Brevet FR2812075A1 — publié le 20020125

SYSTEME DE RADIATEUR D'ENGIN SPATIAL UTILISANT UNE POMPE A CHALEUR La présente invention se rapporte d'une façon générale aux satellites ou aux engins spatiaux, et plus particulièrement à un système de radiateur d'engin spatial ou de satellite employant une pompe à chaleur. Le cessionnaire de la présente invention fabrique et déploie des satellites ou engins spatiaux dans des orbites terrestres géosynchrones et basses. Les engins spatiaux actuellement déployés utilisent des conduits de chaleur pour dissiper la chaleur générée par les charges utiles sur l'engin spatial. Les conduits de chaleur transfèrent de l'énergie thermique vers les panneaux de radiateur de l'engin spatial o elle est rayonnée dans l'espace. Les panneaux de radiateur de satellite de communications classiques utilisant de tels conduits de chaleur sont dimensionnés de façon caractéristique individuellement pour rejeter à la fois la dissipation de la charge utile et solaire durant les saisons des solstices. Les solutions classiques à ce problème sont décrites dans le brevet des Etats- Unis n 3 749 156 délivré à Fletcher, le brevet des Etats-Unis n 5 351 746 délivré à Mackey, et le brevet des Etats-Unis n 5 806 803 délivré à Watts. En outre, les engins spatiaux actuellement déployés utilisent des conduits de chaleur (à la fois classiques et en boucle) pour recueillir et répartir la chaleur vers des panneaux de radiateur d'engin spatial sur les surfaces de l'engin spatial tournées vers le nord et le sud. Les systèmes de radiateur classiques utilisent des conduits de chaleur pour transporter la chaleur depuis l'emplacement de montage de la charge utile vers le radiateur de l'engin spatial. Ces systèmes de conduits de chaleur utilisent de façon caractéristique un tubage d'aluminium de 0,5 pouce (1, 27 cm) à 0,75 pouce 2 2812075 (1,9 cm) avec une structure à rainures internes ou à mèches poreuses. Les systèmes de conduits de chaleur classique ne permettent pas d'élever la température du radiateur de l'engin spatial au-dessus de la température de la source. Les panneaux de radiateur à conduit de chaleur sont à la température de la source ou de la charge utile ou en dessous de celle-ci. Des pompes à chaleur ont été très utilisées dans des applications terrestres, mais n'ont jamais été utilisées dans des applications d'engins spatiaux commerciaux. De même, des systèmes thermiques à pompage sont prévus pour la station spatiale, cependant, les systèmes de la station spatiale n'élèvent pas la température du radiateur comme le système de radiateur à pompe à chaleur de la présente invention. En conséquence, c'est un but de la présente invention de réaliser un dispositif de dissipation de chaleur amélioré comprenant un système de radiateur d'engin spatial ou de satellite qui emploie une pompe à chaleur. Pour atteindre les objectifs ci-dessus et d'autres, la présente invention réalise un système de radiateur d'engin spatial ou de satellite comprenant une pompe à chaleur. Le présent système de radiateur permet d'obtenir un dispositif de dissipation de chaleur à boucle fermée amélioré, en vue d'une utilisation sur un engin spatial ou un satellite. Le système de radiateur du satellite comprend la pompe à chaleur et un radiateur-condenseur. La pompe à chaleur comprend un évaporateur, un compresseur, et une vanne de détente. La pompe à chaleur est reliée au radiateur-condenseur qui rayonne la chaleur provenant du système. Le système de radiateur pour satellite fonctionne en utilisant un fluide tel que de l'ammoniac, en utilisant de préférence un cycle thermodynamique inversé de Rankine. 3 2812075 Plus particulièrement, l'évaporateur reçoit de la chaleur obtenue à partir d'une charge utile. L'évaporateur est relié au compresseur qui est alimenté par une source d'alimentation de l'engin spatial, telle qu'un panneau solaire. Le compresseur est relié au radiateur-condenseur, qui rayonne la chaleur provenant du système. La vanne de détente est reliée entre le radiateurcondenseur et l'évaporateur pour boucler le système à boucle fermée. Le système de radiateur à base de pompe à chaleur permet de recueillir la chaleur depuis la charge utile de l'engin spatial et de la transférer vers le radiateur- condenseur pour être dissipée à des températures élevées. Les systèmes de radiateur d'engin spatial conformes à l'état de l'art, actuellement utilisés présentent une température du radiateur qui est soit la même, soit est inférieure à la température de la charge utile ou de la source. Au contraire, le système de pompe à chaleur employé dans la présente invention permet d'augmenter la température du radiateurcondenseur, en réduisant ainsi la surface requise du radiateur de l'engin spatial et la masse de l'engin spatial. Un engin spatial caractéristique utilise actuellement ses faces nord et sud en tant que surfaces de rayonnement principales. Les autres surfaces de l'engin spatial (à l'est, à l'ouest, vers la terre et vers l'opposé de la terre) ne sont habituellement pas efficaces comme surfaces de rayonnement principales en raison d'une charge solaire relative élevée. En utilisant le présent système de pompe à chaleur, les températures du radiateur de l'engin spatial peuvent être élevées, et de ce fait, ces autres surfaces de l'engin spatial (à l'ouest, à l'est, vers la terre et vers l'opposé de la terre) peuvent être utilisées efficacement comme surfaces de rayonnement. 4 2812075 En permettant que toutes les surfaces de l'engin spatial soient utilisées, la masse globale de l'engin spatial et son volume peuvent être réduits. Ceci donne une possibilité de dissipation thermique supérieure pour un volume fixe de véhicule de lancement ce qui est un avantage. Comme cela a été mentionné dans la présentation de l'art antérieur, les systèmes de radiateur classiques utilisent des conduits de chaleur pour transporter la chaleur depuis l'emplacement de montage de la charge utile vers le radiateur de l'engin spatial en utilisant un tubage d'aluminium de 0,5 pouce (1,27 cm) à 0,75 pouce (1,9 cm) avec des rainures internes ou des mèches poreuses. Le present système de pompe à chaleur permet de remplir la même fonction avec un tubage à parois minces et lisses, de petit diamètre. Le présent système de pompe à chaleur représente des économies de poids par rapport aux systèmes de répartition de chaleur à conduit de chaleur classiques. Les panneaux de radiateur à conduit de chaleur des systèmes de dissipation de chaleur d'engins spatiaux classiques sont à la température de la source ou de la charge utile ou au-dessous de celle-ci, par opposition à la présente invention qui est à une température élevée. Les engins spatiaux actuellement déployés utilisent des surfaces de rayonnement vers le nord ou vers le sud, alors que la présente invention permet de mettre en communication thermique et d'utiliser efficacement comme radiateurs toutes les surfaces de l'engin spatial. Les diverses caractéristiques et avantages de la présente invention peuvent être plus facilement compris en faisant référence à la description détaillée suivante, prise conjointement aux dessins annexés, dans lesquels des références numériques identiques désignent des éléments de structure identiques, et dans lesquels: 2812075 La figure 1 illustre un exemple d'engin spatial dans lequel la présente invention peut être employée, et La figure 2 illustre un exemple de système de radiateur à pompe à chaleur d'engin spatial, conforme aux principes de la présente invention. En se référant aux figures des dessins, la figure 1 illustre un exemple d'engin spatial 10 dans lequel un dispositif de dissipation de chaleur 20 ou un système de radiateur d'engin spatial 20 conforme à la présente invention peut être employé. L'engin spatial 10 comporte six surfaces 12 (comprenant une surface nord 12a, une surface sud 12b, une surface est 12c, une surface ouest 12d, une surface tournée vers la terre 12e et une surface vers l'arrière ou à l'opposé de la terre 12f), qui peuvent comporter une seule ou une pluralité de surfaces de rayonnement pouvant être déployées (non représentées). L'engin spatial 10 comporte un ou plusieurs panneaux solaires 13 pouvant être déployés, dont l'un est représenté. Certaines ou la totalité de ces surfaces 12 sont utilisées comme surfaces de rayonnement de chaleur pour l'engin spatial 10. De telles surfaces 12 dissipent de la chaleur depuis une charge utile (telle que des systèmes de communications, des systèmes de commande, et des instruments électroniques et autres) disposée sur l'engin spatial 10. Ces surfaces 12 comportent un tubage à parois minces de petit diamètre 14 disposé (incorporé) entre elles ou monté sur cellesci (seules quelques-unes sont représentées), qui est raccordé au dispositif de dissipation de chaleur 20 ou au système 20 de la présente invention. Les détails du dispositif de dissipation de chaleur 20 ou du système 20 sont fournis en faisant référence à la figure 2. En se référant à la figure 2, celle-ci illustre un exemple de système de radiateur à pompe à chaleur d'engin spatial 20, ou un dispositif de dissipation de chaleur 6 2812075 , conforme aux principes de la présente invention. Le système de radiateur à pompe à chaleur 20 comprend une pompe une chaleur 21 qui est reliée suivant une boucle fermée à un radiateur-condenseur 26. Le radiateur- condenseur 26 rayonne de la chaleur depuis le système 20 et l'engin spatial 10. Le système de radiateur à pompe à chaleur 20 fonctionne de préférence en utilisant un cycle thermodynamique inversé de Rankine. Le système de radiateur à pompe à chaleur 20 utilise un agent fluide pour amener la chaleur au radiateur-condenseur 26. L'agent fluide utilisé dans le système 20 peut être de l'ammoniac, par exemple. La pompe à chaleur 21 comprend un évaporateur 22, un compresseur 23, et une vanne de détente 24 qui sont reliés en boucle fermée au radiateurcondenseur 26 de la manière indiquée sur la figure 2. L'évaporateur 22, le compresseur 23, la vanne de détente 24 et le radiateur- condenseur 26 sont interconnectés au moyen d'un tubage 28 à parois minces et lisses de petit diamètre. Plus particulièrement, l'évaporateur 22 reçoit de la chaleur obtenue à partir d'une charge utile. L'évaporateur 22 est relié au compresseur 23 qui est alimenté par une source d'alimentation d'engin spatial 25 telle que le panneau solaire 13. Le compresseur 23 est relié au radiateur-condenseur 26 disposé sur des surfaces sélectionnées 12 de l'engin spatial 10 qui rayonne de la chaleur depuis le système 20 et l'engin spatial 10. La vanne de détente 24 est reliée entre le radiateur- condenseur et l'évaporateur pour boucler le système en boucle fermée. La pompe à chaleur 21 prélève la chaleur qui entre dans l'évaporateur 22 depuis la charge utile et la pompe vers le radiateur-condensateur 26 au moyen du compresseur 23, ce qui élève également la température du fluide au- dessus de celle de l'évaporateur 22. La vanne de détente 7 2812075 24 est utilisée pour ramener le fluide dans son état d'origine et le renvoyer vers l'évaporateur 22. Un système en variante 20 transfère de la chaleur depuis la boucle de pompage comprenant la pompe à chaleur 21 et le radiateur-condenseur 26 vers un réseau de conduits de chaleur 27 dans le radiateur-condenseur 26 (illustré d'une façon générale par le tubage 14 qui est indiqué sur la figure 1) pour répartir la chaleur dans tout le radiateur-condenseur 26. Ainsi, un dispositif de dissipation de chaleur amélioré comprenant un système de radiateur d'engin spatial ou de satellite qui emploie une pompe à chaleur a été décrit. Il doit être compris que le mode de réalisation décrit ci-dessus est simplement illustratif de certains des nombreux modes de réalisation particuliers qui représentent des applications des principes de la présente invention. Evidemment, des agencements nombreux et autres peuvent être facilement envisagés par l'homme de l'art sans s'écarter de la portée de l'invention. 8 2812075 REVENDICATIONS 1. Dispositif de dissipation de chaleur (20) destiné à dissiper de la chaleur générée par une charge utile sur un engin spatial (10) comportant une pluralité de surfaces (12), le dispositif de dissipation comprenant: un ou plusieurs radiateurs-condenseurs (26) reliés à une ou plusieurs des surfaces (12) de l'engin spatial, et une pompe à chaleur (21) comprenant un évaporateur (22), un compresseur (23) et une vanne de détente (24) reliés en boucle fermée au radiateur-condenseur (26). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'évaporateur (22), le compresseur (23), la vanne de détente (24) et le radiateur-condenseur (26) sont interconnectés au moyen d'un tubage (28) à parois minces de petit diamètre. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'évaporateur (22), le compresseur (23), la vanne de détente (24) et le radiateur-condenseur (26) sont interconnectés au moyen d'un tubage (28) à parois lisses de petit diamètre. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le compresseur (23) est alimenté par une source d'alimentation de l'engin spatial. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la source d'alimentation de l'engin spatial (25) comprend un panneau solaire (13). 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la pompe à chaleur contient un agent fluide pour amener la chaleur depuis l'évaporateur (22) vers le radiateur- condenseur (26). 9 2812075 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'agent fluide comprend de l'ammoniac. 8. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le compresseur (23) élève la température du fluide au- dessus de la température du fluide dans l'évaporateur (22). 9. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les surfaces (12) comportent entre elles un tubage (14) à parois minces de petit diamètre. 10. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les surfaces (12) comportent un tubage (14) à parois minces de petit diamètre monté sur celles-ci. 11. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'engin spatial présente une surface nord (12a), une surface sud (12b), une surface est (12c), une surface ouest (12d), une surface (12e) tournée vers la terre et une surface (12f) tournée à l'opposé de la terre, et qui peut comporter une seule ou une pluralité de surfaces de rayonnement pouvant être déployées. 12. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'engin spatial (10) comprend en outre une ou plusieurs surfaces de rayonnement pouvant être déployées auxquelles un ou plusieurs radiateurs-condenseurs (26)sont reliés, et auxquelles la pompe (21) à chaleur est reliée. 13. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système de radiateur à pompe à chaleur fonctionne en utilisant un cycle thermodynamique inversé de Rankine. o 2812075 14. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la pompe à chaleur (21) est reliée à un réseau (27) de conduits de chaleur dans le radiateur-condenseur (26) afin de répartir la chaleur dans tout le radiateur-5 condenseur.