Brevet FR2840881A1 — publié le 20031219

sections est mise en forme aerodynamiquement. 1 2840881 DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT POUR VEHICULE SPATIAL La presente invention concerne les dispositifs de refroidissement destines a evacuer la chaleur generee par des charges placees sur un satellite geostationnaire et notamment la chaleur degagee par les tubes a ondes progressives a grande puissance a radio frequence (depassant generalement watts) utilises sur les satellites de telecommunication. Les tubes a ondes progressives, ou TOP, maintenant utilises sur les satellites de telecommunication ont un collecteur qui peut supporter une temperature elevee, depassant 90 C et pouvant atteindre 240 C dans certains cast Pour evacuer la chaleur generee au collecteur, on utilise surtout a l'heure actuelle un montage des tubes a ondes progressives tel qu'un radiateur prolongeant le collecteur soit place a l'exterieur du corps du satellite et rayonne vers l'espace noir. Cette solution presente de nombreux inconvenients. Les TOP vent places contre des parois du corps eloignees de celles qui portent les antennes d'emission, ce qui impose des guides d'ondes de longueur appreciable, generant une perte de puissance importante des signaux radio frequence. Par ailleurs, I'enrobage des connections reliant le collecteur au canon du tube etant au bout du collecteur, il est soumis a des environnements thermiques extremes et a des contraintes qui le fragilisent, en particulier lors des changements de temperature. Les brevets FR 93 00 729 et US 5 494 241 decrivent un montage plus avantageux, consistent a placer les TOP a l'interieur du corps du satellite et a relier par un chemin thermique leur collecteur a un radiateur place hors de la paroi. Mais cette solution laisse encore subsister la necessite de placer le TOP a proximite d'une face nord ou sud du satellite. On a enfin propose de relier le TOP ou chaque TOP a un radiateur porte par une face nord ou sud d'un satellite par un caloduc. Mais un tel caloduc, constitue par un tube rigide dont la surface interne est munie de rainures de retour capillaire du fluide condense, est forcement de falble longueur et rigide. II impose encore de placer le TOP a proximite du radiateur. 2 2840881 La presente invention vise a fournir un dispositif de refroidissement pour satellite geostationnaire de telecommunication repondant mieux que ceux anterieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de placer les TOP et les radiateurs d'evacuation de chaleur a une distance importante et done de laisser une large latitude de mise en place des TOP. Pour cela, I'invention utilise la capacite des materieux composant le collecteur des TOP actuels a supporter des temperatures depassant 90 C en fonctionnement. L'invention propose en consequence, notamment, un dispositif de refroidissement de tube a once progressive ayant un collecteur fonctionnant a haute temperature et isole thermiquement du reste du tube, ce dispositif comportant un radiateur decouple thermiquement du corps du satellite et place dans une orientation telle qu'il dissipe la chaleur par radiation vers l'espace et une boucle fluide a pompage mecanique ou capillaire d'echange de chaleur entre un echangeur chaud en liaison thermique avec le collecteur du satellite et un echangeur froid appartenant au radiateur. La mise en cauvre de ['invention permet de placer les TOP ntimporte ou dans le satellite, car les boucles fluides autorisent des distances importantes entre l'echangeur chaud (couple thermiquement au collecteur) et l'echangeur froid (appartenant au radiateur). En particulier, il est possible de placer les TOP a proximite des antennes d'emission de facon a ecarter le besoin de guide d'ondes de grande longueur. L'invention trouve une application particulierement interessante sur les satellites comportant un module de charge utile, qui peut changer notablement de satellite a satellite, et un module de service susceptible d'etre fabrique en eerie. C'est ce module de service qui porte en general les radiateurs, deployables apres mise sur orbite, qui evacuent la chaleur. Les TOP vent au contraire places dans le module de charge utile. L'invention permet d'assurer, avec des pertes thermiques reduites, I'evacuation de la chaleur generee par les TOP meme stirs vent places a une distance des radiateurs qui peut atteindre plusieurs metres. Les TOP concernes par ['invention exigeant un echangeur chaud a une temperature depassant 90 C, le fluide utilise dans la boucle doit etre choisi en consequence. On ne pourra generalement pas employer ['ammoniac, alors qu'il est frequemment utilise a plus basse temperature. Dans le cas d'une boucle monophase a pompage mecanique, on utilisera souvent l'eau, des hydrocarbures legers, des fluorocarbones ou autres liquides compatibles des hautes temperatures. La circulation sera alors assuree par une pompe. Dans le cas d'une boucle biphase a pompage capillaire, on pourra notamment utiliser de l'eau, du toluene, ou d'autres fluides compatibles des hautes temperatures. Dans un mode particulier de realisation, utilisant une boucle monophase, il est possible de refroidir en serie les emetteurs d'un ou de plusieurs TOP, puis les collecteurs. Le fluide provenant de ltechangeur du radiateur passe alors successivement dans des echangeurs de chaleur refroidissant les emetteurs, puis dans des echangeurs de chaleur avec les collecteurs, qui peuvent supporter une temperature plus elevee. La boucle fluide peut etre regulee de diverges fa,cons, par exemple par commande de la pompe ou, mieux, par commande d'une liaison entre ['entree et la sortie de l'echangeur de chaleur froid. Dans le cas d'une boucle bi-phase, le pompage sera generalement assure par capillarite. Pour cela la liaison entre l'echangeur froid et l'echangeur chaud peut etre assure par un tube, eventuellement souple, occupe par une meche metallique constituent des conduits capillaires de retour de liquide condense vers l'echangeur chaud. Du fait que les boucles fluides mono-phase ou bi-phase permettent d'accepter des distances importantes et des trajets tortueux entre echangeur froid et echangeur chaud, le dispositif suivant ['invention est notamment utilisable lorsque l'echangeur froid est constitue par un radiateur qui passe d'une position ou il est plaque contre le corps du satellite au cours du lancement a une position deployee apres venue sur orbite. Dans ce cas, la 4 2840881 boucle doit comporter une partie souple permettant de tolerer le passage du radiateur d'une position a l'autre. On utilisera generalement un tron, con de conduite souple en helice ou "queue de cochon" qui peut etre enroule autour de la charniere d'articulation du radiateur. Un interet supplementaire du caractere deformable d'une boucle est le fait que le fonctionnement peut etre verifie dans des conditions simulant celles qui vent rencontrees dans l'espace en utilisant une chambre a vice dont le volume ne permet pas d'y placer le satellite avec les radiateurs deployes; a condition de prevoir une charniere pouvant etre demontee, le satellite peut etre place dans la chambre avec le radiateur a distance du corps du satellite, mais encore relic aux charges a refroidir, et notamment aux TOP, par la boucle dont le fonctionnement pourra done etre teste. Les caracteristiques ci-dessus ainsi que d'autres appara^'tront mieux a la lecture de la description qui suit de modes particuliers de realisation donnes a titre d'exemples non limitatifs. La description se refere aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 est un schema montrant la configuration generale d'un satellite de telecommunication geostationnaire muni de radiateurs deployables. - La figure 2 montre une constitution possible de boucle fluide mono phase permettant de refroidir en serie plusieurs TOP - La figure 3 montre schematiquement une constitution possible d'echangeur de chaleur entre collecteur et boucle fluide. - La figure 4 est une vue en coupe d'un tube utilisable dans une boucle fluide bi-phase. - La figure 5 montre un mode de liaison possible entre un radiateur et la paroi du module de service d'un satellite, permettant de deployer le radiateur une fois en orbite. Le satellite dont la constitution generale est montree en figure 1 est destine a etre place sur une orbite equatoriale geostationnaire 10. II est prevu pour etre stabilise suivant trots axes: X, Y et Z. 11 comporte un module de service 14 qui porte les panneaux solaires 16 munis de moteurs permettant de les faire tourner autour de l'axe de tangage Y pour les maintenir orientes vers le soleil. Les parois nord et sud de la structure du module 14 vent generalement prevues de facon a presenter une emissivite elevee mais en meme temps a avoir une absorption limitee du rayonnement solaire. La majeure partie de la dissipation de chaleur est assuree par un ou des radiateurs deployables 15 qui, en fonctionnement, vent egalement orientes vers le nord et le sud. Le module de service 14 est fixe a un module de charge utile 17 qui contient des charges qui dolvent etre refroidies, notamment des tubes a ondes progressives ou TOP relies a des antennes 20 d'emission vers la terre 12. Le dispositif de refroidissement montre en figure 2 comporte une boucle monophase et est prevu pour assurer le refroidissement de plusieurs TOP 26 dont le collecteur 28 est prevu pour fonctionner a une temperature superieure a 90 C et ne devant pas depasser une valeur de l'ordre de 240 C. Le collecteur du TOP dissipe environ 90% de la chaleur generee. La partie du tube 30 contenant le canon doit etre maintenue a une temperature plus basse, typiquement ne depassant pas environ 75 C. Dans le cas de la figure 2, la boucle fluide comporte un echangeur froid 32 incorpore a un radiateur 15 et des echangeurs chauds. Une pompe 36 met en circulation le liquide qui remplit la boucle. Ce liquide circule ainsi successivement dans les echangeurs de chaleur 33 associes au canon des TOP, puis dans les echangeurs 34 de refroidissement des collecteurs, et dans l'echangeur froid 32. La regulation de temperature peut etre assuree de diverges fa,cons. On peut notamment utiliser une vanne a trots voies 38 qui, dans une position, permet la circulation dans la boucle telle qu'elle vient d'etre definie et, dans une autre position, ouvre une conduite de by-pass 40 courtcircuitant ltechangeur de chaleur 32. Chacun des TOP peut etre monte sur le corps du satellite de la fa,con indiquee sur la figure 3. Le TOP est porte par la peau 36 du satellite par I'intermediaire d'une couche isolante 42 et des echangeurs d'evacuation de chaleur associes a ce TOP. Le faisceau 43 de fils reliant le collecteur au canon peut constituer une nappe traversant l'enrobage du connecteur terminal. La fxation du collecteur et du canon sur l'echangeur associe peut s'effectuer a S ['aide d'un joint thermique capable de supporter ia temperature en fonctionnement, permettant de minimiser le gradient de temperature. Un meme satellite peut porter plusieurs boucles de refroidissement, soit pour assurer une redondance, soit pour disposer de plusieurs groupes de TOP munis de circuits de refroidissement independents. Des charges supplementaires a refroidir 44 peuvent etre interposees sur la boucle. Dans un autre mode de realisation de ['invention, qui presente l'avantage d'eviter l'utilisation d'une pompe de circulation fonctionnant a haute temperature, la boucle de refroidissement est biphase. Wile peut comporter alors une seule conduite permettant la circulation du fluide a l'etat liquide par capillarite et le retour de vapeur du fluide. On peut notamment utiliser une conduite 48 du genre montre en figure 4. Cette conduite, souple ou rigide, contient un garnissage interieur 45 en materiou presentant des canaux capillaires. On peut notamment utiliser dans ce but une eponge constituee de fi bres metal l iques. Des canaux 46 reg u l ierement reserves a la peripherie du garnissage de la conduite permettent le retour du fluide gazeux. Dans le cas d'une telle boucle l'echangeur froid constitue un condenseur alors que l'echangeur chaud constitue un evaporateur. II n'est plus possible de disposer en serie des echangeurs de refroidissement des canons et d es col l ecteu rs. Les ca nons seront alors generalement refroid is so it par u ne boucle differente, soit par simple conduction, ce qui ne presente pas de difficulte majeure car ils ne generent qu'une fraction faible de la chaleur a evacuer. La temperature des collecteurs pouvant atteindre une valeur proche de 240 C et la temperature au niveau d'un condenseur place dans un radiateur depassant souvent 90 C, I'ammoniac ne convient pas en general. On pourra utiliser notamment l'eau, qui a cependant ['inconvenient d'une pression de vapeur elevee aux temperatures atteintes et qui risque de geler en dehors des phases de fonctionnement ainsi que du toluene. Le radiateur 15 contenant l'echangeur froid (condenseur dans le cas d'une boucle bi-phase) est generalement monte sur le corps du satellite par S des charnieres 52 permettant de deployer le radiateur d'une position de stockage ou il est plaque contre le corps du satellite a la position deployee dans laquelle il est monte figure 1. La liaison (ou les liaisons) entre l'echangeur froid 32 et le reste de la boucle doit tolerer ce deplacement. Dans le cas montre en figure 5, cheque liaison est constituee par un tron,con souple 50 en helice. L'utilisation d'une boucle fluide a pompage mecanique ou capillaire permet d'accepter de fortes courbures des conduites. La constitution et l'etat de surface du radiateur seront adaptes a la temperature de fonctionnement choisie de fa,con a obtenir une emissivite elevee. Les revetements utilises permettant d'obtenir de fortes emissivites a hautes temperatures vent par exemple: les peintures blanches jusqu'a 160 C, I'aluminium oxyde en surface jusqu'a 240 C. A des temperatures plus basses, jusquta 1 20 C environ, on peut utiliser un revetement colle de reflecteur optique solaire. 8 2840881 REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement de tube a ondes progressives ayant un collecteur fonctionnant a haute temperature et isole thermiquement du reste du tube, le dispositif comportant un radiateur (15) decouple thermiquement du corps du satellite et place dans une orientation telle qu'il dissipe la chaleur par radiation vers l'espace et une boucle fluide d'echange de chaleur entre un echangeur chaud en liaison thermique avec le collecteur du satellite et un echangeur froid (32) appartenant au radiateur. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caracterise en ce que la boucle est monophase et en ce qu'elle est constituee de fa,con a refroidir en serie l'emetteur d'un tube a ondes progressives, puis son collecteur (28). 3. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que la boucle est constituee de fa,con que le fluide provenant de l'echangeur froid du radiateur passe successivement dans des echangeurs de chaleur refroidissant les emetteurs de plusieurs tubes a ondes progressives, puis dans les echangeurs chauds refroidissant les collecteurs des dits tubes a ondes progressives; 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caracterise en ce que le fluide est mis en mouvement dans la boucle par une pompe. 5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, caracterise en ce que la boucle fluide est regulee par commande d'une liaison entre ['entree et la sortie de l'echangeur de chaleur froid. 6. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caracterise en ce que la boucle est bi-phase et en ce que le pompage dans la boucle est effectue par capillarite. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que la boucle fluide comporte un tron,con souple. 8. Vehicule spatial comportant une boucle suivant l'une quelconque des revendications precedentes dont l'echangeur froid est integre a un radiateur pouvant passer d'une position ou il est plaque contre le corps du satellite a une position deployee, a la boucle comportant une partie