Um pouco mais sobre a sonda japonesa

No outro dia, em 7 de dezembro de 2015, a sonda japonesa Akatsuki entrou heroicamente na órbita de Vênus após o acidente, cinco anos atrás. Eu já escrevi notas sobre isso . Gostaria de complementar a história contando sobre o acidente na missão original.



Com uma massa muito modesta de cerca de 500 kg no lançamento (por exemplo, o "Venus" soviético tinha uma massa de uma a cinco toneladas), a sonda Akatsuki carrega 6 instrumentos científicos. Para ajustar toda a carga de trabalho científica e deixar espaço para os sistemas de propulsão com combustível, foram aplicadas soluções técnicas astutas. E é claro - estes são os japoneses - eles usaram tecnologias inovadoras com poder e principal.

Uma das soluções construtivas para economizar massa é uma combinação parcial de sistemas de propulsão de marcha e marcha (a idéia em si não é nova - tanques de combustível combinados para sistemas de orientação e manobras principais são usados ​​em navios da Soyuz desde 1986 - mas não em todos os veículos). Na maioria das naves espaciais, os motores de orientação operam separadamente dos motores de marcha. Nesse caso, os motores de orientação geralmente funcionam com combustível de componente único - ou é gás comprimido (o nitrogênio comprimido costumava ser usado no programa espacial da URSS) ou uma substância não muito quimicamente estável que se decompõe com a liberação de calor no catalisador (geralmente são usados ​​peróxido de hidrogênio ou derivados de hidrazina). Nos motores de marcha, geralmente é usada uma mistura oxidante de combustível, uma vez que a eficiência (impulso específico) dessa mistura é maior,do que o combustível monocomponente. Misturas de derivados de hidrazina com tetróxido de nitrogênio N são normalmente carregadas em naves interplanetárias.₂ O ₄ . Ambas as substâncias podem ser armazenadas por um longo período em estado líquido a altas temperaturas e sua mistura inflama espontaneamente. Assim, dois problemas são eliminados ao mesmo tempo - os componentes do combustível não desaparecem durante o percurso interplanetário, mesmo sem isolamento térmico sério, e também não há necessidade de se preocupar com um sistema de ignição complexo e potencialmente não confiável operando no vácuo. Os projetistas da "Akatsuki" decidiram usar o mesmo combustível - hidrazina - do mesmo tanque em um sistema de orientação de monocombustível e em um motor de marcha usando um combustível de dois componentes. Esta decisão tornou possível salvar o dispositivo.

Uma tecnologia inovadora foi a fabricação de um bico de motor usando cerâmica resistente ao calor - nitreto de silício Si ₃ N ₄em vez de ligas caras de terras raras. O motor é exposto a altas cargas térmicas durante a operação, para resfriar a mistura de combustível é fornecida enriquecida em combustível, o combustível "excessivo" é injetado ao longo das paredes, esfria um pouco as paredes, evaporando, e a camada de vapor resultante impede que aqueçam (veja a fig.)



FC é " Resfriamento de Filme ”, resfriamento de filme.

Combustível e oxidante são fornecidos ao motor aumentando os tanques. Isso significa que um tanque auxiliar com gás comprimido (neste caso, hélio) é conectado aos tanques através de válvulas especiais, cuja pressão cria um fluxo de fluido no motor e impede o fluxo reverso (que ocorre devido à alta pressão durante a combustão). O grau de abertura da válvula é controlado pelo computador de bordo para que os fluxos de combustível e oxidante sejam mantidos constantes durante a operação do motor.

Assim, em 7 de dezembro de 2010, o mecanismo da sonda de marcha com um bico de cerâmica exclusivo deveria ligar e funcionar por 12 minutos para entrar na órbita de Vênus. Portanto, a sonda perdeu contato com a Terra (conforme planejado, a manobra foi agendada para o horário em que o dispositivo foi fechado por Vênus) e ligou o motor. Quando ele não entrou em contato com a Terra na hora marcada, eles ficaram alarmados no MCC. Quando foi possível reconectar e receber a telemetria, os motivos da recusa rapidamente se tornaram claros.



Aqui está um gráfico da aceleração do aparelho durante a operação do motor. Uma coisa é imediatamente aparente: com impulso constante, a aceleração deve aumentar, porque a massa do aparelho diminui com a queima de combustível. Eles rapidamente perceberam que o fluxo de um dos componentes do combustível foi interrompido, o que causou uma diminuição na tração.

Ou seja, o fluxo de combustível começou a diminuir. Isso ocorreu devido à corrosão na válvula de reforço do vapor de hidrazina. O bujão de sal impediu que a válvula se abrisse completamente, resultando em uma diminuição da pressão no tanque de combustível à medida que o combustível o deixava. Assim, o combustível também fluía para a câmara de combustão cada vez mais devagar, o que causava a queda do calado. Mas a queda na tração não é assustadora por si só; em qualquer caso, a automação é programada para desligar o motor somente após receber um determinado incremento de velocidade. Em baixa pressão, a manobra levaria mais tempo. O problema era que a mistura combustível deixou de ser enriquecida em combustível, o que significa que o resfriamento das paredes com hidrazina não queimada parou de funcionar. Após 152 segundos, algo aconteceu com o motor que reduziu pela metade o impulso.

A telemetria dos sensores de velocidade angular mostrou que exatamente naquele momento o aparelho começou a torcer, o que indica a assimetria da tração. Portanto, o impulso cai e um componente lateral aparece nele. O que pode ter acontecido? Obviamente, parte do jato atinge o lado. Se o bico fosse metálico, provavelmente ocorreria um esgotamento - parte da corrente de jato seria derrubada para o lado através de um pequeno orifício queimado. Mas era uma cerâmica de alta tecnologia, que imediatamente se partiu em um pedaço grande.



À esquerda, o bico de uma pessoa saudável no aparelho, à direita, um bico lascado.

Quando a velocidade de rotação atingiu um valor crítico de 12 graus por segundo, a automação a bordo finalmente percebeu que “algo deu errado” e desligou o motor. Como resultado, a sonda seguiu a trajetória de voar por Vênus em vez de entrar em órbita.

Nos testes de solo, foi possível reproduzir tanto a diminuição do empuxo quando o suprimento de gás para o reforço foi interrompido, como o bico foi aquecido e interrompido ao trabalhar com o esgotamento de combustível. Ainda não está claro qual foi a magnitude do dano. Se um pequeno pedaço se partisse, na próxima abordagem era possível entrar em órbita em algumas partidas curtas do motor, após cada um aparar a rotação dos motores de orientação (lembre-se do “Caminho para a Amalthea” de Strugatsky). Infelizmente, um teste de partida do motor mostrou um empuxo de apenas 10% da nominal, o que significava apenas uma coisa: o bico caiu completamente. No entanto, a balística conseguiu encontrar uma saída - orientando o aparelho na direção certa e drenando o oxidante, que se tornou reator, obteve-se um aumento na velocidade e a manobra foi finalizada pelos motores de orientação. Isso permitiu que cinco anos chegassem novamente perto da meta.Em seguida, a hidrazina restante foi usada como combustível de componente único para os motores de orientação, e a Akatsuki entrou em órbita com sucesso, embora não seja exatamente a que foi originalmente planejada.

Como resultado, é incrivelmente agradável que mais uma salvação milagrosa da espaçonave se torne mais e aprendemos um pouco mais sobre o universo. Desta vez, felizmente, a sonda será capaz de cumprir quase completamente o programa originalmente concebido, e também há uma chance de explorar Venus com novas câmeras de infravermelho e UV, não apenas de perto, mas também de longa distância - isso pode dar os resultados mais inesperados. Vamos torcer para que a tecnologia científica não falhe e a equipe da "Akatsuki" esteja esperando por muitas novas descobertas.

Material e fotos tiradas do artigo http://www.thespacereview.com/article/2822/1 .
Agradeço a Shubinpavel de todo o coração por um livro maravilhoso , do qual aprendi sobre o plano da “segunda tentativa” dois dias antes.

Source: https://habr.com/ru/post/pt387739/