Brevet FR2920229A1 — publié le 20090227

Amélioration des performances d'instruments d'observation par l'utilisation de revêtements à émissivité variable. La présente invention concerne un instrument d'observation, et plus précisément la cavité avant d'un dispositif optique d'observation ; elle 5 est notamment applicable dans le domaine spatial. En effet, dans le cadre d'un instrument spatial d'observation, les structures optiques et miroirs mis en oeuvre nécessitent une très grande stabilité géométrique à température ambiante, aussi bien à long terme qu'à 10 court terme. Ce point est crucial, en particulier pour les structures ou miroirs du dispositif. Par conséquent, il est indispensable de maintenir une stabilité thermique élevée au niveau des éléments structuraux du dispositif 15 d'observation ainsi qu'au niveau du gradient en température dans l'épaisseur des miroirs. Ceci concerne particulièrement les éléments situés dans la cavité d'entrée du dispositif, puisque ceux-ci sont soumis tout au long de l'année, directement ou indirectement, aux importantes variations de flux externes (flux solaire, terrestre ou albédo) sur leur orbite. 20 Actuellement, la régulation thermique des miroirs embarqués sur de tels instruments est généralement assurée par des dispositifs de régulations actifs, de type radiatif, situés derrière les optiques. Ce type de régulation permet de maintenir la température des miroirs à un niveau défini 25 et de compenser les variations de flux absorbé par la face avant au cours de l'année. En revanche, ce type de régulation ne permet pas de compenser les fluctuations orbitales dans le cadre de satellite en orbite basse, en raison du mode d'échange purement radiatif entre les réchauffeurs et le miroir. D'autre part, de tels dispositifs de régulation thermique exigent une puissance 30 moyenne importante, ce qui est pénalisant dans le cadre de missions spatiales. D'autres techniques basées sur des dispositifs optiques actifs existent. Cependant, ces solutions sont non seulement coûteuses et complexes à mettre en oeuvre mais elles présentent par ailleurs d'importants risques de panne du fait de l'emploi d'un dispositif électronique dédié. Cet inconvénient est généralement rédhibitoire pour des missions spatiales. En résumé, les solutions existantes visant à réguler les fluctuations thermiques au sein des cavités avants d'instruments spatiaux d'observation présentent, selon le cas, des inconvénients majeurs tels que le coût, la complexité, la non-fiabilité ou encore la puissance moyenne orbitale nécessaire élevée. Pour pallier ces inconvénients, la présente invention propose un dispositif intégrant une régulation thermique simple et entièrement passive. En effet, l'apparition de nouveaux matériaux, dits à émissivité variable, ou matériaux de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais), permet de développer une nouvelle approche de la problématique exposée ci-dessus. Ainsi, pour limiter les fluctuations de température dans la cavité avant de dispositifs optiques et par conséquent les fluctuations thermoélastiques des structures et miroirs qu'ils comportent, l'invention propose d'appliquer sur la face interne de la cavité avant des instruments d'observation et à proximité des optiques un revêtement à émissivité variable dont l'émissivité varie avec la température : de cette façon, lorsque la cavité avant se refroidit, elle devient moins émissive et les fluctuations thermiques sont donc amorties. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif optique présentant une surface interne et comportant : • une cavité rigide présentant une paroi interne, et située à une extrémité, fermée, du dispositif tandis que l'extrémité opposée, 30 ouverte, est appelée entrée du dispositif, • des moyens optiques tels que des miroirs ou des lentilles, dont au moins un moyen optique primaire situé au sein de la cavité rigide, caractérisé en ce qu'un premier revêtement à émissivité variable 35 recouvre au moins partiellement la paroi interne de ladite cavité rigide, à proximité dudit moyen optique primaire, ledit premier revêtement à émissivité variable présentant une émissivité décroissant avec la température dans la cavité rigide, de sorte que la température du moyen optique primaire fluctue moins quand la température dans la cavité rigide varie. Avantageusement, le premier revêtement à émissivité variable est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). Avantageusement, le premier revêtement à émissivité variable présente une émissivité inférieure à environ 0,4 à 220 K et une émissivité 10 supérieure à environ 0,7 à 300 K. Avantageusement, le premier revêtement à émissivité variable présente une absorptivité solaire constante et élevée, supérieure à environ 0,8. Avantageusement, le dispositif comprend des MLI (pour Mufti-15 Layer Insulation en anglais) tapissant au moins partiellement la surface interne du dispositif et assurant une fonction d'isolation thermique. Avantageusement, un deuxième revêtement à émissivité variable recouvre au moins partiellement lesdits MLI, entre la cavité rigide et l'entrée du dispositif, et présente une émissivité décroissant avec la température au 20 niveau des MLI. Avantageusement, le deuxième revêtement à émissivité variable est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). Avantageusement, le deuxième revêtement à émissivité variable présente une émissivité inférieure à environ 0,4 à 220 K et une émissivité 25 supérieure à environ 0,7 à 300 K. Avantageusement, le deuxième revêtement à émissivité variable présente une absorptivité solaire constante et élevée, supérieure à environ 0,8. Avantageusement, le dispositif comporte en outre, dans le 30 prolongement de l'entrée du dispositif, un baffle thermique d'entrée, présentant une face interne du baffle thermique et une face externe du baffle thermique. Avantageusement, un troisième revêtement à émissivité variable recouvre au moins partiellement la face externe du baffle thermique et présente une émissivité décroissant avec la température au niveau de la face externe dudit baffle thermique diminue. Avantageusement, le troisième revêtement à émissivité variable est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). Avantageusement, le troisième revêtement à émissivité variable présente une émissivité inférieure à environ 0,5 à 220 K et une émissivité supérieure à environ 0,76 à 300 K. Avantageusement, le troisième revêtement à émissivité variable présente une absorptivité solaire constante et faible, inférieure à environ 10 0,18. Avantageusement, un quatrième revêtement à émissivité variable recouvre au moins partiellement la face interne du baffle thermique et présente une émissivité décroissant avec la température au niveau de la face interne dudit baffle thermique diminue. 15 Avantageusement, le quatrième revêtement à émissivité variable est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). Avantageusement, le quatrième revêtement à émissivité variable présente une émissivité inférieure à environ 0,4 à 220 K et une émissivité supérieure à environ 0,7 à 300 K. 20 Avantageusement, le quatrième revêtement à émissivité variable présente une absorptivité solaire constante et élevé, supérieure à environ 0,8. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : • la figure 1 : le schéma simplifié d'une cavité avant dans un exemple de dispositif selon l'invention ; 30 • la figure 2 : la courbe de l'évolution de l'émissivité d'un exemple de matériau SRD. La figure 1 présente un schéma d'une cavité avant dans un exemple d'instrument optique mettant en oeuvre l'invention. L'instrument 35 optique T abritant notamment un miroir primaire 1 et un miroir secondaire 6 comporte une cavité rigide 3 qui entoure le miroir primaire 1. Cette cavité rigide 3 est située à l'extrémité fermée de l'instrument tandis qu'à l'extrémité opposée, ouverte, se situe l'entrée de l'instrument, par laquelle le rayonnement électromagnétique que l'instrument cherche à collecter va entrer. La face interne de cette cavité rigide 3 est recouverte, au moins partiellement, à proximité du miroir primaire 1, d'un revêtement à émissivité variable. Ce revêtement a pour principal caractéristique de présenter une émissivité qui évolue en fonction de la température : élevée à température 1 o élevée, l'émissivité de ce matériau diminue lorsque la température diminue. Ainsi, plus la température baisse, moins rapidement la cavité rigide 3 perd sa chaleur. Ceci permet de limiter ou d'amortir les variations de température au niveau des optiques 1 positionnées au sein de la cavité rigide 3. Par conséquent, les variations de température au niveau du miroir 15 primaire 1 sont amorties. Or, les optiques 1 embarquées dans l'instrument T ont besoin de stabilité thermique ; toute déformation thermoélastique entraîne une dégradation de leurs performances. Par ailleurs, le revêtement appliqué sur la face interne de la cavité rigide 3 peut présenter une absorptivité élevée, permettant d'éviter tout 20 échauffement des optiques 1 lorsqu'un flux externe important, en particulier un flux solaire, pénètre dans la cavité 3. Le dispositif bénéficie alors du double avantage de l'absorptivité constante élevée et de l'émissivité variable, qui diminue avec la température. Un tel revêtement à émissivité variable peut être appliqué à 25 d'autres surfaces de l'instrument optique T. En effet, des MLI (pour Multi-Layer Insulation en anglais) 2 tapissent l'intérieur de l'instrument T dans le but d'assurer une fonction d'isolation thermique. Les MLI sont en fait des isolants multicouches, pouvant par exemple être composés de films en KaptonR polyimide, comme ceux commercialisés par la société du Pont de 30 Nemours Inc. En amont de la cavité rigide 3, c'est-à-dire entre la cavité rigide 3 et l'entrée de l'instrument, ces MLI peuvent être directement recouverts d'un revêtement à émissivité variable 4. Dans ce cas, le revêtement à émissivité variable 4 présente le même type de caractéristiques physiques que celui qui 35 recouvre la cavité rigide 3 : une émissivité qui diminue avec la température et une absorptivité élevée. Encore plus en amont, dans le prolongement de l'entrée de l'instrument, un baffle thermique 5 est généralement positionné. Sa surface interne peut, de préférence, être recouverte d'un revêtement à émissivité variable présentant une émissivité qui diminue avec la température et une absorptivité élevée. De cette façon, un revêtement présentant les caractéristiques énumérées ci-dessus peut tapisser toute la surface interne de l'instrument T, à l'exception des optiques 1 et 6 elles-mêmes. A l'intérieur de l'instrument T, et à proximité des optiques 1 et 6, la température est donc au moins partiellement régulée, de façon totalement passive. Les variations de températures sont amorties ; les parois de l'instrument T, qu'il s'agisse de la cavité rigide 3, des MLI 2 ou du baffle thermique 5, évacuent plus de chaleur à température élevée, et moins à température basse. Par conséquent, les déformations thermoélastiques sont limitées. Ainsi, dans le cas où des systèmes de régulation actifs sont embarqués dans l'instrument d'observation afin de maintenir la température des optiques, ceux-ci consomment moins de puissance, ce qui représente un avantage important. Par ailleurs, on peut envisager de recourir à un autre type de revêtement à émissivité variable pour la face externe de l'instrument T, et en particulier la face externe du baffle thermique 5. En effet, l'émissivité variable, qui diminue avec la température, est intéressante également à l'extérieur de l'instrument T afin de faciliter la régulation à l'intérieur ; en revanche, il est préférable d'utiliser à l'extérieur un matériau à émissivité variable présentant une absorptivité faible et constante. En résumé, il est possible d'améliorer de façon totalement passive la stabilité thermique au sein d'un instrument spatial optique T en recouvrant ses parois de matériaux à émissivité variable ; ceci permet de réduire le 30 risque de déformation thermoélastique des miroirs primaire 1 et secondaire 6. Afin d'étayer cette possibilité, la figure 2 présente les caractéristiques de ces nouveaux matériaux à émissivité variable évoqués ci-35 dessus. Ainsi, la figure 2 illustre la variabilité de l'émissivité d'un exemple de matériau de ce type. Les matériaux présentés dans ce paragraphe sont développés conjointement par l'agence spatiale japonaise JAXA (Japan Aerospace eXploration Agency), et les sociétés Nec Toshiba Space Ltd et Ube Ltd. Il s'agit de matériaux SRD (pour Smart Radiation Device en anglais) présentant une émissivité qui varie en fonction de la température ambiante. Ces matériaux et leurs caractéristiques ont notamment été exposés par la JAXA et NEC Toshiba Ltd dans une présentation intitulée In orbit test results of Smart Radiation Device au 25ème International Symposium on Space technology and Science , conférence s'étant tenue du 4 au 11 juin 2006, à Kanasawa au Japon, ainsi que dans de nombreux congrès et publications liés aux matériaux et techniques de contrôle thermique comme l' International Conference on Environmental Systems organisée annuellement par SAE International, organisme à but non lucratif visant à diffuser des connaissances dans le domaine scientifique et technique. Sur le graphique de la figure 2, l'émissivité d'un matériau à émissivité variable appelé Thick film SRD est représentée en fonction de la température. On constate une émissivité constante et égale à environ 0,7 au dessus de 310 K. En dessous de 310 K, l'émissivité diminue linéairement jusqu'à environ 0,32 à 170 K. On vérifie notamment sur ce graphique que sur une amplitude de 100 degrés, entre 200 K et 300 K, l'émissivité du matériau Thick film SRD est divisée par deux : elle passe de 0,7 à 0,35. Or, cette plage de température 200 K ù 300 K correspond à la plage de température de fonctionnement à l'intérieur des cavités 3, baffles 5 et MLI 2 de nombreux instruments optiques récents. Par ailleurs, le matériau Thick film SRD présente une absorptivité solaire constante et égale à environ 0,84. Cette valeur d'absorptivité solaire élevée, ajoutée à son émissivité variable illustrée par la figure 2, en font un candidat idéal pour les revêtements envisagées, lors de la description de la figure 1, pour la face interne de la cavité rigide 3, les MLI 2 et la face interne du baffle thermique 5. D'autre part, les sociétés précitées ont également développé un matériau à émissivité variable appelé Solar reflective SRD . Ce dernier présente une émissivité qui évolue de façon comparable au Thick film SRD : elle vaut 0,76 à 300 K et 0,48 à 220 K. En revanche, son absorptivité solaire est faible, et constante, valant environ 0,18. Ces caractéristiques font du Solar reflective SRD un bon candidat en vue d'être utilisé comme revêtement pour la face externe de l'instrument T, et en particulier la face externe du baffle thermique 5. Ainsi donc, l'invention a pour principal avantage de proposer une solution simple et totalement passive au problème de la stabilité thermique à assurer à l'intérieur des cavités d'instruments optiques spatiaux. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique présentant une surface interne et comportant : • une cavité rigide (3) présentant une paroi interne, et située à une extrémité, fermée, du dispositif tandis que l'extrémité opposée, ouverte, est appelée entrée du dispositif, • des moyens optiques tels que des miroirs (1,6) ou des lentilles, dont au moins un moyen optique primaire (1) situé au sein de la cavité rigide (3), caractérisé en ce qu'un premier revêtement à émissivité variable recouvre au moins partiellement la paroi interne de ladite cavité rigide (3), à proximité dudit moyen optique primaire (1), ledit premier revêtement à émissivité variable présentant une émissivité décroissant avec la température dans la cavité rigide (3), de sorte que la température du moyen optique primaire (1) fluctue moins quand la température dans la cavité rigide (3) varie. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier revêtement à émissivité variable est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le premier revêtement à émissivité variable présente une émissivité inférieure à environ 0,4 à 220 K et une émissivité supérieure à environ 0,7 à 300 K. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier revêtement à émissivité variable présente une absorptivité solaire constante et élevée, supérieure à environ 0,8. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des MLI (2) (pour Multi-Layer Insulation en anglais) tapissant au moins partiellement la surface interne du dispositif et assurant une fonction d'isolation thermique. 25 30 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un deuxième revêtement à émissivité variable (4) recouvre au moins partiellement lesdits MLI (2), entre la cavité rigide (3) et l'entrée du dispositif, et présente une émissivité décroissant avec la température au niveau des MLI (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième revêtement à émissivité variable (4) est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que le deuxième revêtement à émissivité variable (4) présente une émissivité inférieure à environ 0,4 à 220 K et une émissivité supérieure à environ 0,7 à 300 K. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le deuxième revêtement à émissivité variable (4) présente une absorptivité solaire constante et élevée, supérieure à environ 0,8. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, dans le prolongement de l'entrée du dispositif, un baffle thermique d'entrée (5), présentant une face interne du baffle thermique (5) et une face externe du baffle thermique (5). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un troisième revêtement à émissivité variable recouvre au moins partiellement la face externe du baffle thermique (5) et présente une émissivité décroissant avec la température au niveau de la face externe dudit baffle thermique (5). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le troisième revêtement à émissivité variable est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 12, caractérisé en ce que le troisième revêtement à émissivité variable présente une émissivité inférieure à environ 0,5 à 220 K et une émissivité supérieure à environ 0,76 à 300 K. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le troisième revêtement à émissivité variable présente une absorptivité solaire constante et faible, inférieure à environ 0,18. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'un quatrième revêtement à émissivité variable recouvre au moins partiellement la face interne du baffle thermique (5) et présente une émissivité décroissant avec la température au niveau de la face interne dudit baffle thermique (5). 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le quatrième revêtement à émissivité variable est un matériau de type SRD (pour Smart Radiation Device en anglais). 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 16, caractérisé en ce que le quatrième revêtement à émissivité variable présente une émissivité inférieure à environ 0,4 à 220 K et une émissivité supérieure à environ 0,7 à 300 K. 18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le quatrième revêtement à émissivité variable présente une absorptivité solaire constante et élevé, supérieure à environ 0,8.35