La mise en place d’opérations soutenues sur la Lune et sur Mars présente une multitude d’opportunités et de défis que la NASA n’a pas encore rencontrés.Bon nombre de ces activités nécessitent de nouvelles technologies et de nouveaux processus pour garantir que l'agence soit préparée à ses ambitieuses missions Artemis et à celles au-delà.
L’un de ces défis consiste à travailler avec des fluides cryogéniques, c’est-à-dire des fluides existant à l’état liquide entre moins 238 degrés Fahrenheit et le zéro absolu (moins 460 F).Ces fluides – l’hydrogène liquide (le plus difficile à utiliser), le méthane et l’oxygène – sont essentiels à la propulsion des engins spatiaux et aux systèmes de survie.Les fluides pourraient également être produits à l’avenir sur les surfaces lunaires et martiennes via l’utilisation des ressources in situ (ISRU). Réservoir cryogénique GNL
L’exploration humaine dans l’espace lointain nécessite le stockage de grandes quantités de fluides cryogéniques pendant des semaines, des mois ou plus, ainsi que leur transfert entre engins spatiaux ou dépôts de carburant en orbite et à la surface.Chaque aspect est un défi et, à ce jour, de grandes quantités de fluides cryogéniques n’ont été stockées que pendant des heures dans l’espace.Les ingénieurs travaillant dans le portefeuille de gestion des fluides cryogéniques (CFM) de la NASA – dirigé par des missions de démonstration technologique au sein de la Direction des missions de technologie spatiale et géré au Glenn Research Center de l'agence à Cleveland et au Marshall Space Flight Center à Huntsville, en Alabama – résolvent ces problèmes avant l'avenir. missions.
"C'est une tâche que ni la NASA ni nos partenaires n'ont jamais accomplie auparavant", a déclaré Lauren Ameen, directrice adjointe du portefeuille CFM."Nos futurs concepts de mission reposent sur des quantités massives de fluides cryogéniques, et nous devons trouver comment les utiliser efficacement sur de longues durées, ce qui nécessite une série de nouvelles technologies dépassant de loin les capacités actuelles."
Pour qu’un fluide cryogénique soit utilisable, il doit rester dans un état liquide glacial.Cependant, la physique des voyages spatiaux – entrer et sortir de la lumière du soleil et de longs séjours en faible gravité – rend compliqué le maintien de ces fluides à l’état liquide et la connaissance de la quantité contenue dans le réservoir.
Les sources de chaleur dans l'espace – comme le Soleil et les gaz d'échappement du vaisseau spatial – créent un environnement chaud à l'intérieur et autour des réservoirs de stockage, provoquant une évaporation ou un « ébullition ».Lorsque le fluide s’évapore, il ne peut plus alimenter efficacement un moteur-fusée.Cela augmente également le risque de fuite ou, pire encore, de rupture du réservoir.
Ne pas être sûr de la quantité de gaz restant dans le réservoir n'est pas la façon dont nos explorateurs souhaitent voler vers Mars.La faible gravité est un défi car le carburant veut flotter – également connu sous le nom de « slosh » – ce qui rend très difficile la mesure précise de la quantité de liquide et son transfert.
"Les missions précédentes utilisant des propulseurs cryogéniques n'étaient dans l'espace que quelques jours en raison de pertes par évaporation ou par ventilation", a noté Ameen.«Ces vaisseaux spatiaux ont utilisé la poussée et d'autres manœuvres pour appliquer une force afin de déposer les réservoirs de propulseur et de permettre les transferts de carburant.Pendant Artemis, les vaisseaux spatiaux resteront beaucoup plus longtemps en faible gravité et devront pour la première fois transférer de l’hydrogène liquide dans l’espace. Nous devons donc atténuer l’évaporation et trouver des moyens innovants de transférer et de mesurer les propulseurs cryogéniques.
Alors, que fait la NASA ?
Le portefeuille CFM de la NASA comprend 24 activités de développement et investissements visant à réduire l'évaporation, à améliorer la jauge et à faire progresser les techniques de transfert de fluides pour la propulsion dans l'espace, les atterrisseurs et l'ISRU.Quatre efforts à court terme sont en cours au sol, en orbite proche de la Terre et bientôt sur la surface lunaire.
En 2020, la NASA a attribué quatre contrats Tipping Point axés sur le CFM à l'industrie américaine – Eta Space, Lockheed Martin, SpaceX et United Launch Alliance – pour aider au développement et à la démonstration des technologies CFM dans l'espace.Chaque entreprise devrait lancer sa démonstration respective en 2024 ou 2025, effectuant plusieurs tests utilisant de l'hydrogène liquide pour valider les technologies et les processus.
Jauge de masse radiofréquence
Pour améliorer la jauge, la NASA a développé des jauges de masse à radiofréquence (RFMG) pour permettre une mesure plus précise des fluides dans des conditions de faible gravité ou de faible poussée.Pour ce faire, les ingénieurs mesurent le spectre électromagnétique, ou les ondes radio, dans le réservoir d'un vaisseau spatial tout au long de la mission, en les comparant à des simulations de fluides pour évaluer avec précision le carburant restant.
Le RFMG a fait ses preuves lors d'essais au sol, de vols paraboliques suborbitaux et sur la Station spatiale internationale, et il sera bientôt testé sur la Lune lors d'un prochain vol Commercial Lunar Payload Services avec des machines intuitives.Une fois démontrée dans l’environnement lunaire, la NASA continuera à développer et à faire évoluer la technologie pour permettre d’améliorer les opérations des engins spatiaux et des atterrisseurs.
Les cryocoolers agissent comme des échangeurs de chaleur pour les grands réservoirs de propulseur afin d'atténuer l'évaporation lorsqu'ils sont combinés avec des systèmes innovants d'isolation des réservoirs.Avec des partenaires industriels, comme Creare, la NASA a commencé à tester des systèmes de refroidissement cryogénique de grande capacité qui pompent le fluide « de travail » à travers un réseau de tubes installés sur le réservoir pour le garder au frais.La NASA prévoit d'augmenter la taille et les capacités des réservoirs pour répondre aux exigences de la mission avant de procéder à de futures démonstrations en vol.
La NASA développe également un système de liquéfaction pour transformer l’oxygène gazeux en oxygène liquide à la surface de la Lune ou de Mars afin de ravitailler les atterrisseurs à l’aide de propulseurs produits in situ.Cette approche utilise diverses méthodes pour refroidir l’oxygène jusqu’à une température critique (au moins moins 297 degrés Fahrenheit), où il se condense, passant d’un gaz à un liquide.Le développement et les tests initiaux ont prouvé que la NASA peut le faire efficacement, et l'équipe continue d'adapter la technologie aux tailles et quantités de réservoirs appropriées pour les opérations futures.
En fin de compte, les efforts de la NASA pour développer et tester des systèmes CFM efficaces en termes d'énergie, de masse et de coût sont essentiels au succès des missions ambitieuses de l'agence sur la Lune, sur Mars et au-delà.
Poste de déchargement Cng La NASA explore l'inconnu dans l'air et dans l'espace, innove pour le bénéfice de l'humanité et inspire le monde par la découverte.