Un peu plus sur la sonde japonaise

L'autre jour, le 7 décembre 2015, la sonde japonaise Akatsuki est entrée héroïquement dans l'orbite de Vénus après l'accident il y a cinq ans. J'ai déjà écrit des notes à ce sujet . Je voudrais compléter l'histoire en racontant l'accident de la mission d'origine.



Avec une masse très modeste d'environ 500 kg au lancement (par exemple, la «Vénus» soviétique avait une masse d'une à cinq tonnes), la sonde Akatsuki transporte 6 instruments scientifiques. Afin d'adapter l'ensemble de la charge de travail scientifique et de laisser de la place aux systèmes de propulsion avec du carburant, des solutions techniques astucieuses ont été appliquées. Et bien sûr - ce sont les Japonais - ils ont utilisé des technologies innovantes avec force et force.

L'une des solutions constructives pour économiser de la masse est une combinaison partielle de systèmes de propulsion de manœuvre et de manœuvre (l'idée elle-même n'est pas nouvelle - des réservoirs de carburant combinés pour les systèmes d'orientation et les manœuvres principales sont utilisés sur les navires Soyouz depuis 1986 - mais pas sur tous les véhicules). Sur la plupart des engins spatiaux, les moteurs d'orientation fonctionnent séparément des moteurs en marche. Dans ce cas, les moteurs d'orientation fonctionnent généralement avec du carburant monocomposant - il s'agit soit de gaz comprimé (l'azote comprimé était souvent utilisé dans le programme spatial de l'URSS), soit d'une substance peu stable chimiquement qui se décompose en libérant de la chaleur sur le catalyseur (du peroxyde d'hydrogène ou des dérivés d'hydrazine sont souvent utilisés). Dans les moteurs en marche, un mélange carburant-comburant est généralement utilisé, car l'efficacité (impulsion spécifique) d'un tel mélange est plus élevée,que le carburant à un composant. Des mélanges de dérivés d'hydrazine avec du tétroxyde d'azote N sont généralement chargés dans des engins spatiaux interplanétaires.₂ O ₄ . Ces deux substances peuvent être stockées longtemps à l'état liquide à des températures élevées et leur mélange s'enflamme spontanément. Ainsi, deux problèmes sont éliminés à la fois - les composants du carburant ne s'ébullent pas pendant le voyage interplanétaire même sans isolation thermique sérieuse, et il n'y a pas non plus besoin de s'inquiéter d'un système d'allumage complexe et potentiellement peu fiable fonctionnant sous vide. Les concepteurs de "Akatsuki" ont décidé d'utiliser le même carburant - l'hydrazine - du même réservoir dans un système d'orientation mono-carburant et dans un moteur en marche utilisant un carburant à deux composants. Cette décision a permis de sauvegarder l'appareil.

Une technologie innovante a été la fabrication d'une buse de moteur en céramique résistant à la chaleur - nitrure de silicium Si ₃ N ₄ . , , «» , , , (. .)



FC — «Film Cooling», .

Le carburant et l'oxydant sont fournis au moteur en augmentant les réservoirs. Cela signifie qu'un réservoir auxiliaire de gaz comprimé (dans ce cas, l'hélium) est connecté aux réservoirs par des soupapes spéciales, dont la pression crée un écoulement de fluide dans le moteur et empêche le reflux (qui se produit en raison de la haute pression pendant la combustion). Le degré d'ouverture des soupapes est contrôlé par l'ordinateur de bord afin que les débits de carburant et d'oxydant soient maintenus constants pendant le fonctionnement du moteur.

Ainsi, le 7 décembre 2010, le moteur de la sonde de marche avec une buse en céramique unique devait s'allumer et fonctionner pendant 12 minutes pour entrer dans l'orbite de Vénus. Ainsi, la sonde a perdu le contact avec la Terre (comme prévu, la manœuvre était programmée pour le moment où l'appareil a été fermé par Vénus) et a mis le moteur en marche. Quand il n'est pas entré en contact avec la Terre à l'heure prévue, ils ont été alarmés par le MCC. Lorsqu'il a été possible de se reconnecter et de recevoir la télémétrie, les raisons du refus sont rapidement devenues claires.



Voici un graphique de l'accélération de l'appareil pendant le fonctionnement du moteur. Une chose est immédiatement apparente: à poussée constante, l'accélération devrait augmenter, car la masse de l'appareil diminue avec l'épuisement du combustible. Ils ont rapidement réalisé que l'écoulement de l'un des composants du carburant était perturbé, ce qui entraînait une diminution de la traction.

À savoir, le débit de carburant a commencé à diminuer. Cela était dû à la corrosion de la soupape de suralimentation due à la vapeur d'hydrazine. Le bouchon de sel a empêché la vanne de s'ouvrir complètement, ce qui a entraîné une diminution de la pression dans le réservoir de carburant lorsque le carburant l'a quitté. Ainsi, le carburant a également coulé dans la chambre de combustion de plus en plus lentement, ce qui a fait chuter le tirage. Mais la baisse de traction n'est pas effrayante en soi, en tout cas l'automatisation n'est programmée pour arrêter le moteur qu'après avoir reçu un incrément de vitesse donné. À faible poussée, la manœuvre ne prendrait que plus de temps. Le problème était que le mélange combustible a cessé d'être enrichi en carburant, ce qui signifie que le refroidissement des murs avec de l'hydrazine non brûlée a cessé de fonctionner. Après 152 secondes, quelque chose est arrivé au moteur qui a réduit de moitié la poussée.

La télémétrie des capteurs de vitesse angulaire a montré que c'est exactement à ce moment que l'appareil a commencé à se tordre, ce qui indique l'asymétrie de traction. Ainsi, la poussée tombe et une composante latérale y apparaît. Qu'est-ce qui aurait pu arriver? De toute évidence, une partie du jet stream frappe sur le côté. Si la buse était en métal, alors très probablement un burnout aurait lieu - une partie du courant de jet serait assommée sur le côté à travers un petit trou brûlé. Mais c'était une céramique de haute technologie, qui s'est immédiatement détachée en un grand morceau.



À gauche, la buse d'une personne en bonne santé dans l' appareil, à droite, une buse ébréchée.

Lorsque la vitesse de rotation a atteint une valeur critique de 12 degrés par seconde, l'automatisation à bord s'est finalement rendu compte que «quelque chose s'était mal passé» et a éteint le moteur.En conséquence, la sonde a suivi la trajectoire de vol autour de Vénus au lieu d'entrer en orbite.

Dans les essais au sol, il a été possible de reproduire à la fois la diminution de la poussée lorsque l'alimentation en gaz d'appoint a été coupée, et la buse a été chauffée et cassée lors des travaux avec épuisement du carburant. On ne savait toujours pas quelle était l'ampleur des dégâts. Si un petit morceau se cassait, à l'approche suivante, il était possible d'entrer en orbite en quelques courts démarrages du moteur, après chaque parade de la rotation des moteurs d'orientation (rappelez-vous le «Chemin de l'Amalthée» de Strugatsky). Malheureusement, un essai de démarrage du moteur a montré une poussée de seulement 10% de la valeur nominale, ce qui ne signifiait qu'une chose: la buse était complètement tombée. Néanmoins, la balistique a réussi à trouver une issue - en orientant l'appareil dans la bonne direction et en vidangeant le comburant, qui est devenu du ballast, une augmentation de la vitesse a été obtenue, puis la manœuvre a été menée à son terme par des moteurs d'orientation. Cela a permis à cinq ans de se rapprocher de nouveau de l'objectif.Ensuite, l'hydrazine restante a été utilisée comme carburant à un composant pour les moteurs d'orientation, et l'Akatsuki a réussi à entrer en orbite, bien que pas tout à fait celui qui était initialement prévu.

En conséquence, il est incroyablement agréable qu'un salut miraculeux de plus du vaisseau spatial soit devenu plus, et nous apprenons un peu plus de nouveau sur l'univers. Cette fois, heureusement, la sonde sera en mesure de remplir presque complètement le programme initialement conçu, et il y a également une chance d'explorer Vénus avec de nouvelles caméras IR et UV non seulement de près, mais aussi de loin - cela peut donner les résultats les plus inattendus. Espérons que la technologie scientifique n'échouera pas, et l'équipe de "Akatsuki" attend de nombreuses nouvelles découvertes.

Matériel et photos extraits de l'article http://www.thespacereview.com/article/2822/1 .
Je remercie Shubinpavel de tout mon cœur pour un merveilleux livre , dont j'ai appris le plan de la «deuxième tentative» deux jours avant.