Cette étude a était une présentation interactive au cour du congrès international d’astronautique en juin 2022 a Paris
Présentation de la mission
Le but de ce projet est de proposé une architecture de plateforme atmosphérique léger pouvant s’ajouté au mission majeur. En effet, une mission de quelque kilogramme serait trop petite pour justifier un lancement et un étage de croisière. Cependant, elle peut s’intégré a une mission déjà existent qui procède son propre lanceur et contrôle en croisière. La plateforme n’a pas la capacité de faire un rentre atmosphérique seul, donc a besoin d’intégré la capsule de rentré d’une mission atmosphérique ou d’ajouté une capsule de taille minimal qui lui est dédier. Pour faciliter sont intégration et accroitre le niveau de sécurité pour ces copassager, la plateforme est au format cubesat. De plus, avec une charge utile elle aussi au format cubsat, il devient possible d’adapté rapidement et économiquement la plateforme a différente mission. Les économie du a la faible taille de la mission et au partage des frais de lancement et de transit permettrait l’accès au mission venusien a des acteur plus modeste que les agences spatial de premier plan.
Scientifiquement, cette plateforme peut explorer 2 zone définie par le groupe de recherche sur l’exploration de venus (VEXAG) de la NASA. La zone de 50 à 60km d’altitude est la couche habitable et des nuage d’acide sulfurique et comprend un grand nombre de processus unique est méconnu qu’une exploration in-situ permettre de caractériser avec une précision accru voir de découvrir. Techniquement, les température varie de -10°C a 77°C et la pression de 0,25 a 1bars se qui permet d’avoir recours à les technologie utilisé sur Terre sans isolation autre que le teflon® pour protège des nuage d’acide. La deuxième zone d’exploration, situer de 40 a 50km, comprend la couche des brume inferieur qui est mal connu car cacher par les nuages depuis l’orbite. Elle permet surtout de passé sous les nuage pour observer la surface sur plus de longueur d’onde que depuis l’orbite et amélioré la précision des images ainsi que de connaitre la composition des roches. Cette extension du domaine de vol expose la plateforme a des température allant jusqu’à 150-200°C. Pour éviter d’avoir recours à un système de refroidissement complexe, l’idée est d’isolé thermiquement la sonde pour éviter la surchauffe et la remonté régulièrement a des altitudes ou la température est plus clémente.
Dans ce projet, on divise la plateforme en 3 partie. Premièrement, la charge utile scientifique qui contient l’instrumentation variable selon la mission. On peut imaginer des spectromètre et chromatographe pour analyser l’atmosphere, mais aussi des capteur optique pour observer la surface sur différente longueur d’onde ou encore des magnétomètre ou des sismomètre acoustique pour mieux comprendre le fonctionnement interne de la planète. La deuxième partie est le module service qui gère l’alimentation en énergie, le contrôle thermique, et la transmission de donner pour la charge utile. L’énergie solaire est particulière abondent sur Vénus mais la sonde voit un cycle jours-nuit est de 100h du la rotation de l’atmosphere autour de la planète. Le contrôle thermique se fait surtout en ouvrant les panneau d’isolant au-dessus de 50km pour refroidir la sonde et les fermer en dessous pour ralentir la hause de température.
solution de sustentation
Le plus important pour une plateforme atmosphérique est de génère un portance supérieur au poids. Les solution active comme les aerodyne ou ballon a air chaud sont exclu car demande une consommation d’énergie trop importante pour un mission aussi simple. La solution retenu est donc l’utilisation de gaz plus léger que l’air (le gaz carbonique sur Vénus).
Le problème est que la stockage de gaz a haute pression ou a l’état cryogénique est trop lourd, dangereux et ou complexe pour un usage dans un cubsat. Il est donc nécessaire d’utilisé des précurseurs dense au température usuel et qui par réaction chimie produise les gaz portant. Trois solution sont étudier
A : hydrure de lithium et eau :
L’hydrure de lithium, stocké à l’état solide et l’eau, stocké a l’état liquide réagisse au cours de la descente pour produire l’hydrogene portant et de l’hydroxyde de lithium en déchet.
B : hydrure de lithium, eau et CO2
Les précurseur et la réaction sont les même que pour la solution précédente, mais du CO2 atmosphérique est introduit dans le réacteur pour réagir avec l’hydroxyde de lithium pour produire de l’eau qui remplace une partie de celle importé.
C : hydrazine
L’hydrazine est stockée à l’état liquide se décomposé au contact d’un catalyseur en hydrogene et en azote. C’est deux gaz sont portant dans l’atmosphere de Vénus.
Solution de pilotage
En plus de la simple portance, il y a un intérêt scientifique pouvoir varier d’altitude pour pouvoir avoir une vu complémente de la couche des nuages ou alterner les phases observation sous les nuages et les phases de refroidissement plus haut. Il convient donc d’introduire une solution de contrôle d’altitude. Les solutions basé sur le contrôle thermique et l’electrolyse sont trop énergivore et pas assez sur pour être retenu. Les solutions impliquant une surpression nécessitent une toile épaissie qui l’alourdi. La solution retenu est basé sur un fluide a changement de phase. On sélectionne donc un fluide liquide au-dessous d’une altitude de transition et gazeux en dessous.
Dans cette étude 97,5% de la portance est assuré par la portance principal qui reste gazeux sur tout le domaine de vol et 5% est assuré part le fluide a changement de phase. Lorsque le fluide de contrôle est liquide, la portance et plus faible que la masse et la plateforme descend. A basse altitude, le fluide se vaporisé augmentant la portance et faisant remonter la plateforme créant des oscillation. On peut prédéterminant la trajectoire de la plateforme en choisissant l’altitude moyenne grâce au choix du fluide et en choisissant l’amplitude en fonction de la longueur du tube, a la base du ballon, qui sert d’échangeur thermique.
En plus de l’oscillation naturelle, on introduit un moyen de piloter les oscillation. Pour cela on ajoute une valve entre le ballon et le tube piège du méthanol liquide dans se dernier et l’empêché de se vaporiser. Cela permet 3 manouvre. Premièrement, on peu amortir les oscillations ferment la valve au début de la monté, limitant la quantité de méthanol impliqué dans le cycle d’oscillations. Deuxièmement, on peut amplifier les oscillations (uniquement vers le bas) en ferment la valve en descente entretenant cette descente jusqu’au point souhaité en empêchant le méthanol de se vaporiser. Pour finir, on peut maintenir (provisoirement) un stationnaire cherchant a libérer juste assez de méthanol pour atteindre le point d’équilibre entre portance et poids pour neutralisé la vitesse vertical.
Design de reference
On définit une plateforme type. Elle doit pouvoir supporter une charge utile scientifique d’une unité cubesat et d’1,3kg. On y ajoute un module service d’une unité cubesat et d’1,3kg. La plateforme est conçue pour avoir une oscillation naturelle de 50 à 60km d’altitude et la possibilité de descendre et d’effectuer des stationnaire a 35km d’altitude. Tout les matériaux du système de sustentation sont étudier pour rester au température de 200°C présent a 35km d’altitude.
En configuration de transport, le système de sustentation rendre dans deux unités cubesat. L’hydrazine est stockée dans un réservoir posé sur le réacteur contenant le catalyseur permettant la décomposition de l’hydrazine. Le ballon plier est posé sur le réservoir. Le méthanol est contenu dans le tube enroulé autour du réservoir et relient le ballon d’un côté et la base d’un module service de l’autres. Une dérivation relie le tube au réacteur pour permettre à gaz portant de se diriger vers le ballon.
En configuration de vol, le ballon mesure 2,6m de diamètre et le tube 2m de long. Le module d’instrumentation est tourné vers le bas pour l’observation de la surface.