L'intérieur d'un réservoir de carburant simulé était garni d'électrodes flexibles qui émettent des champs électriques (flèches jaunes) qui s'affaiblissent lorsqu'ils passent à travers le ballon rempli de fluide caloporteur (HT-90).  Les électrodes détectent les champs générés par les autres, affaiblis ou à pleine puissance.  En combinant les mesures de chaque paire d'électrodes, la jauge estime l'emplacement et le volume du ballon.

Construire une meilleure jauge de carburant pour les satellites

La NASA et d’autres agences qui gèrent les satellites au cours de leurs missions en orbite ont du mal à suivre la quantité de carburant dans ses réservoirs de carburant au fur et à mesure que la mission progresse. En effet, en orbite, le carburant flotte et glisse en raison de la faible gravité dans l’espace, ce qui le rend difficile à mesurer. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs du National Institute Technology (NIST) ont mis au point une jauge de carburant qui repose sur une technique d’imagerie 3D à faible coût connue sous le nom de tomographie volumique à capacité électrique (ECVT).

Pendant des décennies, l’une des méthodes les plus fréquemment utilisées pour suivre le carburant dans les satellites en orbite a nécessité d’estimer la quantité de carburant brûlée à chaque poussée, puis de soustraire cette quantité du volume de carburant dans le réservoir. Cette méthode est précise lorsqu’un réservoir est presque plein, mais l’erreur de chaque estimation est ajoutée à la suivante et augmente à chaque poussée. Au moment où un réservoir est bas, les estimations ressemblent plus à des suppositions approximatives et peuvent être décalées jusqu’à 10%.

Pour réduire le risque de collision avec d’autres satellites opérationnels, la NASA et d’autres opérateurs de satellites se chargent du dernier carburant pour être sûrs de pouvoir envoyer le satellite sur une orbite de cimetière, à des centaines de kilomètres d’un vaisseau spatial en fonctionnement. Laisser sécher le réservoir d’un satellite serait un cauchemar, car le satellite serait bloqué dans son orbite d’origine sans aucun moyen d’éviter de s’écraser contre d’autres satellites, créant un danger nuages ​​de débris. Mais l’envoyer prématurément à la retraite alors qu’il transportait toujours un excès de carburant serait un gaspillage d’argent.

L’intérieur d’un réservoir de carburant simulé était garni d’électrodes flexibles qui émettent des champs électriques (flèches jaunes) qui s’affaiblissent lorsqu’ils passent à travers le ballon rempli de fluide caloporteur (HT-90). Les électrodes détectent les champs générés par les autres, affaiblis ou à pleine puissance. En combinant les mesures de chaque paire d’électrodes, la jauge estime l’emplacement et le volume du ballon.N. Hanacek / NIST

«Chaque jour où un satellite reste en orbite équivaut probablement à millions de dollars de revenus», Dit Dagalakis. «Les opérateurs veulent donc utiliser chaque goutte de carburant, mais pas vider le réservoir.»

La nouvelle jauge NIST utilise ECVT pour approximer la forme d’un objet en prenant des mesures à différents angles. ECVT utilise des électrodes émettant des champs électriques pour mesurer la capacité d’un objet à stocker la charge électrique (c’est-à-dire sa capacité).

La première étape du projet consistait à construire des électrodes flexibles. L’équipe a utilisé la lithographie douce pour imprimer des motifs d’encre sur de fines feuilles de cuivre avec un support en plastique flexible. Un produit chimique corrosif a creusé le cuivre exposé, laissant derrière les électrodes.

L’équipe a tapissé l’intérieur d’un conteneur ovale inspiré d’un réservoir de carburant de la NASA avec des capteurs flexibles. Ils ont été câblés aux champs électriques reçus émis par tous les autres capteurs et ont transmis un champ. Mais la quantité de chaque champ qui a fini par être transmise dépend de la capacité de tout ce qui se trouve à l’intérieur du conteneur.

«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, car le carburant absorbe l’onde électromagnétique», dit Nick Dagalakis, ingénieur en mécanique du NIST. «Nous mesurons la différence de transmission pour chaque paire de capteurs possible, et en combinant toutes ces mesures, nous savons où il y a et où il n’y a pas de carburant et créons une image 3D.»

Pour tester ce que pourrait être la nouvelle jauge de carburant dans l’espace, les chercheurs ont suspendu un ballon rempli de liquide dans le réservoir, imitant une goutte de liquide en microgravité. De nombreux liquides couramment utilisés comme carburant par les satellites et les engins spatiaux, tels que l’hydrogène liquide et l’hydrazine, sont hautement inflammables en présence d’oxygène.L’équipe a donc choisi de tester quelque chose de plus sûr et de plus stable. Il remplit le ballon d’un fluide caloporteur utilisé pour stocker ou dissiper l’énergie thermique dans les processus industriels. Ce fluide imite également étroitement les propriétés électriques du carburant spatial.

L’équipe a transféré les données de capacité des capteurs de la jauge à un ordinateur, qui a créé une série d’images 2D qui ont cartographié l’emplacement du fluide dans le réservoir. Lorsque ces images ont été compilées, il a construit un rendu 3D du ballon avec un diamètre différent de moins de 6% du diamètre réel du ballon.

La conception pourrait donner aux opérateurs de satellites des mesures fiables qui empêcheraient les satellites d’entrer en collision et les maintiendraient opérationnels plus longtemps.

S’il est développé plus avant, la jauge ECVT pourrait également aider les ingénieurs et les chercheurs à surmonter plusieurs autres défis présentés par le comportement du liquide dans l’espace. Par exemple, il pourrait surveiller en permanence l’écoulement des fluides dans les nombreux tuyaux de la Station spatiale internationale et aider à déterminer comment les petites forces des fluides ballottants pourraient modifier la trajectoire des engins spatiaux et des satellites.

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