ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Ce futur étage supérieur ACES (pour Advanced Cryogenic Evolved Stage) de la fusée Vulcan de ULA (United Launch Alliance ) mérite l'ouverture d'un sujet car il va mettre en oeuvre des techniques de conservation cryogénique du dihydrogène liquide sur de longues périodes qui peuvent s'avérer extrêmement utiles aussi bien pour les projets lunaires que martiens.
Pour commencer une petite vidéo en anglais, mais qui peut être sous-titrée ce qui facilite la compréhension.

Sur Wikipédia :ACES

Giwa a écrit:Ce futur étage supérieur ACES (pour Advanced Cryogenic Evolved Stage) de la fusée Vulcan de ULA (United Launch Alliance ) mérite l'ouverture d'un sujet car il va mettre en oeuvre des techniques de conservation cryogénique du dihydrogène liquide sur de longues périodes qui peuvent s'avérer extrêmement utiles aussi bien pour les projets lunaires que martiens...

Passer de quelques heures à plusieurs semaines je veux bien admettre, ça serait utile dans l'environnement Terre-Lune qui correspond à ce type de durées de missions, mais plusieurs mois là je doute... Surtout que pour une mission martienne aller-retour, c'est pendant plus de deux ans qu'il faudrait réussir à conserver le LH2 sans qu'il ne s'évapore aux alentours des 1 à 1,7 UA du Soleil...

C'est sûr que pour Mars, c'est ambitieux et c'est une conservation sur plusieurs mois qui serait nécessaire pour le voyage aller et la mise en orbite martienne ... mais c'est pourtant ce qui est envisagé avec la technologie COLD (Cryogenic Operation for Long Duration) !

http://www.ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Extended_Duration/AtlasCentaurExtensibilitytoLongDurationInSpaceApplications20056738.pdf

Pour des missions dépassant l'année , il faudrait ajouter à la protection thermique passive (isolants et réflecteurs), un refroidissement actif (Cryocooler) , mais limités en puissance pour la pompe à chaleur et taille pour les radiateurs grâce à la protection thermique passive très efficace

D. Passive vs Active Cooling The purely passive COLD technologies are particularly attractive for early-lunar exploration missions allowing NASA to delay investment in largescale active cooling systems. Passive systems are expected to be substantially more affordable and more reliable than active systems that require continuous power and complex radiator systems. For the longest mission durations, actively cooled systems will significantly benefit from the COLD technologies developed for the passive systems.

ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance Img_0011

http://www.ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Extended_Duration/AtlasCentaurExtensibilitytoLongDurationInSpaceApplications20056738.pdf

La figure 7 du PDF semble me donner raison : pour Mars (et au-delà) il faut passer au refroidissement actif, c'est lourd (déjà que les réservoirs de LH2 le sont à cause de la faible masse volumique de ce dernier), très coûteux, peu fiable et complexe... Atteindre ces 0,01 % d'évaporation par jour qui permettent de conserver un peu plus de 90 % du chargement initial du LH2 au bout de 950 jours* pour une mission aller-retour vers Mars me parait très difficile avec un refroidissement passif. Par contre pour quelques mois sur la Lune ça me parait jouable, surtout dans l'hypothèse de l'impossibilité d'ISRU propulsive sur cette dernière (absence d'eau, même aux pôles).
Là où la techno COLD pourrait être intéressante c'est quand on s'éloigne nettement plus du Soleil, là une isolation passive pourrait faire bon ménage avec la baisse du flux solaire.

*

Taux d'évaporation quotidien :	0,01 %
1- Taux d'évaporation quotidien :	99,99 %
Nombre de jours :	950
Proportion de LH2 restant :	90,94%

On peut l'envisager pour Mars pour la première partie du voyage" Deep -Space Injection Stage ".

Ensuite effectivement pour la fin du voyage aller et le retour l'utilisation du carburant LCH4 avec le comburant LO2 me parait préférable surtout que l'on pourra aussi s’approvisionner en méthane et en dioxygène sur Mars au moyen des ISRU

petite question annexe a propos du stockage du LH2:
pour "mars direct" R. Zubrin part d'une masse de 10T d’hydrogène pour démarrer son ISRU pour avoir le méthane et l’oxygénè du retour (d’ailleurs c'est 10T d'hydrogène gazeux ou liquide ?)

avec les techno actuelle de combien devrons être chargés les réservoirs avant le départ de la terre pour avoir 10T après les 180 jours canonique d'un transit terre-mars ???

peronik a écrit:petite question annexe a propos du stockage du LH2:
pour "mars direct" R. Zubrin part d'une masse de 10T d’hydrogène pour démarrer son ISRU pour avoir le méthane et l’oxygénè du retour (d’ailleurs c'est 10T d'hydrogène gazeux ou liquide ?)

avec les techno actuelle de combien devrons être chargés les réservoirs avant le départ de la terre pour avoir 10T après les 180 jours canonique d'un transit terre-mars ???

Je n'ai pas la réponse, mais effectivement on pourrait penser à amener du LH2 jusque sur le sol martien pour ne pas être tributaire de la recherche d' H2O martien - du moins pour les premiers vols... en sachant toutefois que l'on perdrait pas mal de LH2 lors de l'entrée atmosphérique, même si celle-ci est assez brève.

Pour préciser l'intérêt d'amener du L H2 jusque sur le sol martien, cela permettrait d'engager de suite une réaction de Sabatier pour à partir du CO2 martien produire du méthane CH4 et du dioxygène O2 . J'ai souligné ce comburant car c'est lui le principal handicap par sa masse molaire élevée aux performances des fusées chimiques . Si on peut s'en fournir en chemin sans avoir à le transporter on améliore le rapport de masse même s'il faut pour çà emporter un supplément de H2 puisque celui-ci est de masse molaire bien plus faible l

Mais seule l'expérience acquise sur l'emploi de ACES pour le GEO et le lunaire permettra d'en savoir plus sur les performances de stockage cryogénique de l' ACES ... et donc attendons et nous verrons bien !

Giwa a écrit:
Mais seule l'expérience acquise sur l'emploi de ACES pour le GEO et le lunaire permettra d'en savoir plus sur les performances de stockage cryogénique de l' ACES ... et donc attendons et nous verrons bien !

Les capacités de stockage dans un ACES seront sans doute différentes du besoin (quantité, durée) lié à un décollage depuis la surface martienne et/ou un stockage en orbite.
Il n'est pas encore dit que les techniques de conservation ACES soient adaptables à des quantités plus grandes ? Donc du travail à prévoir pour vérifier cela et éventuellement continuer à améliorer ces techniques.
Peut-être d'ailleurs à discuter dans la partie "Techniques" du forum, car c'est un domaine transversal aux différentes approches du voyage martien A-R et aux toutes premières missions vs une liaison inter-planétaire plus "régulière" dans un avenir plus lointain.

Effectivement nous serons sans doute amener à rediscuter de cette technique de conservation cryogénique du dihydrogène dans d'autres sujets .

En attendant suivons ce projet de ULA qui devrait se concrétiser dans les années à venir pour les orbites hautes et un peu plus tard pour le lunaire.

Le concept de base est intéressant: on ne cherche pas à maintenir le froid par un système actif, ce qui demanderait de vastes radiateurs pour évacuer la chaleur et une consommation d'énergie pour le fonctionnement de la pompe à chaleur, mais on s'en tient à une protection thermique passive , mais de très haute performance (plusieurs couches isolantes et réfléchissantes les plus légères possibles) et en éloignant le plus possible le réservoir de L H2 du réservoir Lox qui pour le premier est une source de chaleur ! Encore une fois tout est relatif ;)

Alors un dégagement de dihydrogène gazeux- certes limité- est inévitable , mais on l'exploite pour des piles à combustible qui fourniront l'énergie à toute l'intendance du vaisseau spatial. Cela permet aussi de se fournir en eau et de supprimer les panneaux solaires ou des RTG

A remarquer que ce genre de technologie est plus intéressante si la taille du vaisseau est plus grande car en pourcentage les déperditions thermiques se réduisent pour des volumes plus grands selon le rapport Surface /Volume en 1/R. Plus on trouve d'utilisations au dihydrogène, plus on doit en stocker, mais plus cela devient rentable surtout qu'en plus on remplace d'autres systèmes

Une infographie d'ULA à propos de l'étage ACES :

ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Sam 25 Mar 2017 - 8:05

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Sam 25 Mar 2017 - 14:58

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Sam 25 Mar 2017 - 17:41

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Sam 25 Mar 2017 - 19:16

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Sam 25 Mar 2017 - 20:25

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Sam 25 Mar 2017 - 23:35

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Lun 27 Mar 2017 - 15:42

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Lun 27 Mar 2017 - 16:11

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Lun 27 Mar 2017 - 23:46

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Mar 28 Mar 2017 - 10:25

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Mar 28 Mar 2017 - 15:57

Re: ACES: Étage cryogénique L H2 / L O2 supérieur de United Launch Alliance

Sam 1 Avr 2017 - 20:40