Elaboration d'un outil de simulation du contrôle thermique d'un microsatellite
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Lors de son fonctionnement dans l'espace, un microsatellite doit évacuer la chaleur qu'il produit et qu'il reçoit grâce à un sous-système appelé : contrôle thermique. Le but de ce sous-système est alors de maintenir tous les éléments dans le cadre de leurs limites de température pendant toutes les phases de la mission.
Sommaire
Résumé Introduction générale
Chapitre 1. L'environnement spatial
A. Introduction B. Conditions de gravité et de pression d'un microsatellite C. Environnement thermique en orbite 1. Le flux solaire direct 2. L'albédo terrestre 3. Le flux terrestre direct ou l'infrarouge terrestre 4. Le rayonnement de l'espace 5. Bilan des flux D. Conclusion
Chapitre 2. Généralités sur les transferts thermiques
A. Introduction B. La conduction C. Le rayonnement D. Corps noir et gris 1. Corps noir 2. Corps gris E. Conclusion
Chapitre 3. Le contrôle thermique
A. Introduction B. Objectifs et rôle du contrôle thermique C. Spécification thermique D. Types de contrôles thermiques E. Phases du projet de contrôle thermique F. Processus de conception du contrôle thermique G. Développement et qualification du contrôle thermique E. Télémesure et télécommande F. Conclusion
Chapitre 4. Moyens de contrôle thermique
A. Introduction B. Moyens de contrôle passifs C. Moyens de contrôle des échanges radiatifs 1. Les principaux revêtements spatiaux 2. Les peintures spatiales 3. Les revêtements de type SSM ou OSR 4. Les rubans métalliques adhésifs 5. Les métaux 6. Revêtements composites à couches interférentielles 7. Revêtements conducteurs électriques 8. Coefficients thermiques de quelques matériaux D. Moyens de contrôle de la conduction E. Test et qualification des revêtements passifs 1. Chaleur humide (test de stockage au sol) 2. Cyclages thermiques sous vide 3. Dégazage - Pollution 4. Irradiations U.V. - Particules 5. Mesures électriques sous vide F. Avantages et inconvénients des revêtements passifs 1. Avantages 2. Inconvénients G. Moyens de contrôle actif 1. Les réchauffeurs électriques 2. Les systèmes à volets mobiles 3. Les caloducs à conductance 4. Les matériaux à changement de phase (PCM) 5. Les systèmes à boucles fluides 6. Les éléments PELTIER ou thermo éléments 7. Les systèmes à cycles thermodynamiques H. Conclusion
Chapitre 5. Modèle thermique du microsatellite
A. Introduction B. Etude de l'orbite et des flux 1. Mouvement de la Terre autour du soleil 2. L'orbite basse LEO 3. Détermination du flux solaire absorbé 4. Détermination du flux thermique terrestre 5. Détermination du flux albédo 6. Détermination de la puissance émise C. Equation du bilan thermique D. Températures d'équilibre du microsatellite E. La méthode nodale 1. Équation d'équilibre d'un noeud 2. Le réseau nodal 3. Le découpage en noeuds thermiques du microsatellite F. Les facteurs de vue et les coefficients de conduction 1. Les facteurs de vue 2. Les conductances G. La méthode des résistances et capacités thermiques H. Conclusion
Chapitre 6. Réalisation et résultats
A. Introduction B. Présentation de quelques logiciels d'analyse thermique 1. ESATAN 2. ThermXL 3. SINDA/G C. Simulation d'un modèle de microsatellite 1. Description du microsatellite 2. Démarche de travail pour la simulation 3. Description de l'outil réalisé 4. Présentation et analyse des résultats obtenus D. Conclusion
Conclusion générale Bibliographie Annexes
Résumé Introduction générale
Chapitre 1. L'environnement spatial
A. Introduction B. Conditions de gravité et de pression d'un microsatellite C. Environnement thermique en orbite 1. Le flux solaire direct 2. L'albédo terrestre 3. Le flux terrestre direct ou l'infrarouge terrestre 4. Le rayonnement de l'espace 5. Bilan des flux D. Conclusion
Chapitre 2. Généralités sur les transferts thermiques
A. Introduction B. La conduction C. Le rayonnement D. Corps noir et gris 1. Corps noir 2. Corps gris E. Conclusion
Chapitre 3. Le contrôle thermique
A. Introduction B. Objectifs et rôle du contrôle thermique C. Spécification thermique D. Types de contrôles thermiques E. Phases du projet de contrôle thermique F. Processus de conception du contrôle thermique G. Développement et qualification du contrôle thermique E. Télémesure et télécommande F. Conclusion
Chapitre 4. Moyens de contrôle thermique
A. Introduction B. Moyens de contrôle passifs C. Moyens de contrôle des échanges radiatifs 1. Les principaux revêtements spatiaux 2. Les peintures spatiales 3. Les revêtements de type SSM ou OSR 4. Les rubans métalliques adhésifs 5. Les métaux 6. Revêtements composites à couches interférentielles 7. Revêtements conducteurs électriques 8. Coefficients thermiques de quelques matériaux D. Moyens de contrôle de la conduction E. Test et qualification des revêtements passifs 1. Chaleur humide (test de stockage au sol) 2. Cyclages thermiques sous vide 3. Dégazage - Pollution 4. Irradiations U.V. - Particules 5. Mesures électriques sous vide F. Avantages et inconvénients des revêtements passifs 1. Avantages 2. Inconvénients G. Moyens de contrôle actif 1. Les réchauffeurs électriques 2. Les systèmes à volets mobiles 3. Les caloducs à conductance 4. Les matériaux à changement de phase (PCM) 5. Les systèmes à boucles fluides 6. Les éléments PELTIER ou thermo éléments 7. Les systèmes à cycles thermodynamiques H. Conclusion
Chapitre 5. Modèle thermique du microsatellite
A. Introduction B. Etude de l'orbite et des flux 1. Mouvement de la Terre autour du soleil 2. L'orbite basse LEO 3. Détermination du flux solaire absorbé 4. Détermination du flux thermique terrestre 5. Détermination du flux albédo 6. Détermination de la puissance émise C. Equation du bilan thermique D. Températures d'équilibre du microsatellite E. La méthode nodale 1. Équation d'équilibre d'un noeud 2. Le réseau nodal 3. Le découpage en noeuds thermiques du microsatellite F. Les facteurs de vue et les coefficients de conduction 1. Les facteurs de vue 2. Les conductances G. La méthode des résistances et capacités thermiques H. Conclusion
Chapitre 6. Réalisation et résultats
A. Introduction B. Présentation de quelques logiciels d'analyse thermique 1. ESATAN 2. ThermXL 3. SINDA/G C. Simulation d'un modèle de microsatellite 1. Description du microsatellite 2. Démarche de travail pour la simulation 3. Description de l'outil réalisé 4. Présentation et analyse des résultats obtenus D. Conclusion
Conclusion générale Bibliographie Annexes
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Extraits
[...] On ne peut donc pas se contenter de connaître les flux moyens sur une orbite ou même la température moyenne du microsatellite. Le contrôle thermique nécessite la connaissance précise des flux en chaque point de l'orbite pour pouvoir déterminer les températures des différents composants du microsatellite. Il faut alors définir et établir ce que l'on appelle le modèle thermique du microsatellite Etude de l'orbite et des flux La détermination des flux absorbée par un microsatellite dépend de sa position relative et de son orientation par rapport au soleil et la terre. [...]
[...] - 108 - ANNEXES ANNEXES - 109 - ANNEXES A.1 : Emissivité de certains corps - 110 - ANNEXES A.2 : Propriétés physiques de certains corps - 111 - ANNEXES A.3 : Valeurs de l'albédo pour le rayonnement solaire global (Coefficient de réflexion global vis-à-vis du rayonnement solaire) - 112 - ANNEXES A.4 : Caractéristiques thermo-optiques de divers revêtements spatiaux - 113 - ANNEXES A.5 : Conductivité thermique de quelques matériaux - 114 - ANNEXES A.6 : Facteurs de forme géométrique de rayonnement (formules de calcul) - 115 - ANNEXES - 116 - ANNEXES A.7 : Facteurs de forme géométrique de rayonnement (abaques) Deux plans parallèles rectangulaires de même aire Deux plans rectangulaires ayant un côté commun - 117 - ANNEXES Un plan rectangulaire et un cylindre à axe situé dans le plan médian au rectangle Surface parallèle à un plan rectangulaire - 118 - ANNEXES Surface perpendiculaire à un plan rectangulaire (pas de côté commun) - 119 - ANNEXES A.8: Méthode de calcul des facteurs de vue Pour le modèle nodale que nous avons présenté, plusieurs hypothèses ont été prises, la première étant que tous les composants ont une épaisseur nulle. Cela permet de simplifier le modèle et donc, d'utiliser des méthodes d'abaques. Suivant les caractéristiques des deux surfaces à étudier, il y a trois méthodes à utiliser. Premièrement, les deux surfaces sont perpendiculaires et ont une arrête commune. Ensuite, les deux surfaces sont perpendiculaires et n'ont pas d'arrête commune. [...]
[...] Figure 6.2 : interface du logiciel ThermXL SINDA/G SINDA/G est un logiciel d'analyse thermique basé sur la méthode des éléments finis, il est utilisé pour la modélisation thermique avancée des engins spatiaux par la NASA, par des entreprises de l'aérospatial, et d'autres industries dans le monde entier. SINDA / G est un package commerciale fabriqué par la société Network Analysis Inc. Il est utilisé par des centaines d'entreprises du monde entier. Il constitue un outil très puissant d'analyse thermique des engins spatiaux. - 88 - Chapitre 6 : REALISATIONS ET RESULTATS Figure 6.3 : interface du logiciel SINDA/G Simulation d'un modèle de microsatellite Pour vérifier et valider la méthode que nous avons implémentée, nous allons choisir un modèle de microsatellite pour analyser ses résultats. [...]
[...] Nous présenterons aussi les principaux moyens, passifs et actifs, utilisés pour le contrôle thermique d'un microsatellite en orbite basse. Et enfin, nous implémenterons, sous MatLab R2008, l'une des méthodes d'analyse thermique présentée dans le rapport, et nous présenterons les résultats obtenues. - 17 - Chapitre 1 : L'ENVIRONNEMENT SPATIAL Chapitre 1 : L'ENVIRONNEMENT SPATIAL - 18 - Chapitre 1 : L'ENVIRONNEMENT SPATIAL 1.1 Introduction Dans l'espace, le microsatellite est soumis à des conditions très différentes des conditions existantes sur terre. [...]
[...] Du point de vue thermique, le rayonnement du fond du ciel, correspondant au rayonnement d'un corps noir à 3 est quasi négligeable en orbite terrestre. L'équation précédente devient : Pémise = S ext .ε .σ .T 4 De plus : Pext = Psolaire + Pterrestre + Palbédo Avec : Psolaire = α S .C S .S U = α S .C S .S r .FS ( 4.22 ) ( 4.21 ) ( 4.20 ) αs représente le coefficient d'absorption solaire Cs est la constante solaire : Cs = 1353 W/m2 - 73 - Chapitre 5 : MOYENS DE CONTROLE THERMIQUE Fs est le facteur d'aspect par rapport au soleil Su est la surface absorbante utile : Su = Sr .Fs Palbédo = α S .C a .S U = α S .a.C S .S r .Fa a est le coefficient d'albédo terrestre: a = 0,35 Fa est le facteur d'aspect par rapport à l'albédo Pterrestre = ε . [...]
