Brevet FR2785667A1 — publié le 20000512

L'invention concerne le domaine des équipements spatiaux. Plus précisément, elle concerne des dispositifs de contrôle thermique d'équipements de satellites. Dans les satellites, du fait de I'absence de transfert de chaleur par convection dans le vide et de la légèreté des structures qui sont en conséquence très isolantes du point de vue thermique, le refroidissement de charges utiles et d'équipements dissipatifs-typiquement antennes, batteries, électronique de puissance, calculateurs de bord-nécessite des dispositifs de contrôle thermique spécifiques. On connaît déjà des dispositifs de contrôle thermique spécifiques destinés à assurer le transfert de la chaleur, dans des satellites, des sources de chaleur vers les sources froides composées de radiateurs exposés au corps noir froid de t'espace. De tels dispositifs de contrôle thermique assurent généralement les échanges thermiques grâce à des boucles fluides monophasiques ou biphasiques. Dans le premier cas, le fluide joue le rote de caloporteur par absorption de la chaleur par la capacité calorifique. Dans le second cas, c'est la chaleur latente de vaporisation du fluide qui permet le transfert de chaleur. La circulation du fluide est assurée par capillarité ou par des pompes. Or, le développement des besoins en ce qui concerne la capacité des satellites, engendre une demande de dispositifs de contrôle thermique de plus en plus puissants, et les limites des dispositifs actuels sont atteintes. Des pompes sont parfois intégrée$ au circuit d'écoulement de fluide, pour activer sa circulation et augmenter la puissance des dispositifs de contrôle thermique, mais leur utilisation pose le problème de leur défaillance. Et toute défaillance limite la durée de vie utile du satellite. En outre, les conditions hydrauliques de fonctionnement de la boucle fluide ne sont pas identiques pendant la phase de test au sol et en vol, en mission opérationnelle. En vol, seules les pertes de charge du circuit hydraulique s'opposent à l'écoulement. Au sol, il faut y ajouter la pression inverse due au poids de la colonne de liquide à élever. Les deux effets sont du mme ordre de grandeur et varient sensiblement dans la mme proportion en fonction de la taille des charges utiles ou des équipements. Ainsi, au sol, une pompe doit générer une élévation de pression typiquement deux fois plus forte que celle qu'elle doit générer en phase de vol. Lorsque des pompes sont utilisées, elles sont généralement dimensionnées pour la phase d'essais au sol et non pas pour la phase de vol, qui est la phase de fonctionnement nominal. Elles sont ainsi largement surdimensionnées par rapport à leur utilisation nominale et fonctionnent donc la plus grande partie du temps dans des conditions non optimales. Le but de l'invention est d'exploiter de façon optimale les capacités de contrôle thermique des équipements spatiaux, en optimisant la durée de vie utile de ces équipements par la redondance et en permettant de tester les dispositifs destinés à assurer ce contrôle thermique dans les meilleures conditions c'est à dire à un point de fonctionnement proche de celui du vol. Ce but est atteint grâce à un procédé de contrôle thermique d'équipement spatial dans lequel on met en oeuvre au moins une unité de pompage d'un ensemble de pompage comportant au moins deux unités de pompage en série, chaque unité de pompage comportant au moins une pompe, avec une vanne en parallèle de chaque pompe pour pouvoir courtcircuiter cette pompe. Le procédé selon l'invention permet d'activer la circulation du fluide avec des pompes conçues pour fonctionner à leur point de fonctionnement optimum, en vol. Le fait de disposer d'au moins deux pompes permet de pallier la défaillance éventuelle de l'une d'elles. Le montage en série d'au moins deux unités de pompage permet d'atteindre la pression nécessaire au sol en additionnant les élévations de pression fournies par chaque pompe, ce qui demande que les pompes soient simultanément alimentées. Par opposition au vol, le découplage des pompes permet d'obtenir la redondance avec le mme nombre de pompes. Avantageusement, suivant le procédé selon l'invention, on fait communiquer au moins deux unités de pompage grâce à un montage en bipasse entre deux unités de pompage. Avantageusement aussi, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape consistant, lorsque l'équipement est soumis à la pesanteur, à fermer au moins deux vannes et faire fonctionner au moins deux pompes. Lors d'essais au sol, il est possible d'utiliser une variante du procédé selon l'invention, suivant laquelle on utilise une pompe pour vaincre les pertes de charges dans un circuit et une autre pompe pour produire une élévation de pression apte à compenser le poids de la colonne de liquide dans le circuit. Avantageusement aussi, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape consistant, lorsque l'équipement est dans l'espace, à faire fonctionner au moins une pompe et fermer au moins la vanne qui est montée en parallèle de cette pompe. Dans l'espace toujours, il est possible d'utiliser une autre variante du procédé selon l'invention, suivant laquelle deux pompes en série, fonctionnent dans un mode dégradé. Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi un dispositif de contrôle thermique d'équipement spatial, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux unités de pompage montées en série, chaque unité de pompage comprenant une pompe et une vanne montée en parallèle de chaque pompe, pour pouvoir court-circuiter chaque pompe. Avantageusement, le dispositif selon l'invention comporte un bipasse entre chaque unité de pompage. Avantageusement aussi, le dispositif selon l'invention comporte au moins une pompe ayant une puissance nominale supérieure à celle d'une autre pompe, cette autre pompe servant uniquement à élever la pression, lors d'essais au sol, et servant de pompe de secours, en vol dans l'espace. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. L'invention sera aussi mieux comprise à I'aide des références aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de dispositif de contrôle thermique de satellite, conforme à la présente invention ; -la figure 2 est une représentation schématique d'un exemple d'ensemble de pompage pour équiper un dispositif de contrôle thermique conforme à la présente invention, tel que celui représenté sur la figure 1 ; -la figure 3 est une représentation schématique d'une variante de l'ensemble de pompage représenté à la figure 2, montrant la configuration de fonctionnement utilisée lors de tests au sol ou dans un mode dégradé ; -la figure 4 est une représentation schématique analogue à celle de la figure 3, dans une première configuration de fonctionnement dans l'espace, de la variante de l'ensemble de pompage représenté sur la figure 3 ; et -la figure 5 est une représentation schématique analogue à celle des figures 2 et 3, dans une deuxième configuration de fonctionnement dans l'espace, de la variante de l'ensemble de pompage représenté sur les figures 3et4. Le procédé selon l'invention, dans l'une de ses mises en oeuvre possibles, est par exemple utilisé pour refroidir des éléments dissipatifs constitutifs de l'équipement de satellites. Dans ce cas, la chaleur générée par ces éléments dissipatifs doit tre évacuée vers une zone froide. Cette tâche est alors assurée par exemple par un dispositif de contrôle thermique 1 comprenant : -un ensemble de pompage 5, faisant circuler un fluide sous sa forme liquide, -un jeu de tubulures 2, -un jeu d'échangeurs thermique 4 ou d'évaporateurs 6, lieu de l'échange de chaleur entre les éléments dissipatifs et le dispositif de régulation thermique 1, et -un condenseur 8, éventuellement, permettant de liquéfier le fluide vaporisé au niveau des évaporateurs 6. Un exemple d'ensemble de pompage 5 est représenté sur la figure 2. Un tel ensemble de pompage 5 comprend deux unités de pompage 10,20 en série. Chaque unité de pompage 10 ou 20 comprend une pompe 12 ou 22 et une vanne 14 ou 24. Le mode de réalisation du dispositif de contrôle thermique 1 représenté sur la figure 2 est totalement équivalent à celui représenté sur les figures 3 à 5. Sur la figure 2, les unités de pompage 10, 20 sont en série. Sur les figures 3 à 5, les unités de pompage 10,20 sont aussi en série mais un conduit de bipasse 15 est commun aux deux unités de pompage 10,20. Ci-dessous, le terme en série désignera indifféremment la configuration avec le conduit de bipasse 15 (figure 2) sur celle sans conduit de bipasse 15 (figures 3 à 5). Préférentiellement, chaque pompe 12 ou 22 est une pompe pressiométrique. Ce type de pompe présente en effet les avantages de pouvoir tre plus facilement miniaturisé que les pompes volumétriques et permet une durée de vie plus grande. Cependant, de telles pompes présentent l'inconvénient, contrairement aux pompes volumétriques, d'avoir un débit très variable en fonction de la perte de charge du circuit hydraulique et de l'effet de la pesanteur. C'est-à-dire que le volume débité ne sera pas le mme en présence ou en absence de forces de pesanteur. Mais le procédé selon l'invention permet de pallier ce type d'inconvénient. Au sein de chaque unité de pompage 10 ou 20, une pompe 12 ou 22 est placée en parallèle d'une vanne 14 ou 24. Lorsque le dispositif de contrôle thermique 1 est en phase de test au sol, I'effet de la pesanteur s'ajoute aux pertes de charges dans le circuit hydraulique du dispositif de contrôle thermique 1, pour à l'écoulement du fluide dans ce circuit. Dans ce cas, t'ensemble de pompage 5 doit délivrer une élévation de pression plus grande qu'en l'absence de forces de pesanteur. En choisissant les pompes 12,22 de manière à ce qu'elles génèrent chacune une pression adéquate et en les mettant en série, on peut obtenir la pression désirée. La configuration correspondante est illustrée par la figure 3. Les deux pompes 12 et 22 sont en fonctionnement alors que les deux vannes 14,24 sont fermées. Le fluide circule selon le trajet C. Lorsque le dispositif est en apesanteur, dans l'espace, seules les pertes de charge dans le circuit hydraulique du dispositif de régulation thermique 1 s'opposent à l'écoulement du fluide dans le circuit. L'élévation de pression qui doit tre délivrée par 1'ensemble de pompage 5 est moindre que lors de la phase de test au sol. Dans ce cas, le fonctionnement d'une seule des pompes 12 ou 22 est nécessaire. L'ensemble de pompage 5 fonctionne dans l'une ou l'autre des deux configurations illustrées respectivement sur les figures 4 et 5. Sur la figure 4, la pompe 12 est arrtée et la vanne 24 est fermée, tandis que la pompe 22 fonctionne et que la vanne 14 est ouverte. Le fluide circule suivant le trajet C'. Si la pompe 22 présente une défaillance, il est alors possible de t'arrter, de fermer la vanne 14, d'ouvrir la vanne 24 et de mettre en fonctionnement la pompe 12. Le fluide circule suivant le trajet C". Cette configuration est représentée sur la figure 5. On prolonge ainsi la durée de vie du dispositif de contrôle thermique 1 et par là mme, celle du satellite. Si chacune des pompes 12 et 22 présente une défaillance qui réduit la pression délivrée par chacune d'elle, il est possible de fermer les deux vannes 14 et 24 et de continuer à faire fonctionner les deux pompes 12 et 22 en mode dégradé. Cette configuration correspond à celle illustrée par la figure 3 où le fluide circule suivant le trajet C. Cette configuration, correspondant à un fonctionnement en mode dégradé, permet aussi de prolonger la durée de vie du dispositif de contrôle thermique 1. On constate donc que l'on obtient avec deux pompes 12,22 et deux vannes 14,24, quatre modes de fonctionnement : un mode de test au sol, deux modes de fonctionnement normal dans l'espace et un mode de fonctionnement dégradé dans t'espace. Le fait de pouvoir faire fonctionner le dispositif de contrôle thermique 1 dans un mode spécifique de test au sol et dans un mode spécifique de fonctionnement normal dans l'espace, différents l'un de I'autre, permet donc : -de dimensionner les pompes de façon optimale pour leur utilisation nominale en vol, -d'effectuer les essais au sol en associant les pompes 12,22 en série, et -d'obtenir en plus de la redondance liVe à l'existence des deux pompes 12, 22, un mode de fonctionnement dégradé supplémentaire. II a été décrit ci-dessus un mode de réatisation d'un ensemble de pompage 5 comprenant deux unités de pompage 10, 20 en série, chaque unité comprenant une pompe 12 ou 22 et une vanne 14 ou 24 en parallèle avec chaque pompe 12 ou 22. Mais l'Homme du Métier comprendra que l'esprit de l'invention s'étend à des procédés mettant en oeuvre des ensembles de pompage 5 comprenant plus de deux unités de pompage 10, 20 en série les unes avec les autres, certaines de ces unités de pompage 10, 20 pouvant d'ailleurs tre placées en parallèle de certaines autres, tant qu'au moins deux de ces unités de pompage 10,20 restent en série. Par ailleurs, chaque unité de pompage 10,20 peut comprendre plusieurs pompes 12, 22 placées en série et/ou en parallèle les unes avec les autres. Avantageusement, les ensembles de pompage 5 pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention assurent un transfert de puissance de l'ordre de 500W à 5 KW. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle thermique d'équipement spatial dans lequel on met en oeuvre au moins une unité de pompage (10, 20) d'un ensemble de pompage comportant au moins deux unités de pompage (10, 20) en série, chaque unité de pompage (10,20) comportant au moins une pompe (12, 22), avec une vanne (14,24) en parallèle de chaque pompe (12, 22) pour pouvoir court-circuiter cette pompe (12,22). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait communiquer au moins deux unités de pompage grâce à un montage en bipasse entre deux unités de pompage (10, 20). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape consistant, lorsque l'équipement est dans t'espace, à faire fonctionner au moins une pompe (12,22) et fermer au moins la vanne (14,24) qui est montée en parallèle de cette pompe (12, 22). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape consistant, lorsque l'équipement est soumis à la pesanteur, à fermer au moins deux vannes (14, 24) et faire fonctionner au moins deux pompes (12,22). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise, lors d'essais au sol, une pompe (12,22) pour vaincre les pertes de charges dans un circuit (1) et une autre pompe (22,12) pour produire une élévation de pression apte à compenser le poids de la colonne de liquide dans le circuit (1). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise dans l'espace, deux pompes (12,22) en série, chacune fonctionnant dans un mode dégradé. 7. Dispositif de contrôle thermique d'équipement spatial, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux unités de pompage (10, 20) montées en série, chaque unité de pompage (10,20) comprenant une pompe (12,22) et une vanne (14,24) montée en parallèle de chaque pompe pour pouvoir court-circuiter cette pompe (12,22). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un bipasse entre deux unités de pompage (10, 20). 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une pompe (12,22) ayant une puissance nominale supérieure à celle d'une autre pompe (22,12), cette autre pompe (22,12) servant uniquement à élever la pression, lors d'essais au sol et servant de pompe de secours, en vol dans t'espace. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait qu'au moins une pompe (12,22) est une pompe pressiométrique.