Le rôle du contrôle thermique,
Les besoins,
Contraintes thermiques liées à l'orbite SPOT 4,

L'environnement thermique en orbite,
Équilibre thermique du satellite,
Aménagement thermique interne,
Télémesure et télécommandes,

Développement et qualification du contrôle thermique,
Héritage de SPOT 1, SPOT 2 et SPOT 3

Le rôle du contrôle thermique

Le contrôle thermique assure, à chaque équipement, et pendant toutes les phases de la mission, un environnement thermique permettant son fonctionnement nominal.

Le bon fonctionnement d'un équipement dépend de sa température, et de ses variations. La régulation de température se fait souvent "naturellement" dans notre environnement Terrestre ou dans nos laboratoires.
L'environnement des satellites en orbite est foncièrement différent (vide, micropesanteur, rayonnements ...). Il entraîne des conditions thermiques tout à fait particulières, susceptibles de provoquer des variations de température dangereuses. L'obtention d'une température correcte ne pourra être que le résultat d'une science et d'une technologie spécifique appelées "contrôle thermique".

haut de page, article, chapitre

Les besoins

Pour garantir le fonctionnement normal d'un équipement, le contrôle thermique devra assurer que sa température reste dans des gammes prédéfinies (spécifications) :

Niveau de température - par exemple -20°C < T < +50°C
Stabilité temporelle de température - par exemple dT/dt < 5°C/heure
Gradients maximum de température - par exemple dT < 5°C sur un équipement

La figure ci-dessous donne, à titre d'exemple, les spécifications de températures de quelques équipements du satellite SPOT 4.

specter1.gif (18660 octets)

haut de page, article, chapitre

Contraintes thermiques liées à l'orbite SPOT 4

SPOT 4 évolue sur une orbite héliosynchrone circulaire à 830 km inclinée de 98,8° par rapport au plan de l'équateur.

thspot42.gif (24677 octets)Le plan de l'orbite tourne lentement autour de l'axe nord/sud (un degré par jour environ soit un tour par an). Cette rotation est synchronisée avec la rotation de la Terre autour du Soleil de telle sorte que celui-ci occupe une position toujours fixe par rapport à l'orbite, d'où le nom "d'orbite héliosynchrone." Le satellite traverse le plan équatorial du nord vers le sud à 10 h 30 min (en heure solaire locale).

Le satellite parcourt une orbite en 101,5 minutes. Pendant deux tiers de la période orbitale, soit 66 minutes, le satellite est au Soleil et ses surfaces externes (radiateurs) sont chaudes, pendant 35 minutes il est à l'ombre de la Terre et il se refroidit.


haut de page, article, chapitre

L'environnement thermique en orbite

En raison de la très faible densité de l'atmosphère à l'altitude de l'orbite (20 x 10-14 kg/m3) et en raison de la micropesanteur, il ne peut y avoir de convection et la température du satellite est uniquement pilotée par les échanges radiatifs avec son environnement.

Les sources de chaleur sont d'abord les dissipations des équipements. L'énergie consommée par les modules d'électronique est transformée en grande partie en chaleur (effet Joule). La seule énergie qui ne dégénère pas en chaleur est le rayonnement électromagnétique (utile) des antennes. Le fonctionnement des tuyères de contrôle d'orbite produit aussi de la chaleur, de même que la charge et la décharge des batteries.

Les rayonnements externes qui éclairent les murs du satellite constituent la seconde source principale de chaleur. La figure ci-dessous schématise ces flux.

thspot44.gif (12982 octets)

Le flux solaire direct hors atmosphère est d'environ 1375 Watts/m². Ce rayonnement est essentiellement situé dans le spectre visible (90 %) et proche infrarouge (10 %).

Le flux albédo est constitué par le flux solaire réfléchi par la Terre et les nuages. Son spectre est de même nature que celui du Soleil avec quelques bandes d'absorption dues à la traversée de l'atmosphère et à la nature des surfaces réfléchissantes. A l'altitude de SPOT 4 ce flux représente environ 300 W/m² au point subsolaire, avec une moyenne orbitale de 100 W/m² pour les surfaces orientées vers la Terre.

Du point de vue thermique, la Terre vue de l'espace est équivalente à une sphère à -18°C environ. Elle émet en permanence un rayonnement électromagnétique dans le spectre infrarouge aux environs de 10 µm à 12 µm. Cela représente une énergie incidente de 190 W/m² sur les surfaces orientées vers la Terre.

A l'altitude des satellites le fond du ciel est noir. L'ensemble des rayonnements (gamma, X, Ultra Violet, visible, infrarouge et radio) qui proviennent du fond du ciel représentent un total d'énergie extrêmement faible. Thermiquement, le ciel peut être assimilé à un "puits froid" à 3° Kelvin.
Le fond du ciel à 3° K constitue la principale source froide pour les satellites.

Cet environnement radiatif entraîne des variations extrêmes de température de "peau" du satellite (on appelle ainsi les revêtements du satellite). Ainsi les feuilles externes des matelas isolants peuvent atteindre 80°C sur la face au Soleil et descendre à -200°C sur les faces à l'ombre du satellite.

haut de page, article, chapitre

Équilibre thermique du satellite

reflet1.jpg (19146 octets)Afin d'assurer au satellite SPOT une température moyenne proche de 20°C, il faut établir un bon équilibre entre les sources de chaleur et les sources de froid.
Pour cela des zones radiatives sont aménagées sur les surfaces externes. Ces radiateurs sont couverts par un revêtement spécial, le SSM (Second Surface Mirror) dont les propriétés thermo-optiques permettent un bon dosage entre les flux externes absorbés et le flux rayonné vers le fond du ciel.

Les surfaces non utilisées comme radiateur sont couvertes par des matelas dits "super isolants" dont l'efficacité sous vide est spectaculaire (100 fois meilleure que pour les polystyrènes).

Sur les photographies du satellite, on peut remarquer les radiateurs à leur aspect de miroirs légèrement bleutés. Les matelas super isolants ont une couleur jaune doré due à l'utilisation de films aluminés de polyamide (Kapton R ).

haut de page, article, chapitre

Aménagement thermique interne

Si le dimensionnement des surfaces radiatives permet d'obtenir un niveau moyen de température du satellite correct, il faut ensuite optimiser le contrôle thermique individuel de chaque équipement.

En fonction de la température souhaitée et de la dissipation propre de chaque équipement, celui-ci sera plus ou moins couplé thermiquement avec une surface radiative. Ce couplage sera selon le cas une liaison conductive (conduction par les structures métalliques du satellite ou liaison spécifique) ou bien un couplage radiatif entre la peau de l'équipement et les murs du satellite.

Bien sûr, cet aménagement doit tenir compte de contraintes liées à l'architecture générale du satellite (contraintes fonctionnelles et contraintes mécaniques).

Pendant les phases froides de la mission et en particulier lorsque les équipements sont peu utilisés, il est nécessaire de les maintenir chauds au moyen de résistances chauffantes. C'est le logiciel de vol qui gère le système de contrôle thermique. Les mesures de température, faites au travers d'un réseau de capteurs sont comparées à des valeurs de consigne, les éléments chauffants sont activés et pilotés en fonction du juste besoin.

Certains éléments demandent une régulation très fine de température. C'est le cas des gyroscopes ou de l'horloge de bord qui sont pilotés au dixième ou au centième de degrés. Pour assurer cette stabilité, ces composants sont placés dans un environnement   plutôt froid et ils sont ensuite réchauffés avec une puissance asservie par une loi de commande du type PI (Proportionnel - Intégral).

En cas de panne grave du satellite (mode survie) celui-ci s'oriente automatiquement dans une direction fixe par rapport au Soleil et seuls les équipements essentiels sont maintenus en activité. Un réseau de réchauffeurs électriques asservi par des thermostats mécaniques (bilames) permet de maintenir un niveau de température assurant la sauvegarde des équipements.

haut de page, article, chapitre

Télémesure et télécommandes

Pendant toute la durée de vie opérationnelle du satellite quelques centaines de capteurs (thermistances) placés dans des zones stratégiques permettent de contrôler le bon fonctionnement des équipements. La mesure de la consommation des lignes de chauffage donne une indication précise de l'évolution du satellite.

Les niveaux de température et les lois de commande des réchauffeurs peuvent être modifiés depuis le sol. En cas de défaillance d'un réseau de réchauffeurs, un réseau de secours (redondance) peut être activé en remplacement.

haut de page, article, chapitre

Développement et qualification du contrôle thermique

La définition des moyens à mettre en œuvre pour assurer le contrôle thermique s'appuie sur une modélisation numérique détaillée du satellite et sur de gros logiciels de calcul des flux et des températures.

Des essais en laboratoire sur des échantillons de matériaux et sur des maquettes partielles étayent cette modélisation.

Avant son lancement le satellite subit des essais dans un grand simulateur d'environnement spatial qui permet de reproduire des conditions représentatives de vide et de température.

Pendant les premiers jours en orbite une analyse détaillée des télémesures permet de statuer sur le bon fonctionnement du contrôle thermique et éventuellement de modifier les consignes de régulation.

haut de page, article, chapitre

Héritage de SPOT 1, SPOT 2 et SPOT 3

Le contrôle thermique de SPOT 4 utilise les mêmes principes que ses prédécesseurs. Il a été cependant adapté pour accommoder les évolutions : puissance plus élevée, nouveaux instruments, nouveaux équipements...

Par ailleurs, l'exploitation des télémesures thermiques de SPOT 1 - 2 et 3 a permis de mieux connaître l'environnement des satellites sur l'orbite héliosynchrone et d'évaluer avec plus de précision le comportement des matériaux et des systèmes. Ainsi a t-on découvert, avec surprise, que l'oxygène atomique qui constitue l'essentiel de l'atmosphère résiduelle à l'altitude de SPOT, assure un nettoyage permanent des surfaces externes. Certains radiateurs, que l'on pensait voir vieillir rapidement, sont restés dans un état de jeunesse remarquable.

haut de page, article, chapitre

image2.jpg (6379 octets)

page mise à jour le 06 June 2000