Avons-nous assez de carburant pour arriver à destination ? C’est probablement l’une des premières questions qui viennent à l’esprit lorsque votre famille s’apprête à embarquer pour un road trip. Si le voyage est long, vous devrez vous rendre dans les stations-service le long de votre itinéraire pour faire le plein pendant votre voyage.
La NASA est aux prises avec des problèmes similaires alors qu'elle se prépare à se lancer dans une mission durable de retour sur la Lune et planifie de futures missions vers Mars. Mais alors que le carburant de votre voiture est de l'essence, qui peut être stockée en toute sécurité et indéfiniment sous forme liquide dans le réservoir d'essence de la voiture, les carburants des engins spatiaux sont des propulseurs liquides cryogéniques volatils qui doivent être maintenus à des températures extrêmement basses et protégés des fuites de chaleur ambiante dans le réservoir de propulseur du vaisseau spatial. .
Et bien qu'il existe déjà un réseau établi de stations-service commerciales pour faire du ravitaillement de votre voiture un jeu d'enfant, il n'y a pas de stations ou de dépôts de ravitaillement cryogénique sur la Lune ou sur le chemin de Mars.
De plus, stocker du propulseur volatil pendant une longue période et le transférer d'un réservoir de dépôt dans l'espace au réservoir de carburant d'un vaisseau spatial dans des conditions de microgravité ne sera pas facile car la physique sous-jacente des fluides en microgravité affectant de telles opérations n'est pas bien comprise. Même avec la technologie actuelle, il n'est pas possible de conserver les carburants cryogéniques dans l'espace au-delà de plusieurs jours, et le transfert de carburant de réservoir à réservoir n'a jamais été effectué ou testé auparavant dans l'espace.
La chaleur conduite à travers les structures de support ou depuis l'environnement spatial radiatif peut pénétrer même dans les formidables systèmes d'isolation multicouche (MLI) des réservoirs de propulseur dans l'espace, conduisant à l'ébullition ou à la vaporisation du propulseur et provoquant une auto-pressurisation du réservoir.
La pratique actuelle consiste à éviter de surpressuriser le réservoir et de mettre en danger son intégrité structurelle en évacuant la vapeur d'évaporation dans l'espace. Les propulseurs embarqués sont également utilisés pour refroidir les conduites de transfert chaudes et les parois d'un réservoir vide d'un vaisseau spatial avant qu'une opération de transfert et de remplissage de carburant puisse avoir lieu. Ainsi, un carburant précieux est continuellement gaspillé pendant les opérations de stockage et de transfert, ce qui rend les expéditions de longue durée, en particulier une mission humaine sur Mars, irréalisables avec les méthodes actuelles de contrôle passif de la pression des réservoirs de propulseur.
Les technologies sans évaporation (ZBO) ou à évaporation réduite (RBO) constituent un moyen innovant et efficace de remplacer la conception actuelle de contrôle passif de la pression des réservoirs. Cette méthode repose sur une combinaison complexe de processus actifs de mélange et d'élimination d'énergie dépendant de la gravité qui permettent de maintenir une pression sûre dans le réservoir avec une perte de carburant nulle ou considérablement réduite.
Au cœur du système de contrôle de pression ZBO se trouvent deux mécanismes actifs de mélange et de refroidissement pour contrer l’auto-pressurisation du réservoir. Le premier est basé sur un mélange intermittent, forcé et sous-refroidi du jet du propulseur et implique une interaction complexe, dynamique et dépendant de la gravité entre le jet et le creux (volume de vapeur) pour contrôler le changement de phase de condensation et d'évaporation à l'interface liquide-vapeur.
Le deuxième mécanisme utilise l’injection de gouttelettes sous-refroidies via une barre de pulvérisation dans le creux pour contrôler la pression et la température du réservoir. Bien que cette dernière option soit prometteuse et gagne en importance, elle est plus complexe et n'a jamais été testée en microgravité, où le changement de phase et le comportement de transport des populations de gouttelettes peuvent être très différents et non intuitifs par rapport à ceux sur Terre.
Bien que l’approche dynamique ZBO soit technologiquement complexe, elle promet un avantage impressionnant par rapport aux méthodes passives actuellement utilisées. Une évaluation d'un concept de propulsion nucléaire pour le transport sur Mars a estimé que les pertes par évaporation passive d'un grand réservoir d'hydrogène liquide transportant 38 tonnes de carburant pour une mission de trois ans sur Mars seraient d'environ 16 tonnes/an.
Le système ZBO proposé permettrait une économie de 42 % de masse propulsive par an. Ces chiffres impliquent également qu'avec un système passif, tout le carburant transporté pour une mission de trois ans sur Mars serait perdu par ébullition, rendant une telle mission irréalisable sans recourir à la technologie transformatrice ZBO.
L'approche ZBO constitue une méthode prometteuse, mais avant qu'une transformation technologique et opérationnelle aussi complexe puisse être pleinement développée, mise en œuvre et démontrée dans l'espace, des questions scientifiques importantes et décisives qui ont un impact sur sa mise en œuvre technique et ses performances en microgravité doivent être clarifiées et résolues. P> 
Expériences scientifiques en microgravité dans le réservoir sans évaporation (ZBOT)
Le réservoir à évaporation zéro (ZBOT) Des expériences sont entreprises pour former une base scientifique pour le développement de la méthode transformatrice de conservation du propulseur ZBO. Suite à la recommandation d'un comité d'examen scientifique du ZBOT composé de membres des industries aérospatiales, du monde universitaire et de la NASA, il a été décidé de réaliser l'enquête proposée sous la forme d'une série de trois expériences scientifiques à petite échelle à mener à bord de la Station spatiale internationale. Les trois expériences décrites ci-dessous s'appuient les unes sur les autres pour répondre à des questions scientifiques clés liées à la gestion des fluides cryogéniques ZBO des propulseurs dans l'espace.
La première expérimentation de la série a été réalisée sur la station au cours de la période 2017-2018. La deuxième image ci-dessus montre le matériel ZBOT-1 dans l'unité de boîte à gants scientifique en microgravité (MSG) de la station. L'objectif principal de cette expérience était d'étudier l'auto-pressurisation et l'ébullition qui se produisent dans un réservoir scellé en raison du chauffage local et global, ainsi que la faisabilité du contrôle de la pression du réservoir via un mélange à jet axial sous-refroidi.
Dans cette expérience, l’interaction complexe du flux de jet avec le creux (volume de vapeur) en microgravité a été soigneusement étudiée. Des données de mélange de jets en microgravité ont également été collectées sur une large gamme de paramètres d'écoulement et de transfert de chaleur pour caractériser les constantes de temps pour la réduction de la pression du réservoir et les seuils de formation de geyser (fontaine liquide), y compris sa stabilité et sa profondeur de pénétration à travers le volume vide. . Parallèlement à des mesures très précises de capteurs de pression et de température locale, une vélocimétrie par image de particules (PIV) a été réalisée pour obtenir des mesures de vitesse d'écoulement sur tout le champ afin de valider un modèle informatique de dynamique des fluides (CFD).
Certaines des découvertes intéressantes de l'expérience ZBOT-1 sont les suivantes :
Les gaz non condensables (GNC) sont utilisés comme agents pressurisants pour extraire le liquide nécessaire au fonctionnement du moteur et au transfert de réservoir à réservoir. La deuxième expérience, ZBOT-NC, étudiera l'effet des NCG sur l'auto-pressurisation du réservoir scellé et sur le contrôle de la pression par mélange à jet axial. Deux gaz inertes de tailles moléculaires très différentes, le xénon et le néon, seront utilisés comme agents de pression non condensables. Pour obtenir un contrôle ou une réduction de la pression, les molécules de vapeur doivent atteindre l'interface liquide-vapeur qui est refroidie par le jet mélangeur, puis traverser l'interface vers le côté liquide pour se condenser.
Cette étude se concentrera sur la façon dont, en microgravité, les gaz non condensables peuvent ralentir ou résister au transport des molécules de vapeur vers l'interface liquide-vapeur (résistance au transport) et clarifiera dans quelle mesure ils peuvent former une barrière à l'interface et entraver le transport. passage des molécules de vapeur à travers l'interface vers le côté liquide (résistance cinétique). En affectant les conditions d'interface, les NCG peuvent également modifier les structures d'écoulement et thermiques dans le liquide.
ZBOT-NC utilisera à la fois les données des capteurs de température locaux et les diagnostics de thermométrie à points quantiques (QDT) développés de manière unique pour collecter des mesures non intrusives de température sur tout le champ afin d'évaluer l'effet des gaz non condensables pendant le chauffage par auto-pressurisation et le mélange/refroidissement par jet de le réservoir en apesanteur. Cette expérience devrait s'envoler vers la Station spatiale internationale début 2025, et plus de 300 tests différents en microgravité sont prévus. Les résultats de ces tests permettront également de développer et de valider davantage le modèle ZBOT CFD pour inclure les effets des gaz non condensables avec une fidélité physique et numérique.
L'expérience ZBOT-DP :effets de changement de phase des gouttelettes
Le contrôle actif de la pression ZBO peut également être réalisé via l'injection de gouttelettes de liquide sous-refroidies à travers une barre de pulvérisation axiale directement dans le creux ou le volume de vapeur. Ce mécanisme est très prometteur, mais ses performances n’ont pas encore été testées en microgravité. L'évaporation des gouttelettes consomme de la chaleur fournie par la vapeur chaude entourant les gouttelettes et produit de la vapeur à une température de saturation beaucoup plus basse. En conséquence, la température et la pression du volume de vapeur vide sont réduites.
L'injection de gouttelettes peut également être utilisée pour refroidir les parois chaudes d'un réservoir de propulseur vide avant une opération de transfert ou de remplissage de réservoir à réservoir. De plus, des gouttelettes peuvent être créées lors du ballottement du propulseur provoqué par l’accélération du vaisseau spatial, et ces gouttelettes subissent ensuite un changement de phase et un transfert de chaleur. Ce transfert de chaleur peut provoquer un effondrement de pression pouvant conduire à une cavitation ou à un changement massif de phase liquide-vapeur. Le comportement des populations de gouttelettes en microgravité sera radicalement différent de celui sur Terre.
L'expérience ZBOT-DP étudiera la désintégration, la coalescence (fusion de gouttelettes), le changement de phase et les caractéristiques de transport et de trajectoire des populations de gouttelettes et leurs effets sur la pression du réservoir en microgravité. Une attention particulière sera également portée à l'interaction des gouttelettes avec une paroi chauffée du réservoir, qui peut conduire à une évaporation flash sujette à des complications causées par l'effet Liedenfrost (lorsque les gouttelettes de liquide s'éloignent d'une surface chauffée et ne peuvent donc pas refroidir la paroi du réservoir). .
Ces phénomènes complexes n'ont pas été examinés scientifiquement en microgravité et doivent être résolus pour évaluer la faisabilité et les performances de l'injection de gouttelettes en tant que mécanisme de contrôle de la pression et de la température en microgravité.
Cette recherche fondamentale aide désormais les fournisseurs commerciaux de futurs systèmes d'atterrissage pour les explorateurs humains. Blue Origin et Lockheed Martin, participants au programme Human Landing Systems de la NASA, utilisent les données des expériences ZBOT pour éclairer la conception des futurs vaisseaux spatiaux.
La gestion des fluides cryogéniques et l’utilisation de l’hydrogène comme carburant ne se limitent pas aux applications spatiales. L’énergie verte propre fournie par l’hydrogène pourrait un jour alimenter les avions, les navires et les camions sur Terre, apportant ainsi d’énormes avantages climatiques et économiques. En constituant la base scientifique de la gestion des fluides cryogéniques ZBO pour l'exploration spatiale, les expériences scientifiques ZBOT et le développement du modèle CFD contribueront également à tirer parti des avantages de l'hydrogène comme carburant ici sur Terre.
Fourni par la NASA
