De nombreux satellites effectuent des tâches très importantes et lucratives, mais certains peuvent être mis hors service avec du carburant encore dans le réservoir en raison des méthodes actuelles de mesure de la quantité de carburant. Des jauges à carburant avec une plus grande précision pourraient aider à garantir que les satellites restent opérationnels plus longtemps et que leur temps en orbite soit plus long. Crédit :NASA Jet Propulsion Laboratory
Les liquides ne se comportent pas aussi bien dans l'espace que sur Terre. A l'intérieur d'un vaisseau spatial, la microgravité permet aux liquides de couler et de flotter librement.
Ce comportement a rendu difficile la détermination de la quantité de carburant dans les satellites, mais un nouveau prototype de jauge de carburant conçu au National Institute of Standards and Technology (NIST) pourrait offrir une solution idéale. La jauge, décrit dans le Journal des vaisseaux spatiaux et des fusées , peut recréer numériquement la forme 3D d'un fluide en fonction de ses propriétés électriques. La conception pourrait potentiellement fournir aux opérateurs de satellites des mesures fiables qui aideraient à empêcher les satellites d'entrer en collision et à les maintenir opérationnels plus longtemps.
"Chaque jour où un satellite reste en orbite représente probablement des millions de dollars de revenus, " a déclaré Nick Dagalakis, un ingénieur en mécanique du NIST et co-auteur de l'étude. "Les opérateurs veulent utiliser chaque goutte de carburant, mais pas tellement qu'ils vident le réservoir."
Laisser le réservoir d'un satellite fonctionner à sec pourrait le laisser bloqué dans son orbite d'origine sans carburant pour éviter de s'écraser sur d'autres satellites et de produire de dangereux nuages de débris.
Pour réduire la probabilité de collision, les opérateurs économisent les dernières gouttes de carburant pour éjecter les satellites sur une orbite de cimetière, à des centaines de kilomètres des engins spatiaux en fonctionnement. Ils peuvent gaspiller du carburant dans le processus, toutefois.
Depuis des décennies, jauger le carburant dans l'espace n'est pas une science exacte. L'une des méthodes les plus fréquemment utilisées consiste à estimer la quantité de carburant brûlée à chaque poussée et à soustraire cette quantité du volume de carburant dans le réservoir. Cette méthode est assez précise au début lorsqu'un réservoir est presque plein, mais l'erreur de chaque estimation se prolonge sur la suivante, aggravant à chaque poussée. Au moment où un réservoir est bas, les estimations ressemblent davantage à des suppositions approximatives et peuvent rater la cible jusqu'à 10 %.
Sans mesures fiables, les opérateurs peuvent envoyer des satellites avec du carburant encore dans le réservoir en retraite anticipée, laissant potentiellement une somme d'argent considérable sur la table.
Le concept de la nouvelle jauge, conçu à l'origine par Manohar Deshpande, un responsable du transfert de technologie au Goddard Space Flight Center de la NASA, utilise une technique d'imagerie 3D à faible coût connue sous le nom de tomographie volumique à capacité électrique (ECVT).
Comme un tomodensitomètre, L'ECVT peut approximer la forme d'un objet en prenant des mesures sous différents angles. Mais au lieu de faire des radios, les électrodes émettent des champs électriques et mesurent la capacité de l'objet à stocker une charge électrique, ou capacité.
Deshpande a sollicité l'expertise de Dagalakis et de ses collègues du NIST, qui avaient déjà une expérience dans la fabrication de capteurs capacitifs, pour l'aider à concrétiser ses conceptions.
L'intérieur du prototype de réservoir de carburant est garni d'électrodes flexibles, chacun capable d'émettre des champs électriques (flèches jaunes) qui s'affaiblissent lorsqu'ils traversent le ballon rempli de fluide caloporteur (HT-90). Les électrodes captent les champs générés par les autres, affaibli ou à pleine puissance. En combinant les mesures de chaque paire d'électrodes, la jauge peut estimer l'emplacement et le volume du ballon. Crédit :NIST/N. Hanacek
Dans la salle blanche NanoFab du Center for Nanoscale Science and Technology du NIST, les chercheurs ont produit des électrodes de capteur à l'aide d'un processus appelé lithographie douce, dans lequel ils ont imprimé des motifs d'encre sur des feuilles de cuivre avec un support en plastique souple. Puis, un produit chimique corrosif a creusé le cuivre exposé, en laissant les bandes de métal souhaitées, dit Dagalakis.
L'équipe a tapissé l'intérieur d'un conteneur en forme d'œuf inspiré de l'un des réservoirs de carburant de la NASA avec les capteurs flexibles. Tout au long de l'intérieur du réservoir, les champs électriques émis par chaque capteur peuvent être reçus par les autres. Mais la quantité de ces champs qui finissent par être transmise dépend de la capacité de tout matériau se trouvant à l'intérieur du réservoir.
"Si vous n'avez pas de carburant, vous avez la transmission la plus élevée, et si vous avez du carburant, vous allez avoir une lecture inférieure, parce que le carburant absorbe l'onde électromagnétique, " a déclaré Dagalakis. "Nous mesurons la différence de transmission pour chaque paire de capteurs possible, et en combinant toutes ces mesures, vous pouvez savoir où il y a du carburant et où il n'y en a pas et créer une image en 3D."
Pour tester à quoi pourraient ressembler les capacités de jaugeage de carburant du nouveau système dans l'espace, les chercheurs ont suspendu un ballon rempli de fluide dans le réservoir, imitant une goutte liquide en microgravité.
De nombreux liquides couramment utilisés pour propulser les satellites et les engins spatiaux, tels que l'hydrogène liquide et l'hydrazine, sont hautement inflammables dans l'atmosphère terrestre riche en oxygène, les chercheurs ont donc choisi de tester quelque chose de plus stable, dit Dagalakis.
Sur recommandation de Deshpande, ils ont rempli les ballons d'un fluide caloporteur - normalement utilisé pour stocker ou dissiper l'énergie thermique dans les processus industriels - car il imitait étroitement les propriétés électriques du carburant spatial.
Les chercheurs ont activé le système et fourni les données de capacité à un ordinateur, qui a produit une série d'images 2-D cartographiant l'emplacement du fluide sur toute la longueur du réservoir. Une fois compilé, les images ont donné lieu à un rendu 3D du ballon avec un diamètre inférieur à 6 % au diamètre réel du ballon.
"Ceci n'est qu'un prototype expérimental, mais c'est un bon point de départ, " a déclaré Dagalakis.
S'il est développé davantage, le système ECVT pourrait aider les ingénieurs et les chercheurs à surmonter plusieurs autres défis présentés par le comportement des liquides dans l'espace.
"La technologie pourrait être utilisée pour surveiller en permanence l'écoulement des fluides dans les nombreux tuyaux à bord de la Station spatiale internationale et pour étudier comment les petites forces des fluides clapotis peuvent modifier la trajectoire des engins spatiaux et des satellites, " a déclaré Deshpande.
