Cette image montre la sonde d'entrée et la coque extérieure en métal. La coque métallique permet à la sonde d'être connectée au vaisseau ravitailleur et facilite également le largage de la sonde lors de la rupture du vaisseau ravitailleur lors de la rentrée. Crédit :NASA
Parfois pour trouver la meilleure solution à un gros problème, il faut commencer petit.
Une équipe d'ingénieurs de la NASA a travaillé sur un nouveau type de système de protection thermique (TPS) pour les engins spatiaux qui améliorerait le statu quo.
Ayant connu le succès en laboratoire avec ces nouveaux matériaux, la prochaine étape consiste à tester dans l'espace.
Le système de protection thermique ablatif conforme, ou CA-TPS, sera installé sur un petit article de vol de sonde fourni par Terminal Velocity Aerospace (TVA) et lancé lors de la septième mission de services de réapprovisionnement commercial d'Orbital ATK pour la NASA vers la Station spatiale internationale le 18 avril.
La sonde RED Data2 de TVA, à peine plus gros qu'un ballon de football, est un vaisseau spatial d'exploration sans pilote conçu pour transmettre des informations sur son environnement.
« Le but du test en vol est de recueillir des données de rupture du véhicule d'approvisionnement et en même temps de démontrer les performances du système de protection thermique ablative conforme lorsque la sonde - encapsulée avec du TPS - pénètre dans l'atmosphère terrestre, " a expliqué Ethiraj Venkatapathy, chef de projet pour les matériaux des systèmes de protection thermique avec le programme Game Changing Development (GCD) de la Space Technology Mission Directorate (STMD) de la NASA. "La protection thermique est un élément vital qui protège un vaisseau spatial de la combustion lors de l'entrée."
Les trois sondes montrées dans l'image ci-dessus rentreront lors de la rupture du vaisseau spatial de ravitaillement et collecteront des données. La sonde de gauche a un TPS conforme, la sonde au milieu est l'Avcoat TPS d'Orion et la sonde à droite est en Shuttle Tile. Crédit :NASA
« Données obtenues à partir d'essais en vol comme celui-ci avec TVA et la NASA, combiné avec des tests à différentes compositions atmosphériques, nous permet de construire des outils de conception avec une plus grande confiance pour l'entrée dans d'autres atmosphères planétaires telles que Vénus, Mars ou Titan, " a-t-il poursuivi. " S'associer à une petite entreprise pour obtenir des données de vol pour un matériel de développement est un moyen très peu coûteux d'atteindre plusieurs objectifs. "
Le TPS Venkatapathy et son équipe conçoivent des nouveaux matériaux émergents appelés PICA conforme (C-PICA) et SIRCA conforme (C-SIRCA), abréviation pour ablateur de carbone imprégné phénolique et ablateur en céramique réutilisable imprégné de silicone, respectivement.
La sonde est essentiellement une coque dure recouverte de TPS et équipée de capteurs appelés thermocouples. Pour mesurer la température lors de l'entrée dans l'atmosphère, les thermocouples sont intégrés dans le C-PICA du bouclier thermique et le C-SIRCA de la coque arrière pour capturer des données permettant de comprendre le comportement des matériaux dans un environnement d'entrée réel.
Avec un financement par STMD/GCD, Le centre de recherche Ames de la NASA a dirigé les travaux en fournissant des matériaux ablatifs conformes et une instrumentation TPS installée sur les sondes de Terminal Velocity. Terminal Velocity travaille également avec le Johnson Space Center de la NASA avec un financement du programme de recherche sur l'innovation des petites entreprises de STMD pour miniaturiser et améliorer le système d'acquisition et de transmission de données, ainsi que pour soutenir la certification des vols de l'ISS.
Grâce à l'Initiative du projet de vol d'exploration de l'ISS, Johnson a certifié trois sondes TVA pour le vol. Une sonde utilise les matériaux ablatifs conformes, une autre a le matériau de protection thermique Orion et la troisième sonde utilise un matériau de tuile navette pour référence. TVA a livré les sondes assemblées au groupe Cargo Mission Contract pour ce vol.
Après que le lancement des services de réapprovisionnement d'Orbital ATK arrive à l'ISS, les sondes resteront sur le cargo en attendant l'occasion d'aller travailler. Sortie prévue de l'ISS en juin, une fois que le cargo rentre dans l'atmosphère terrestre et se désagrège, les sondes se déploieront puis commenceront à capturer des données via les thermocouples intégrés dans le TPS.
"Les sondes sont conçues pour être libérées de la coque métallique et une fois libérées, ils commencent à chauffer. Les données de réponse thermique sont collectées à partir des différents emplacements où les thermocouples sont intégrés dans le TPS, " explique Robin Beck, responsable technique du développement conforme du TPS. "La sonde comprend une antenne qui lui permet de communiquer avec un satellite Iridium. Au fur et à mesure que la sonde descend dans l'atmosphère et ralentit à la vitesse du son, les données sont collectées et stockées, puis transmis au satellite Iridium ci-dessus, qui à son tour transmet les données aux chercheurs sur le terrain."
Une fois les données du test en vol collectées, La sonde de TVA est autorisée à tomber dans l'océan et n'est pas récupérée; cependant, ces minuscules engins spatiaux contribueront dans une très large mesure à garantir que les modèles prédictifs développés sur la base d'essais dans des installations au sol sont valides et applicables dans l'espace.
« Il existe des risques connus et inconnus, mais la NASA et TVA sont motivées pour réussir car les avantages se traduisent également pour la communauté plus large qui souhaite avoir un accès à la demande à l'espace, " dit Venkatapathy. " Cette technologie a le potentiel de réduire le coût d'accès à l'espace pour les petites charges utiles tout en la rendant attrayante pour les universités et la communauté non aérospatiale qui peuvent être novices dans les essais en vol - un défi en soi et non un risque libre."
Parce qu'il n'y a pas de sauvegarde pour le TPS d'un vaisseau spatial, il est essentiel de comprendre et de développer des capacités de prédiction qui permettent conception de système d'entrée robuste. Un test en vol réussi à cette échelle augmentera la confiance dans l'ablateur conforme et permettra aux planificateurs de mission d'envisager C-PICA et C-SIRCA pour une utilisation dans de futurs programmes tels que New Frontiers ou Orion.
