Brevet FR2989762A1 — publié le 20131025

Dispositif de régulation thermique destiné à prélever la chaleur générée par des équipements dissipatifs d'un engin spatial La présente invention porte sur un dispositif de régulation thermique destiné à prélever la chaleur générée par des équipements dissipatifs d'un engin spatial, par exemple un satellite. Les engins spatiaux, tels les satellites, embarquent à leur bord de nombreux équipements dissipatifs générant de la chaleur. Il est connu d'utiliser une boucle ou un circuit de régulation thermique diphasique pour transporter tout ou partie de la chaleur dissipée par des équipements de l'engin spatial situés au niveau d'une zone d'évaporation jusqu'à une zone de condensation échangeant directement ou indirectement cette chaleur avec l'espace. D'une part, la contrainte de fiabilité liée au domaine spatial nécessite de blinder les condenseurs compacts de la zone de condensation pour minimiser la probabilité de perçage par impact de micrométorites. D'autre part, on prévoit une redondance froide de l'élément moteur qui permet la circulation du fluide caloporteur. L'impact de masse associé au besoin de blindage est important si l'on souhaite atteindre un niveau de fiabilité respectant les exigences techniques sur une longue durée (une quinzaine d'année pour les satellites de télécommunications). Une stratégie de redondance froide implique des procédures de mise en route régulières de l'élément de circulation passif en vol. Un but de l'invention est de limiter la masse de blindage requise pour les condenseurs compacts de la zone de condensation. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un dispositif de régulation thermique destiné à prélever la chaleur générée par des équipements dissipatifs d'un engin spatial par des évaporateurs et à la rejeter dans l'espace via des condenseurs compacts par rapport à la surface externe de l'engin spatial. L'engin spatial comporte une pluralité de panneaux structuraux munis d'au moins un caloduc intégré et le dispositif de régulation thermique comprend deux circuits de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique, disposés en parallèle et fonctionnant simultanément en redondance chaude. Les deux circuits comprennent chacun des moyens de circulation d'un fluide caloporteur reliant dans une boucle fermée respective les condenseurs et évaporateurs respectifs, et, en fonctionnement nominal, prélevant chacun une partie de la chaleur générée par les mêmes équipements aménagés sur les panneaux structuraux, un caloduc intégré étant disposé en vis-à-vis d'au moins un condenseur de chaque circuit pour diffuser ladite chaleur sur lesdits panneaux. Un tel dispositif caractérisé par deux circuits de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique en redondance chaude permet d'assurer, si un des deux circuits tombe en panne, le prélèvement, le transport, la diffusion et le rejet de toute la chaleur sur toutes les surfaces d'échange radiatives prévues et disponibles pour le fonctionnement nominal. Dans un mode de réalisation, les deux circuits de régulation thermique sont identiques et, en fonctionnement nominal, les évaporateurs de chaque circuit de régulation thermique prélèvent respectivement la moitié de ladite chaleur générée par lesdits équipements et les condenseurs de chaque circuit de régulation thermique rejettent la moitié de ladite chaleur générée par lesdits équipements dans l'espace via lesdits mêmes caloducs. Concevoir les deux circuits identiques permet d'avoir un coût réduit. Selon un mode de réalisation, chacun desdits deux circuits de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique peut être de type boucle diphasique à pompage mécanique ou MPL pour "two-phase mechanically pumped loop" en langue anglaise, ou de type pompe à chaleur ou HPS pour "heat pump system" en langue anglaise. Dans un mode de réalisation, en cas de panne d'un des deux circuits de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique, le 30 dispositif est adapté pour sensiblement modifier le point de fonctionnement desdits moyens de circulation du circuit restant en état de fonctionnement. Ainsi, en cas de panne d'un des deux circuits, l'autre peut compenser la perte du circuit par augmentation du débit (amélioration des échanges thermiques locaux) tout en continuant d'utiliser toute la surface d'échange thermique de l'engin spatial prévue et disponible pour le mode nominal. Selon un mode de réalisation, un panneau structural comprend une peau externe, une âme comprenant le ou les caloducs intégrés montés 5 fixement en contact avec ladite peau externe, et une peau interne. Par exemple, un condenseur est disposé en contact sur la peau externe du panneau en vis-à-vis d'au moins un caloduc de l'âme du panneau. En variante, un condenseur est disposé en contact avec au moins 10 un caloduc de l'âme du panneau. Ainsi, de telles configurations permettent de limiter la dimension des échangeurs condenseurs puisque la chaleur est répartie dans le panneau par les caloducs. Cette compacité permet de minimiser les risques d'impacts des condenseurs par des micrométéorites. 15 Dans un mode de réalisation, un évaporateur est disposé dans l'âme du panneau en contact avec la peau interne du panneau. Ainsi, l'aménagement d'équipements dissipatifs sur le panneau structural est grandement facilité. Selon un mode de réalisation, les condenseurs d'un même circuit 20 sont reliés en série et/ou en parallèle par une partie desdits circuits de régulation thermique. Dans un mode de réalisation, lesdits condenseurs comprennent des parois extérieures durcies. Les condenseurs compacts sont ainsi protégés des impacts, 25 notamment de micrométéorites. Selon un mode de réalisation, lorsqu'au moins un desdits deux circuits comprend une partie disposée à l'extérieur du panneau, ladite partie comprend des parois extérieures durcies. Les parties des deux circuits disposées à l'extérieur du panneau 30 sont ainsi protégés des impacts, notamment de micrométéorites. Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un satellite comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes. 35 L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figure 1 a et 1 b illustrent schématiquement des système de régulation thermique de type boucle diphasique MPL (figure 1 a) ou de type pompe à chaleur ou HPS (figure 1b) ; - la figure 2 illustre schématiquement un dispositif de régulation thermique d'un satellite selon un aspect de l'invention ; 1 - la figure 3 illustre schématiquement une vue de dessus des faces Nord et Sud du satellite de la figure 2, selon un aspect de l'invention ; et - la figure 4 illustre schématiquement une vue de coupe des panneaux des faces ord et Sud de la figure 3, selon un aspect de l'invention. 15 Sur l'ensemble de figures, les éléments ayants les mêmes références sont similaires. Si un circuit MPL est utilisé, tel qu'illustré sur la figure 1a, une pompe Pp et un accumulateur thermo-hydraulique ou réservoir R sont connectés au circuit, en amont des échangeurs évaporateur EVAP en 20 considérant le sens de circulation du fluide caloporteur de la boucle. En outre, un sous-refroidisseur SR est disposé entre les condenseurs COND et la pompe Pp, pour assurer un niveau de sous-refroidissement suffisant au fluide en entrée de pompe (prévention de la cavitation). L'âme des panneaux structuraux peut comprendre de l'aluminium car la boucle a un 25 fonctionnement isotherme. Si un circuit HPS est utilisé, tel qu'illustré sur la figure 1 b, en considérant le sens de circulation du fluide caloporteur dans la boucle, un compresseur COMP est disposé en aval des échangeurs évaporateurs EVAP et un détendeur DET est disposé en aval des échangeurs 30 condenseurs COND et en amont des échangeurs évaporateurs EVAP. En outre, un sous-refroidisseur SR peut être disposé entre les condenseurs GOND et le détendeur DET. Le circuit HPS est particulièrement intéressant lorsque la surface des panneaux n'est pas suffisante pour évacuer la dissipation totale d'énergie thermique émise par les équipements de la charge utile avec un circuit MPL ou par tout autre moyen de contrôle thermique plus classique (augmentation de la capacité de rejet par augmentation de la température des radiateurs). Lorsqu'un circuit HPS est utilisé, la température des peaux externes des panneaux structuraux d'un satellite peut être supérieure à la température des peaux internes. L'âme des panneaux est alors conçue isolante, par exemple conçu à base de fibres de verre pour minimiser les fuites thermique entre les deux peaux ou parois d'un panneau. Un choix adapté de fluides caloporteurs pour les deux systèmes MPL et HPS doit permettre une conception identique des échangeurs de chaleur intégrés à un panneau structural pour les deux types de régulation thermique. La figure 2 illustre un dispositif de régulation thermique destiné à 15 prélever la chaleur générée par des équipements dissipatifs d'un engin spatial selon un aspect de l'invention, appliqué à un satellite dont on a représenté deux faces Nord et Sud. Sur l'exemple de la figure 2, les deux circuits Cl, C2 de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique, disposés en parallèle et 20 fonctionnant simultanément en redondance chaude, sont des circuits de type boucle diphasique à pompage mécanique MPL munie d'une pompe respective Ppl, Pp2. Bien entendu, en variante, les deux circuits C1, C2 de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique peuvent être des circuits de 25 type pompe à chaleur HPS munie d'un compresseur respectif. Les deux circuits C1, C2 de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique sont sur l'exemple des circuits de type boucle diphasique à pompage mécanique MPL comprenant respectivement une pompe Ppl et Pp2, et un accumulateur thermo-hydraulique ou réservoir R1 30 et R2. Les deux circuits Cl et C2 comprennent tous deux des modules de réchauffage centralisé RC et une partie munie de condenseurs respectifs CONDI , COND2 en surface et de conduits respectifs CDT1, CDT2 disposés sur les faces externes du satellite, en l'espèce sur les faces Nord et Sud, 35 comme représenté en vue de dessus sur la figure 3. Un caloduc intégré CAL est disposé en vis-à-vis d'au moins un condenseur CONDI , COND2 de chaque circuit C1, C2 pour diffuser ladite chaleur sur les panneaux structuraux PS, en l'occurrence, les panneaux Nord et Sud Sur le présent exemple, et comme représenté sur la figure 3, les condenseurs COND des deux circuits Cl et C2 en surface externe de la peau externe PE des panneaux structuraux Nord et Sud, sont symétriques et deux à deux disposés en vis-à-vis d'un même caloduc CAL interne au panneau, plutôt vers le centre du panneau pour limiter la capacité de transport requise pour les caloducs intégrés en cas de perte d'un des deux circuits. Sur la figure 2, seules les éléments visibles de la surface extérieure des panneaux Nord et Sud sont représentés au niveau des panneaux Nord et Sud, et pas les éléments internes ou sur la surface intérieure des panneaux Nord et Sud du satellite. L'ensemble des figures permet d'appréhender l'ensemble de l'invention. Sur la figure 4 est représentée la face interne Nord ou Sud d'un panneau structurant PS , associé à un circuit de régulation thermique intégré à ce panneau structurant PS (en pointillé), assurant la circulation de fluide caloporteur. Les échangeurs évaporateurs EVAP1, EVAP2 intégrés dans ces panneaux structuraux PS, faisant respectivement partie des circuits Cl et C2, en contact avec la face interne de la peau interne PI (i.e. en contact avec la peau interne PI du panneau structural PS) peuvent comprendre des tubes qui circulent selon une configuration quelconque, en l'espèce (signifie sur cet exemple) en série et en serpentin, et accolés, avec un entraxe déterminé. Leur disposition et leurs dimensions sont compatibles avec les contraintes de fixation des équipements EQ1, EQ2 de la charge utile du satellite. La chaleur des équipements EQ1, EQ2 est transférée à ces tubes au sein desquels le fluide caloporteur qui circule est évaporé. Selon certains modes de fonctionnement des systèmes de régulation thermique, des échanges selon le mode convectif uniquement i,e. non diphasiques, sont envisageables. L'intérieur de ces tubes, par exemple de section circulaire, rectangulaire, ou carrée, peut être structuré pour améliorer les échanges thermiques, par exemple au moyen de rainures ou de mini-canaux. Cette zone d'évaporation étant isotherme (échanges diphasiques) et les tubes étant intégrés dans le panneau PS, les contraintes d'aménagement des équipements EQ1, EQ2 de la charge utile sont sensiblement diminuées par rapport à un contrôle thermique classique par caloducs, séparé en deux zones de températures (par exemple une zone d'équipements qualifiés à 65°C et une zone d'équipements qualifiés à 85°C). Cette flexibilité d'aménagement permet de réduire les longueurs de câblage nécessaires aux équipements EQ1, EQ2 de charge utile et d'avoir de meilleures performances radio fréquences pour la charge utile d'un satellite en général (diminution de la longueur du chemin RF, rapprochement d'équipements qualifiés à des températures différentes). Comme illustré sur la figure 5, sur laquelle l'indice i des référence peut valoir 1 ou 2, pour se rapporter respectivement au circuit Cl ou au circuit C2, pour protéger les échangeurs évaporateur EVAP1, EVAP2 des deux circuits C1, C2 contre un risque d'impacts de micrométéorites, des peaux ou parois intermédiaires Pint de faible épaisseur peuvent être interposées entre les peaux interne PI et externe PE des panneaux structuraux PS de type sandwich, au sein de l'âme AM. Ce type d'écran permet de diffuser les débris impactant le panneau PS, et ainsi minimiser le risque de perforation d'une conduite évaporateur EVAP1, EVAP2. Une pluralité de tels panneaux PS intégrant ces échangeurs évaporateur EVAP1, EVAP2 peuvent être reliés entre eux selon un agencement quelconque série et/ou parallèle, de manière à limiter les pertes 25 de charge totale dans les tubes. Les échangeurs condenseurs COND1, COND2 des circuits C1, C2, sont les plus compacts possible. Ils sont fixés sur des caloducs CAL formant un réseau parallèle intégré dans ces panneaux PS côté externe (i.e. en contact avec la peau externe PE). Pour minimiser les gradients 30 thermiques par contact, échangeurs condenseurs COND et caloducs CAL peuvent aussi faire corps. Les échangeurs peuvent être des tubes, généralement de section circulaire, rectangulaire, ou carrée, dont l'intérieur peut être structuré pour améliorer les échanges thermiques, par exemple au moyen de rainures ou de mini-canaux. Les échangeurs condenseur COND1, 35 COND2 sont reliés par des conduites formant les conduits CDT1, CDT2 respectivement des circuits C1 et C2, selon une configuration quelconque série et/ou parallèle, en l'espèce par ensembles alignés reliés en série. Un tel agencement des condenseurs COND offre le meilleur compromis thermohydraulique, et l'aménagement des condenseurs CONDI, COND2 sur les caloducs CAL permet de limiter le diamètre requis pour ces derniers et ainsi de limiter leur longueur (particulièrement si on les aménage vers le centre du panneau et non vers les bords...), ce qui limite le coût de la réalisation (minimisation de l'impact masse). L'utilisation de caloducs CAL de petit diamètre (6 à 10 mm) i.e. de faible masse linéique est ainsi envisageable. La chaleur des échangeurs est transférée via les caloducs CAL à la surface externe PE des panneaux PS faisant office de radiateur qui rejette efficacement la chaleur à l'aide d'un revêtement adapté tel un revêtement présentant un fort pouvoir émissif en infrarouge et un faible coefficient d'absorption du flux solaire comme de l'OSR pour "optical solar reflector" en langue anglaise, ou comme du SSM pour "second surface mirror" en langue anglaise. L'utilisation d'un revêtement radiatif de type peinture blanche est aussi envisageable. Pour protéger les échangeurs condenseur CONDI, COND2 contre un risque d'impact de micrométéorites, un durcissement des parois est requis, durcissement d'épaisseur modérée du fait d'un choix de compacité des échangeurs condenseurs choisis (surface d'exposition minimisée). Les parois des conduits CDT1, CDT2 qui relient respectivement les échangeurs condenseurs CONDI, COND2 sont elles aussi durcies pour résister à des impacts de micrométéorites. On privilégie donc des conduits CDT1, CDT2 de faible section, dans la mesure du respect des contraintes thermo-hydrauliques, pour limiter l'impact de ce durcissement sur la masse d'un panneau structurant PS. Un ensemble de tels panneaux structuraux PS intégrant ces échangeurs condenseur CONDI, COND2 peuvent, par exemple, être reliés 30 entre eux en parallèle de manière à effectuer un couplage thermique optimal et naturel vis à vis des conditions radiatives de rejet. Ce type de panneau avec échangeur de chaleur peut faire l'objet d'un dimensionnement générique utilisable pour les deux circuits ou boucles de régulation à pompage mécanique, de type boucle diphasique MPL ou de 35 type pompe à chaleur HPS. REVENDICATIONS1. Dispositif de régulation thermique destiné à prélever la chaleur générée par des équipements dissipatifs (EQ1, EQ2) d'un engin spatial par des évaporateurs (EVAP1, EVAP2) et à la rejeter dans l'espace via des condenseurs (CONDI, COND2) compacts par rapport à la surface la externe de l'engin spatial, l'engin spatial comportant une pluralité de panneaux structuraux (PS) munis d'au moins un caloduc intégré (CAL) et le dispositif de régulation thermique comprenant deux circuits (Cl, C2) de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique, disposés en parallèle et fonctionnant simultanément en redondance chaude, les deux circuits (C1, C2) comprenant chacun des moyens de circulation (COMP, Pp, Ppl, Pp2) d'un fluide caloporteur reliant dans une boucle fermée respective les condenseurs (CONDI, COND2) et évaporateurs respectifs (EVAP1, EVAP2), et, en fonctionnement nominal, prélevant chacun une partie de la chaleur générée par les mêmes équipements (EQ1, EQ2) aménagés sur les panneaux structuraux, un caloduc intégré (CAL) étant disposé en vis-à-vis d'au moins un condenseur (CONDI, COND2) de chaque circuit (C1, C2) pour diffuser ladite chaleur sur lesdits panneaux (PS). 25 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits deux circuits (C1, C2) de régulation thermique sont Identiques et, en fonctionnement nominal, les évaporateurs (EVAP1, EVAP2) de chaque circuit (Cl, C2) de régulation thermique prélèvent respectivement la moitié de ladite chaleur générée par lesdits équipements (EQ1, EQ2) et les condenseurs (COND) de chaque circuit (C1, C2) de régulation thermique rejettent la moitié de ladite chaleur générée par lesdits équipements (EQ1, EQ2) dans l'espace via lesdits mêmes caloducs. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel 35 chacun desdits deux circuits (C1, C2) de régulation thermique diphasiquesà pompage mécanique peut être de type boucle diphasique à pompage mécanique (MPL) munie d'une pompe (Pp, Ppl, Pp2) ou de type pompe à chaleur (HPS) munie d'un compresseur (COMP). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, en cas de panne d'un des deux circuits (C1, C2) de régulation thermique diphasiques à pompage mécanique, le dispositif est adapté pour sensiblement modifier le point de fonctionnement desdits moyens de circulation (COMP, Pp, Ppl, Pp2) du circuit (Cl, C2) restant en état de 10 fonctionnement. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un panneau structural (PS) comprend une peau externe (PE), une âme (AM) comprenant ledit ou lesdits caloducs intégrés (CAL) montés fixement en contact avec ladite peau externe (PE), et une peau interne (PI). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel un condenseur (CONDI, COND2) est disposé en contact sur la peau externe 20 (PE) du panneau en vis-à-vis d'au moins un caloduc (CAL) de l'âme (AM) du panneau (PS). 7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel un condenseur (CONDI, COND2) est disposé en contact avec au moins un 25 caloduc (CAL) de l'âme (AM) du panneau. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel un évaporateur (EVAPI, EVAP2) est disposé dans l'âme (AM) du panneau en contact avec la peau interne (PI) du panneau (PS). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel tes condenseurs (CONDI, COND2) d'un même circuit (CI, C2) sont reliés en série et/ou en parallèle par une partie desdits circuits de régulation thermique. 35 10. Dispositif selon rune des revendications précédentes, dans lequel lesdits condenseurs (CONDI, COND2) comprennent des parois extérieures durcies. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, lorsqu'au moins un desdits deux circuits (C1, C2) comprend une partie disposée à l'extérieur du panneau (PS), ladite partie comprend des parois extérieures durcies. 10 12. Satellite comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes. 15