Conception d'engins spatiaux - Spacecraft design

La conception des engins spatiaux couvre un vaste domaine, y compris la conception à la fois de vaisseaux spatiaux robotiques ( satellites et sondes planétaires ) et d'engins spatiaux pour les vols spatiaux habités ( vaisseaux spatiaux et stations spatiales ).

Origine

La conception d'engins spatiaux est née en tant que discipline dans les années 50 et 60 avec l'avènement des programmes d' exploration spatiale américains et soviétiques . Depuis lors, il a progressé, bien que généralement moins que les technologies terrestres comparables. Ceci est en grande partie dû à l'environnement spatial difficile, mais aussi au manque de R&D de base et à d'autres facteurs culturels au sein de la communauté du design. D'autre part, une autre raison de la conception d'une application de voyage spatial lent est le coût énergétique élevé et le faible rendement pour atteindre l'orbite. Ce coût peut être considéré comme un «coût de démarrage» trop élevé.

Domaines d'ingénierie concernés

La conception d'engins spatiaux rassemble des aspects de diverses disciplines, à savoir:

• L'astronautique pour la conception des missions et la dérivation des exigences de conception,
• Ingénierie des systèmes pour le maintien de la base de conception et la dérivation des exigences du sous - système ,
• Ingénierie des communications pour la conception des sous-systèmes qui communiquent avec le sol (par exemple télémétrie ) et effectuent la télémétrie .
• Ingénierie informatique pour la conception des ordinateurs de bord et des bus informatiques . Ce sous-système est principalement basé sur les technologies terrestres, mais contrairement à la plupart d'entre elles, il doit: faire face à l'environnement spatial, être hautement autonome et offrir une tolérance aux pannes plus élevée.
  • Il peut comprendre des composants durcis aux rayonnements qualifiés pour l' usage spatial .
• Ingénierie logicielle pour le logiciel embarqué qui exécute toutes les applications embarquées, ainsi que les logiciels de contrôle de bas niveau. Ce sous-système est très similaire aux conceptions de logiciels terrestres en temps réel et embarqués,
• Génie électrique pour la conception du sous-système de puissance, qui génère, stocke et distribue l' énergie électrique à tous les équipements de bord,
• Théorie du contrôle pour la conception du sous-système de contrôle d' attitude et d' orbite , qui pointe correctement l'engin spatial et maintient ou modifie l'orbite en fonction du profil de la mission; le matériel utilisé pour l'actionnement et la détection dans l'espace est généralement très spécifique aux engins spatiaux,
• Génie thermique pour la conception du sous-système de contrôle thermique (y compris les radiateurs, l'isolation et les appareils de chauffage), qui maintient des conditions environnementales compatibles avec le fonctionnement de l'équipement de l'engin spatial; Ce sous-système dispose de technologies très spécifiques à l'espace, car dans l'espace, le rayonnement et la conduction dominent généralement en tant qu'effets thermiques, par opposition à la Terre où la convection est généralement la principale,
• Ingénierie de la propulsion pour la conception du sous-système de propulsion, qui fournit des moyens de transporter l'engin spatial d'une orbite à une autre,
• Génie mécanique pour la conception des structures et des mécanismes de l'engin spatial, ainsi que pour la sélection des matériaux à utiliser sous vide . Ceux-ci comprennent des poutres, des panneaux et des appendices déployables ou des dispositifs de séparation (à séparer du lanceur ).

Sous-systèmes de vaisseaux spatiaux

Structure

Le bus de l'engin spatial transporte la charge utile. Ses sous-systèmes prennent en charge la charge utile et aident à pointer correctement la charge utile. Il place la charge utile sur la bonne orbite et la maintient là-bas. Il fournit des fonctions d'entretien ménager. Il assure également la maintenance de l'orbite et de l'attitude, l'alimentation électrique, la commande, la télémétrie et la gestion des données, la structure et la rigidité, le contrôle de la température, le stockage des données et la communication, si nécessaire. La charge utile et le bus de l'engin spatial peuvent être des unités différentes ou être combinées. L'adaptateur d'appoint fournit l'interface de transport de charge avec le véhicule (charge utile et bus de l'engin spatial ensemble).

L'engin spatial peut également avoir une charge propulsive, qui est utilisée pour entraîner ou pousser le véhicule vers le haut, et un étage de propulsion. Le propulseur couramment utilisé est un gaz comprimé comme l'azote, un liquide tel que l'hydrazine monopropulseur ou un combustible solide, qui est utilisé pour les corrections de vitesse et le contrôle d'attitude. Dans une étape de coup de pied (également appelée moteur de poussée d'apogée, module de propulsion ou étage de propulsion intégrale), un moteur de fusée séparé est utilisé pour envoyer le vaisseau spatial sur son orbite de mission. Lors de la conception d'un engin spatial, l'orbite qui va être utilisée doit être prise en compte dans le point car elle affecte le contrôle d'attitude, la conception thermique et le sous-système d'alimentation électrique. Mais ces effets sont secondaires par rapport à l'effet causé sur la charge utile en raison de l'orbite. Ainsi lors de la conception de la mission; le concepteur sélectionne une telle orbite qui augmente les performances de la charge utile. Le concepteur calcule même les caractéristiques de performance requises de l'engin spatial telles que le pointage, le contrôle thermique, la quantité de puissance et le cycle de service. Le vaisseau spatial est ensuite fabriqué, ce qui satisfait à toutes les exigences.

Détermination et contrôle de l'attitude

Le sous-système de détermination et de contrôle d'attitude (ADCS) est utilisé pour modifier l'attitude (orientation) de l'engin spatial. Certains couples externes agissant sur l'engin spatial le long de l'axe passant par son centre de gravité peuvent réorienter l'engin spatial dans n'importe quelle direction ou lui donner une rotation. L'ADCS annule ces couples en appliquant des couples égaux et opposés à l'aide des sous-systèmes de propulsion et de navigation. Le moment d'inertie de la carrosserie doit être calculé pour déterminer les couples externes, ce qui nécessite également la détermination de l'attitude absolue du véhicule à l'aide de capteurs. La propriété appelée «rigidité gyroscopique» est utilisée pour réduire l'effet de rotation. Les engins spatiaux les plus simples obtiennent le contrôle en tournant ou en interagissant avec les champs magnétiques ou gravitaires de la Terre. Parfois, ils sont incontrôlés. Les engins spatiaux peuvent avoir plusieurs corps ou être attachés à des pièces importantes, telles que des panneaux solaires ou des antennes de communication qui nécessitent un pointage d'attitude individuel. Pour contrôler l'attitude de l'appendice, des actionneurs sont souvent utilisés, avec des capteurs et des contrôleurs séparés. Les différents types de techniques de contrôle utilisées sont:

• Techniques de contrôle passif.
• Techniques de contrôle de la rotation.
• Techniques de contrôle à trois axes.

Télémétrie, suivi et commande

La télémétrie, le suivi et la commande (TT&C) sont utilisés pour la communication entre les engins spatiaux et les systèmes au sol. Les fonctions du sous-système sont:

• Contrôle de l'engin spatial par l'opérateur sur Terre
• Recevez les commandes de liaison montante, traitez-les et envoyez-les à d'autres sous-systèmes pour implication.
• Recevoir les commandes de liaison descendante des sous-systèmes, les traiter et les transmettre à la Terre.
• Informez constamment sur la position du vaisseau spatial.

la communication

Le processus d'envoi d'informations vers l'engin spatial est appelé liaison montante ou liaison aller et le processus inverse est appelé liaison descendante ou liaison de retour. La liaison montante se compose de commandes et de tonalités de télémétrie alors que la liaison descendante comprend la télémétrie d'état, les tonalités de télémétrie et peut même inclure des données de charge utile. Le récepteur, l'émetteur et une antenne grand angle (hémisphérique ou omnidirectionnelle) sont les principaux composants d'un sous-système de communication de base. Les systèmes avec des débits de données élevés peuvent même utiliser une antenne directionnelle, si nécessaire. Le sous-système peut nous fournir la cohérence entre les signaux de liaison montante et de liaison descendante, à l'aide de laquelle nous pouvons mesurer les décalages Doppler de la fréquence de distance. Le sous-système de communication est dimensionné en fonction du débit de données, du taux d'erreur admissible, de la longueur du chemin de communication et de la fréquence RF.

La grande majorité des engins spatiaux communiquent en utilisant des antennes radio - communication par satellite . Quelques vaisseaux spatiaux communiquent à l'aide de lasers - soit directement au sol comme avec LADEE ; ou entre satellites comme avec OICETS , Artemis , Alphabus et le système européen de relais de données .

Pouvoir

Le sous-système d'alimentation électrique (EPS) se compose de 4 sous-unités:

• Source d'alimentation (batterie, cellule solaire, cellules à combustible, couple thermoélectrique)
• Unité de stockage (nombre de batteries en série)
• Distribution d'énergie (câblage, commutation, protection contre les chocs)
• Régulation et contrôle de la puissance (pour éviter la surcharge et la surchauffe de la batterie)

Thermique

Le sous-système de contrôle thermique (TCS) est utilisé pour maintenir la température de tous les composants de l'engin spatial dans certaines limites. Les limites supérieure et inférieure sont définies pour chaque composant. Il y a deux limites, à savoir, opérationnelle (dans les conditions de travail) et la survie (dans les conditions de non-travail). La température est contrôlée en utilisant des isolants, des radiateurs, des radiateurs, des persiennes et en donnant une finition de surface appropriée aux composants.

Propulsion

La fonction principale du sous-système de propulsion est de fournir une poussée afin de modifier la vitesse de translation de l'engin spatial ou d'appliquer des couples pour modifier son moment cinétique. Il n'y a aucune exigence de poussée et donc même aucune exigence d'équipement de propulsion dans un vaisseau spatial le plus simple. Mais beaucoup d'entre eux ont besoin d'une poussée contrôlée dans leur système, de sorte que leur conception comprend une forme de propulsion mesurée (un système de propulsion qui peut être activé et désactivé par petits incréments). La poussée est utilisée aux fins suivantes: pour modifier les paramètres orbitaux, pour contrôler l'assiette pendant la poussée, corriger les erreurs de vitesse, la manœuvre, contrer les forces de perturbation (par exemple, la traînée), et contrôler et corriger le moment angulaire. Le sous-système de propulsion comprend un propulseur, un réservoir, un système de distribution, un pressurant et des commandes de propulseur. Il comprend également des propulseurs ou des moteurs.

Un exemple d'architecture du milieu des années 2010 d'une mission de vol spatial humain vers Mars, tel qu'envisagé par l'agence spatiale américaine, la NASA.

Architecture de mission spatiale

La conception de l'engin spatial est toujours informée par l'architecture particulière de la mission du vol spatial considéré. En règle générale, une variété d'architectures de mission peuvent être envisagées pour atteindre l'objectif global du vol, que ces objectifs soient de collecter des données scientifiques ou simplement de transporter des marchandises à travers l'environnement spatial à des fins diverses, gouvernementales ou économiques.

Les architectures des missions de vol spatial préciseront si un vaisseau spatial doit être autonome ou télérobotique , ou même être doté d'un équipage pour faire face à des exigences ou des objectifs particuliers de la mission. D'autres considérations comprennent les trajectoires rapides ou lentes, la composition et la capacité de la charge utile, la durée de la mission ou le niveau de redondance du système afin que le vol puisse atteindre divers degrés de tolérance aux pannes .

Références

• "Les voiles solaires volent de la science-fiction à la réalité" . Mécanique populaire .