazina con tetróxido de nitrógeno N generalmente se cargan en naves espaciales interplanetarias.₂ O ₄ . Ambas sustancias pueden almacenarse durante mucho tiempo en estado líquido a altas temperaturas, y su mezcla se enciende espontáneamente. Por lo tanto, se eliminan dos problemas a la vez: los componentes del combustible no se evaporan durante el viaje interplanetario, incluso sin un aislamiento térmico serio, y tampoco hay necesidad de preocuparse por un sistema de encendido complejo y potencialmente poco confiable que funciona en el vacío. Los diseñadores de "Akatsuki" decidieron usar el mismo combustible, la hidrazina, del mismo tanque en un sistema de orientación monocombustible y en un motor de marcha con un combustible de dos componentes. Esta decisión hizo posible guardar el dispositivo.

Una tecnología innovadora fue la fabricación de una boquilla de motor con cerámica resistente al calor: nitruro de silicio Si ₃ N ₄en lugar de costosas aleaciones de tierras raras. El motor está expuesto a altas cargas térmicas durante el funcionamiento, para enfriar la mezcla de combustible se suministra enriquecida en combustible, se inyecta "exceso" de combustible a lo largo de las paredes, enfría un poco las paredes, se evapora, y la capa de vapor resultante evita que se calienten (ver fig.)



FC es " Enfriamiento de película ”, enfriamiento de película.

El combustible y el oxidante se suministran al motor al aumentar los tanques. Esto significa que un tanque auxiliar con gas comprimido (en este caso, helio) está conectado a los tanques a través de válvulas especiales, cuya presión crea un flujo de fluido hacia el motor y evita el flujo inverso (que ocurre debido a la alta presión durante la combustión). El grado de apertura de la válvula está controlado por la computadora de a bordo para que los flujos de combustible y oxidante se mantengan constantes durante el funcionamiento del motor.

Entonces, el 7 de diciembre de 2010, se suponía que el motor de la sonda de marcha con una boquilla de cerámica única se encendía y funcionaba durante 12 minutos para ingresar a la órbita de Venus. Entonces, la sonda perdió contacto con la Tierra (tal como estaba previsto, la maniobra estaba programada para el momento en que Venus cerró el dispositivo) y encendió el motor. Cuando no se puso en contacto con la Tierra a la hora señalada, se alarmaron en el CCM. Cuando fue posible volver a conectar y recibir telemetría, las razones de la negativa se hicieron claras rápidamente.



Aquí hay un gráfico de la aceleración del aparato durante la operación del motor. Una cosa es evidente de inmediato: con un empuje constante, la aceleración debería aumentar, porque La masa del aparato disminuye con el consumo de combustible. Rápidamente se dieron cuenta de que se interrumpió el flujo de uno de los componentes del combustible, lo que provocó una disminución de la tracción.

A saber, el flujo de combustible comenzó a disminuir. Esto se debió a la corrosión en la válvula de refuerzo del vapor de hidrazina. El tapón de sal evitó que la válvula se abriera por completo, lo que resultó en una disminución de la presión en el tanque de combustible cuando el combustible lo dejó. Por lo tanto, el combustible también fluyó hacia la cámara de combustión cada vez más lentamente, lo que provocó la caída del tiro. Pero la caída de la tracción no da miedo en sí misma, en cualquier caso, la automatización está programada para apagar el motor solo después de recibir un incremento de velocidad dado. Con poco empuje, la maniobra solo tomaría más tiempo. El problema fue que la mezcla combustible dejó de enriquecerse en combustible, lo que significa que el enfriamiento de las paredes con hidrazina no quemada dejó de funcionar. Después de 152 segundos, algo le sucedió al motor que redujo a la mitad el empuje.

La telemetría de los sensores de velocidad angular mostró que exactamente en ese momento el aparato comenzó a girar, lo que indica la asimetría de la tracción. Entonces, el empuje cae y aparece un componente lateral. ¿Lo que podría haber ocurrido? Obviamente, parte de la corriente en chorro golpea a un lado. Si la boquilla fuera de metal, lo más probable es que se produzca un desgaste: parte de la corriente en chorro se golpearía hacia un lado a través de un pequeño agujero quemado. Pero era una cerámica de alta tecnología, que inmediatamente se rompió en una pieza grande.



A la izquierda está la boquilla de una persona sana en el aparato, a la derecha hay una boquilla astillada.

Cuando la velocidad de rotación alcanzó un valor crítico de 12 grados por segundo, la automatización a bordo finalmente se dio cuenta de que "algo salió mal" y apagó el motor, como resultado, la sonda siguió la trayectoria de volar alrededor de Venus en lugar de entrar en órbita.

En las pruebas en tierra, fue posible reproducir tanto una disminución en el empuje cuando se cortó el suministro de gas de refuerzo, como el calentamiento y el astillado de la boquilla cuando se trabajaba con el agotamiento del combustible. Todo lo que no quedó claro fue la extensión del daño. Si una pequeña pieza se rompió, en el siguiente acercamiento fue posible entrar en órbita en unos pocos arranques cortos del motor, después de cada parada de la rotación de los motores de orientación (recuerde el "Camino al Amaltea" de Strugatsky). Desafortunadamente, una prueba de funcionamiento del motor comenzó mostró un empuje de solo el 10% del valor nominal, lo que significaba solo una cosa: la boquilla se cayó por completo. Sin embargo, la balística logró encontrar una salida: al orientar el aparato en la dirección correcta y al drenar el oxidante, que se convirtió en lastre, se obtuvo un aumento en la velocidad, luego la maniobra fue finalizada por los motores de orientación. Esto permitió que cinco años volvieran a acercarse al objetivo.Luego, la hidracina restante se usó como combustible de un solo componente para motores de orientación, y el Akatsuki entró en órbita con éxito, aunque no exactamente el que se planeó originalmente.

Como resultado, es increíblemente agradable que una salvación milagrosa más de la nave espacial se haya vuelto más, y aprendamos un poco más sobre el universo. Esta vez, afortunadamente, la sonda podrá cumplir casi por completo el programa originalmente concebido, y también existe la posibilidad de explorar Venus con nuevas cámaras IR y UV no solo desde cerca, sino también desde una gran distancia, esto puede dar los resultados más inesperados. Esperemos que la tecnología científica no falle, y el equipo de "Akatsuki" está esperando muchos descubrimientos nuevos.

Material e imágenes tomadas del artículo http://www.thespacereview.com/article/2822/1 .
Agradezco a Shubinpavel con todo mi corazón por un libro maravilloso , del que aprendí sobre el plan del "segundo intento" dos días antes.

Source: https://habr.com/ru/post/es387739/