Conception des systèmes de contrôle thermique des satellites ou des sondes spatiales
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Introduction

Les engins spatiaux (satellites et sondes) sont soumis à des contraintes environnementales sévères du point de vue thermique. La conception des systèmes de contrôle thermique. ainsi que les technologies utilisées prennent en compte ces impératifs.

L’environnement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) des engins spatiaux

Contrairement à nos références terrestres quotidiennes, l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) spatial " fonctionne " quasi exclusivement sur la base d’échanges radiatifs. Même si les engins spatiaux mettent en œuvre des dispositifs conductifs ou convectifs, les échanges avec le milieu spatial se font quasi uniquement par voie radiative. La principale conséquence est que ces échanges se font en suivant la loi de Stefan, qui énonce que la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) rayonnée par un corps est proportionnelle à la quatrième puissance de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à...) (exprimée en degrés Kelvin).

Performances attendues et contraintes

Le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) thermique (CT) vise essentiellement à assurer que les constituants d’un engin spatial restent dans une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se...) de température compatible avec leurs performances, au rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème du rang lie le rang...) desquelles on pourra évoquer :

  • la survie pure et simple ; par exemple en évitant de dépasser des températures de changement d’état ou de destruction d’un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) donné ;
  • la durée de vie (La vie est le nom donné :) (applicable aux composants électroniques en particulier, et qui décroît avec l’élévation de température) ;
  • les déformations liées aux phénomènes thermo-élastiques (des éléments de structure doivent rester dans une certaines plage de températures pour limiter leur déformation)

Le contrôle thermique, pour atteindre ces performances, a pour objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) essentiellement de maîtriser les échanges de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) internes et avec l’environnement.

Méthodes de conception

La conception d’un CT s’appuie sur une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) simple :

  • faciliter ou interdire les échanges thermiques de façon passive
  • utiliser des actionneurs, généralement des réchauffeurs, pour réguler la température.

Certains instruments de mesure, dans le domaine optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), mettent en œuvre des dispositifs particuliers afin de pouvoir être mis en œuvre à basse ou très basse température. La conception de système de CT fait appel à des outils de modélisation thermiques, capables de restituer les températures atteintes par les équipements en fonction de différents scénarios opérationnels.

Les problématiques

Si on veut résumer de façon schématique le problème posé au concepteur (Un concepteur est une personne qui imagine et réalise quelque chose. Ce mot vient du verbe concevoir.), il s’agit de maintenir des équipements dans une zone " de performance et de confort ", avec des échanges externes régis par un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) limité de contributeurs :

  • le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...), dans la plupart des cas sauf sondes lointaines, qui génère au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) de 1500 W/m²
  • le fond du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.), à une température de quelques K, qui se comporte comme un puits thermique
  • des objets (comme la Terre) qui engendrent eux-mêmes des flux thermiques pour les satellites en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) relativement basse,
  • transitoirement des effets aérothermiques dans l’atmosphère lors des phases de lancement ou très spécifiquement dans le cas de corps de rentrée (sondes, retour d’échantillons)

Les technologies

La gestion passive des échanges thermiques

Comment maîtriser les échanges radiatifs ? 
La loi de Stefan-Boltzman fait intervenir les puissances quatrièmes des températures absolues des corps en présence, mais aussi les propriétés thermo-optiques (émissivité et absorptivité) des surfaces d'échanges. On peut ainsi moduler ces échanges en utilisant des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), revêtements, peintures ou traitements de surfaces permettant de moduler ces propriétés. Par exemple, les surfaces destinées à refroidir des équipements, dirigées vers le fond du ciel en général, sont recouvertes de petits miroirs (nommés OSR pour "Optical Solar Reflector")constitués de minces feuilles de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) argentée: on obtient ainsi une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) dotée d'une émissivité assez élevée (d'où bonne capacité à rayonner de la chaleur vers l'espace) et d'une absorptivité faible (qui permet de rester protégé d'entrées solaires parasites qui seront réfléchies en majorité).
Et le conductif ? 
On utilise une approche double : d'abord le choix de matériaux bons conducteurs (souvent de l'aluminium) pour constituer les surfaces de pose des équipements si on veut favoriser les échanges et ensuite la mise en œuvre de joints thermiques permettant d'abaisser les conductances de contact (silicones chargés de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), tissu de graphite,...) A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) on peut souhaiter limiter les échanges par conduction et on utilisera alors des joints isolants à base de polyimides (Kapton®,Vespel®,...)

Deux exemples de technologies assez fréquemment mises en œuvre

les tissus isolants multicouches 
Ce dispositif classique, destiné à limiter au maximum les échanges thermiques, combinent à la fois les approches conductives et radiatives. Il est constitué de plusieurs feuilles d'un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le...) aluminisé (Mylar® par exemple) séparées par des couches d'une sorte de "tulle", dont le rôle est de limiter des surfaces de contact entre les feuilles d'isolant. Le "mille-feuille" ainsi constitué est un empilement de couches émissives (fortement réfléchissantes au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi...) radiatif) séparées des lames de quasi-vide (les alvéoles du tulle) très peu conductives: les échanges sont réduits au minimum. Ces couvertures multicouches, dont la face externe présente souvent un aspect doré, sont très utilisées sur les engins spatiaux.
les caloducs 
Le caloduc est un dispositif destiné à assurer le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) de chaleur entre des équipements et les zones radiatives qu'on veut leur associer. Il utilise la convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la...) ainsi que des phénomènes de changement d'état. Il est constitué d'un tube en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) extrudé à section circulaire présentant de fines cannelures internes; à l'extérieur le tube est accolé à deux semelles offrant des surfaces de pose pour le caloduc lui-même sur un panneau ou pour des équipements sur le caloduc. Le tube est rempli d'une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) déterminée d'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale :...) et scellé par une soudure. Le remplissage permet d'avoir, dans les gammes de fonctionnement, la présence simultanée de phases liquides et gazeuses de l'ammoniac. En supposant qu'on dispose, en deux points du caloduc, d'un objet chaud et d'un objet froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), on va amorcer une cellule élémentaire qui fonctionne de la façon suivante: (o) à l'état initial supposé homéotherme, la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) ammoniac liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) se répartit uniformément dans les cannelures internes sous l'effet des forces capillaires (i) sous l'objet chaud, les parois du tube s’échauffent et vaporisent l’ammoniac dont la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) va croître ce qui va entraîner une migration du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un...) (ii) sous l’objet froid, c’est au contraire le refroidissement relatif des parois qui va entraîner la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce...) du gaz et alimenter ainsi le film d’ammoniac liquide qui va migrer par capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Elle est mise en œuvre lorsque les buvards aspirent l’encre, ou...) et refluer vers les zones chaudes. Un cycle de vaporisation, migration du gaz, condensation, pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance...) capillaire du liquide va assurer le transport de chaleur dont l’efficacité par rapport à la convection pure est augmenté par les chaleurs de vaporisation et de condensation de l’ammoniac : on crée ainsi une machine thermique (La théorie des machines thermiques s'attache à la description et à l'étude physique de certains systèmes thermodynamiques qui permettent de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique, et vice versa....) élémentaire purement passive.

Les dispositifs actifs

Parmi ceux-ci, les réchauffeurs sont les plus simples: ce sont des résistances chauffantes qui se présentent sous forme de rubans ou de feuilles, généralement collés sur les surfaces que l'on souhaite réchauffer. Ces actionneurs seront commandés par exemple par un thermostat (Un thermostat est un système assurant une température constante. Cela peut être un dispositif passif (type bouteille thermos) ou bien un appareil qui sert a réguler une température.) qui les mettra en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) dès que la température de référence tombera en dessous d'un certain seuil.

On utilise également des machines thermiques actives destinées à transporter de la chaleur. L'actionneur est en général une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) qui force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans...) dans un circuit. Sur ces bases on va rencontrer:

  • des dispositifs monophasiques (c'est le modèle du circuit de refroissement d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) automobile!) où la pompe assure la circulation d'un fluide caloporteur entre des surfaces d'échanges chaudes (équipements) et froides (radiateurs);
  • des dispositifs diphasiques qui utilisent à la fois la circulation d'un fluide mais aussi ses changements d'états (principe des climatiseurs); l'intérêt de ce type de dispositif est de pouvoir atteindre des températures basses adaptées au fonctionnement de certains imageurs.

Le refroidisement de certaines zones (en général des détecteurs) peut aussi être assuré par d'autres dispositifs: sur des surfaces réduites on peut utiliser des jonctions thermo-electriques qui utilisent l'effet Peltier (L'effet Peltier (aussi appelé effet thermoélectrique) est un phénomène physique de déplacement de chaleur en présence d'un courant électrique....).

Le cas extrême du cryostat

Pour les besoins extrêmes de très basses températures (détection dans l'infra-rouge), on est amené à utiliser un cryostat (qui n'est pas un dispositif actif à proprement parler). Le cryostat est un dispositif qui utilise l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur...) thermique d'un liquide très froid, qui va être consommé lentement par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) au cours de la mission. Le satellite (Satellite peut faire référence à :) ISO en constitue un exemple typique: le plan focal en était refroidi par de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des...) liquide. Des applications plus récentes utilisent des changements de phase plus complexes du cryofluide, comme par exemple les transitions superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il, John F. Allen et A. Don Misener, avec...) de l'hélium liquide, pour atteindre des températures encore plus basses.

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