Brevet FR3030457A1 — publié le 20160624

Engin spatial La présente invention concerne un engin spatial et en particulier un satellite géostationnaire. En raison du mouvement de révolution de la terre autour du soleil, les différentes faces d'un satellite géostationnaire ne reçoivent pas la même quantité de rayonnement solaire au cours des saisons. Il en résulte des variations cycliques de températures sur la face +Y et sur la face -Y. Ainsi, durant les équinoxes d'hiver et d'été (EQ), les faces - Y et + Y présentent des températures moins élevées que durant les solstices d'hiver (WS) et d'été (SS) comme illustré sur la figure 1. Par ailleurs, la température des faces du satellite fluctue également au cours du temps. Cette température est environ égale à 20°C en début de vie du satellite et de 70°C en fin de vie du satellite. Ces variations de température au cours des saisons et au cours du temps sont reproduites au sol dans une atmosphère sous vide, au cours de tests de validation du satellite. Ces tests de validation sont longs et contraignants à réaliser. Pour faciliter les tests de validation au sol, il a été envisagé de diminuer les 20 variations de température au cours des saisons et au cours du temps. A cette fin, les faces +Y et - Y du satellite ont été réchauffées au moment de l'équinoxe par des chaufferettes électriques. Néanmoins, les chaufferettes présentent une efficacité limitée et requiert de sur-dimensionner le système de puissance électrique du satellite. Ce surdimensionnement augmente 25 notablement le coût du satellite. Par ailleurs, pour réguler les températures des faces de satellites d'observation de la terre, des persiennes (en anglais « louvers ») ont été fixées en vis-à-vis de radiateurs montés sur les faces extérieures des satellites. Ces persiennes occultent plus ou moins la face extérieure du radiateur en fonction 30 des besoins en refroidissement des satellites. Les persiennes sont montées pivotantes autour d'un axe disposé le long d'une tranche longitudinale des persiennes. En position fermée, de telles persiennes occultent l'ensemble de la face extérieure du radiateur. Ces persiennes ont pour unique fonction d'empêcher le rayonnement solaire d'atteindre le radiateur. De plus, ces persiennes nécessitent un mécanisme complexe permettant la rotation des persiennes. Ce mécanisme doit avoir une bonne tenue dans un environnement thermique variable. Le but de la présente invention est de proposer un système à moindre coût qui permettrait de limiter les variations de température entre les équinoxes et les solstices. A cet effet, l'invention a pour objet un engin comprenant : - une caisse ayant une face +Y et une face -Y opposée à la face +Y; - un radiateur porté par au moins une face parmi la face +Y et la face -Y ; ledit radiateur ayant une face externe ; caractérisé en ce qu'il comprend un assemblage ayant au moins une face d'absorption propre à absorber une partie du rayonnement solaire incident (le) durant les équinoxes de printemps et d'automne, ledit assemblage étant apte à transmettre ladite chaleur absorbée au radiateur; ladite face d'absorption étant inclinée par rapport à la face externe du radiateur d'un angle sensiblement compris entre 20° et 26°. Avantageusement, l'assemblage est propre à absorber les rayonnements solaires à l'équinoxe et à transférer, par radiation ou par transfert fluidique (caloduc), la chaleur générée par ces rayonnements solaires audit radiateur pour le réchauffer. L'augmentation de la température du radiateur générée par l'assemblage au cours de l'équinoxe permet de réduire les variations de température de cette face de l'engin entre les saisons. Avantageusement, la diminution des variations de température des faces de l'engin spatial permet de réduire la durée des tests de qualification en vide thermique. Il en résulterait un gain significatif en termes de coût et de durée de conception d'un engin spatial. Avantageusement, cet assemblage est passif. Ils n'a pas besoin d'énergie électrique pour réchauffer le radiateur. De plus cet assemblage peut être réalisé à un coût faible. Il présente une masse faible et un faible encombrement notamment au cours de la phase de lancement du satellite. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'engin spatial comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -L'assemblage comprend au moins une lamelle ayant une face principale plane disposée au droit de la face externe du radiateur, cette face principale plane étant la face d'absorption, la chaleur absorbée étant transmise au radiateur par rayonnement. Avantageusement, comme ladite au moins lamelle est inclinée d'un angle correspondant à l'angle formé entre la face externe du radiateur et la direction prise par le rayonnement solaire au cours du solstice, ladite au moins lamelle ne n'est pas chauffée au cours du solstice. - L'engin comporte un bras de support portant ledit assemblage, ledit bras de support s'étendant sensiblement perpendiculairement à la face externe du radiateur, et au moins un moteur d'entraînement propre à entrainer le bras de support en rotation selon un axe longitudinal du bras de support, la vitesse de rotation du bras de support étant sensiblement égale à la vitesse de rotation du soleil autour de l'engin spatial. Avantageusement, comme le bras de support est entrainé en rotation à une vitesse correspondant à la vitesse de rotation du soleil autour de l'engin spatial, au cours de l'équinoxe, la face d'absorption de chaque lamelle est au droit du rayonnement solaire tout au long de la journée. Avantageusement, les faces d'absorption des lamelles sont ainsi éclairées de la même façon tout au long d'une journée. Elles peuvent ainsi transmettent au radiateur la même quantité de chaleur au cours d'une journée. L'assemblage comprend au moins deux lamelles fixées l'une au-dessus de l'autres, et séparées l'une de l'autre par un espace libre. - L'engin comporte au moins un panneau solaire, et dans lequel ledit bras de support supporte ledit au moins un panneau solaire. Comme les panneaux solaires sont généralement entrainés en rotation autour d'un axe perpendiculaire à la face externe du radiateur à une vitesse égale à la vitesse de rotation du soleil autour de l'engin spatial, l'utilisation de ce bras de support pour porter l'assemblage de lamelles calorifères permet de ne pas rajouter un mécanisme de rotation supplémentaire. Cette mise en oeuvre est très avantageuse d'un point de vue économique. Les lamelles comprennent un film polyimide et des baguettes propres à rigidifier ledit film polyimide. - Ladite au moins face d'absorption présente un revêtement ayant une forte absorptivité solaire, par exemple un revêtement de couleur noire. - La face externe dudit radiateur présente un revêtement non spéculaire. - Chaque lamelle présente une épaisseur inférieure au millimètre. - L'assemblage comprend au moins deux cônes ayant chacun une face 10 d'absorption et au moins un caloduc relié thermiquement audites faces d'absorption ainsi qu'au radiateur, la chaleur absorbée par la face d'absorption étant transmise par ledit caloduc audit radiateur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 15 donnée uniquement à titre d'exemple et faîte en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 sont deux courbes représentatives des variations de température des faces + Y et -Y d'un engin spatial selon l'état de la technique au cours d'une année ; 20 - la figure 2 est une vue en perspective de l'engin spatial selon un premier mode de réalisation l'invention, en orbite géostationnaire ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un assemblage de lamelles calorifères ; - la figure 4 est une vue en perspective schématique illustrant le mode de fonctionnement du premier mode de réalisation de l'invention, au cours du 25 solstice d'été; - la figure 5 est une vue en perspective schématique illustrant le mode de fonctionnement du premier mode de réalisation de l'invention, au cours de l'équinoxe ; - la figure 6 est une vue en perspective de l'engin spatial selon un second 30 mode de réalisation de l'invention, en orbite géostationnaire ; et - la figure 7 est une vue en perspective schématique illustrant une partie du second mode de réalisation de l'invention. La présente invention est définie par rapport à un repère orthogonal R (X, Y, Z) représenté sur les figures 2 à 5. Le sens des vecteurs X, Y et Z est défini comme étant le sens positif. Le sens inverse est défini comme étant un sens négatif. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. En référence à la figure 2, un engin spatial 2 selon le premier mode de réalisation de l'invention se présente sous la forme d'une caisse 4 parallélépipédique. Cette caisse 4 présente toujours la même face dirigée vers la Terre, cette face étant appelée la face Terre 6. La face opposée et parallèle à la face Terre 6 est quant à elle appelée la face anti- Terre 8. La face - X, aussi appelée face Est 10, et la face +X, aussi appelée face Ouest 12, sont des faces opposées, parallèles entre elles et perpendiculaires à la direction de déplacement de l'engin spatial 2. Des antennes de communication 14 sont généralement fixées sur les faces -X 10 et +X 12. La face - Y, aussi appelée face Nord 16, et la face + Y, aussi appelée face Sud 18, sont deux autres faces de la caisse. Elles sont opposées, parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe Nord-Sud de la Terre. L'engin spatial 2 comprend un premier radiateur 22 et un second radiateur principal 24 pour refroidir des équipements électroniques contenus dans la caisse. Ces équipements électroniques non représentés sur les figures sont reliés thermiquement au premier et au second radiateurs, par exemple, par l'intermédiaire de caloducs également non représentés. Le premier radiateur 22, de forme générale parallélépipédique, présente quatre faces latérales 26, une face principale interne 28 fixée sur la face -Y 16, une face principale externe 30 opposée à la face principale interne et située du côté de l'espace extérieur à l'engin spatial. Les faces principales interne 28 et externe 30 s'étendent dans la plan (X, Y). Le second radiateur 24 est identique au premier radiateur 22. Il ne sera pas décrit en détail. Il est fixé sur la face +Y 18. L'engin spatial 2 comprend deux bras de support 32 s'étendant sensiblement selon la direction z, deux panneaux solaires 20 chacun fixé à une extrémité distale d'un bras de support 32, et un ou deux motoréducteurs non représentés propres à entrainer en rotation chaque bras de support 32 à une vitesse sensiblement égale à la vitesse de rotation du soleil autour de l'engin spatial. Ainsi, les panneaux solaires 20 sont dirigés vers le soleil tout le long de la journée. L'engin spatial 2 comprend en outre deux assemblages 34 de lamelles 36, chacun, fixé à un bras de support 32 entre la caisse 4 et un panneau solaire 20. Chaque assemblage 34 de lamelles est immobile par rapport au bras de support 32 qui le porte. Chaque assemblage 34 de lamelles est entraîné en rotation par le bras de support 32 qui le porte. Les lamelles 36 des assemblages de lamelles sont calorifères. Elles sont propres à absorber le rayonnement solaire à l'équinoxe et à transférer, par radiation, la chaleur générée par ce rayonnement solaire au premier radiateur 22 et au second radiateur 24, comme explicité ci -après. Les lamelles calorifères 36 sont des plaques d'épaisseur très faible de l'ordre du millimètre ou moins. Elles sont, par exemple, réalisées à partir d'un feuillet et de baguettes de rigidification fixées sur une face du feuillet. Le feuillet est réalisé, par exemple, par un film en polyimide désigné par la marque déposée « Kapton » ou par des couches en graphite. Les baguettes sont, par exemple, réalisées en carbone. Comme visible sur la figure 3, les lamelles calorifères 36 sont fixées les unes au-dessus des autres. Elles sont superposées selon la direction z. Un espace libre e est agencé entre deux lamelles calorifères 36 superposées l'une sur l'autre. Les lamelles calorifères 36 de l'assemblage sont, avantageusement, fixées dans un cadre 38. Les lamelles calorifères 36 ont une face principale plane 40, dite face d'absorption 40 et disposée en regard de la face externe 30 du premier radiateur ou du second radiateur 24, une face extérieure 42 opposée à la face d'absorption 40. La face d'absorption 40 de l'assemblage 34 de lamelles monté sur la face -Y 16 est inclinée par rapport à la face principale externe 30 du premier radiateur d'un angle dièdre a environ égal à 23, 5 °. De la même façon, la face d'absorption 40 de l'assemblage 34 de lamelles monté sur la face +Y 18 est inclinée par rapport à la face principale externe 30 du second radiateur d'un angle dièdre a environ égal à 23, 5 °. L'ouverture dudit angle dièdre a s'étend du côté de la direction du rayonnement solaire incident Is. Comme visible sur la figure 4, la valeur de cet angle dièdre a correspond à l'angle maximal formé entre la face principale externe 30 du premier radiateur 22 et la direction du rayonnement solaire incident Is durant le solstice d'hiver. De la même façon, cette valeur correspond à l'angle maximal formé entre la face principale externe 30 du second radiateur 24 et la direction du rayonnement solaire incident Is durant le solstice d'été. En fonctionnement, au cours du solstice d'été, la direction du rayonnement solaire est parallèle aux lamelles calorifères 36. Comme les lamelles calorifères présentent une épaisseur faible, leurs présences n'entrainent pas de perte de capacité de rejection thermique pour le premier radiateur 22. La quasi-totalité du rayonnement solaire incident atteint le premier radiateur 22. Le bras de support 32 pivote autour de son axe longitudinal (autour de la direction z) à une vitesse égale à la vitesse de rotation du soleil autour de l'engin spatial. Ainsi, la direction du rayonnement solaire Is est parallèle aux lamelles calorifères tout au long de la journée. Au cours du solstice d'hiver, la direction du rayonnement solaire est parallèle aux lamelles calorifères de l'assemblage 34 de lamelles fixé au bras de support situé du côté de la face +Y 18. La présence des lamelles calorifères n'entrainent pas de perte calorifique pour le second radiateur 24. Cette situation similaire à la situation du solstice d'hiver n'a pas été représentée. En référence à la figure 5, au cours de l'équinoxe, la direction du rayonnement solaire incident le s'étend dans le plan (X, Y). Cette direction le forme un angle d'environ 23, 5 ° avec le plan médian des lamelles calorifères 36. En conséquence, les faces d'absorption 40 des lamelles calorifères qui sont en regard de la face externe 30 du premier radiateur et les faces d'absorption 40 des lamelles calorifères qui sont en regard de la face externe 30 du second radiateur absorbent la partie UV du rayonnement solaire incident le et se réchauffent. Les lamelles calorifères 36 peuvent ainsi atteindre une température d'environ 90°C. Lorsque les lamelles calorifères 36 sont chaudes, elles rayonnent cette chaleur vers le radiateur situé du côté du bras de support portant l'assemblage calorifère. Ainsi, au cours de l'équinoxe, le premier radiateur 22 et le second radiateur 24 se réchauffent et réchauffent les faces +Y 18 et -Y 16 de la caisse. Tout comme pour le solstice d'été, le bras de support 32 pivote autour de son axe longitudinal à une vitesse égale à la vitesse de rotation du soleil autour de l'engin spatial afin que le rayonnement solaire incident le réchauffe les faces d'absorption 40 des lamelles calorifères tout au long de la journée. Une élévation de température d'environ 15°C peut, par exemple, être atteinte à l'aide d'un assemblage de vingt-cinq lamelles calorifères d'une 10 dimension de 2 300 par 50 millimètres, deux lamelles adjacentes étant espacées d'un écartement de 19, 9 millimètres. Ainsi, les variations de température entre les équinoxes et les solstices, sont diminuées. Préférentiellement, les faces d'absorption (40) des lamelles calorifères 36 15 présentent un revêtement à forte absorptivité solaire. afin d'absorber un maximum de rayonnement solaire. Elles sont, par exemple, de couleur noire. L'homme du métier thermicien du spatial choisit un matériau adapté en fonction de multiples critères en dehors de l'absorptivité, En général les matériaux et revêtement choisi auront avec une absorptivité solaire supérieure à 0.6. 20 Préférentiellement, le premier radiateur 22 et le second radiateur 24 sont revêtus d'un matériau non spéculaire ou peu spéculaire afin que les radiateurs ne réchauffent pas les lamelles calorifères 36 au cours des solstices par réflexion du flux solaire. Préférentiellement, les lamelles calorifères 36 sont des plaques d'épaisseur 25 inférieure au millimètre. Notez que contrairement aux persiennes (en anglais « louvers »), les lamelles calorifères 36 ne sont pas mobiles autour d'un axe contenu dans leur plan médian ou parallèle à leur plan médian. Elles sont fixes par rapport au cadre et au bras de support 32 qui les porte. 30 En variante, les lamelles calorifères 36 présentent un plan médian incliné par rapport à la face principale externe 30 des premier et second radiateurs d'un angle dièdre compris entre 20° et 26°. La figure 6 représente un engin spatial 50 selon un second mode de réalisation de l'invention. Cet engin spatial 50 est identique ou similaire à l'engin spatial 2 selon le premier mode de réalisation de l'invention à l'exception du fait que les assemblages 34 de lamelles calorifère portés par les bras de support ont été remplacés par des assemblages de cônes 52 fixé au premier 22 et au second 24 radiateurs. Les éléments techniques de l'engin spatial 2 selon le premier mode de réalisation identiques ou similaires aux éléments techniques de l'engin spatial 50 selon le second mode de réalisation ne seront pas décrits une seconde fois. Les assemblages de cônes 52 sont fixés sur la partie du premier 22 et du second 24 radiateurs située au-dessus des panneaux solaires 20, lorsque ceux-ci sont repliés pour le lancement. Ils présentent un faible diamètre D afin qu'ils recouvrent une faible partie des radiateurs. Par exemple, des cônes 54 ayants des bords circulaires 56 d'un diamètre de 150 mm peuvent être utilisés. L'assemblage de cônes 52 présente, de plus, une faible hauteur H afin de pouvoir être logé dans l'espace sous coiffe. Les assemblages de cônes 52 ont pour fonction d'absorber le maximum de rayonnement solaire au moment de l'équinoxe et de transférer cette chaleur aux faces -Y 16 et +Y 18 et d'absorber le minimum de rayonnement solaire aux cours des solstices. Les assemblages de cône 52 fixés sur le premier radiateur 22 sont identiques et fixés de la même façon que les assemblages de cônes 52 fixés sur le second radiateur 24. Pour simplifier la description, seul les assemblages de cônes 52 fixés sur la premier radiateur sont décrits ci-après. L'exemple de réalisation d'un assemblage de cônes 52, illustré sur la figure 6, comprend six cônes 54 munis chacun d'un orifice 56 à son sommet 58 et un caloduc central 60 logé dans l'orifice 56 de chaque cône 54. Le caloduc central 60 est sensiblement perpendiculaire à la face principale externe 30 du premier radiateur. Il est fixé à chaque cône 54 ainsi qu'au premier radiateur 22. Les cônes 54 de l'assemblage de cônes sont disposés les uns au-dessus des autres avec leur sommet 58 situé au droit de la face externe 30 du premier radiateur. Les bords circulaires 56 de deux cônes adjacents 54 sont séparés par un espace libre e. Les cônes 54 présentent un angle de cône 13 sensiblement égal à 23, 50 . Les cônes 54 sont réalisés dans un matériau conducteur de chaleur et léger. Un matériau tel que le graphoil peut par exemple être utilisé. La face externe 62 des cônes c'est-à-dire la face en regard de la face externe 30 du premier radiateur est recouverte avec un revêtement 64 qui absorbe la partie UV du rayonnement solaire incident. Ce revêtement 64 présente, de plus, une faible émissivité. Par exemple, un revêtement 64 de Nickel poli noir peut être utilisé. Ce revêtement 64 est fixé au caloduc central 60. La face interne 66 des cônes est réalisée dans un matériau conducteur. Du graphoil peut, par exemple, être utilisé. La face interne 66 n'est pas reliée thermiquement au caloduc central 60. Un matelas isolant est agencé entre la face interne 66 et la face externe 62. Avantageusement, la face interne 66 est peinte en couleur noire. Les flux solaires sont absorbés et ré-émis dans l'IR. Comme la face externe du cône au-dessus a une faible émissivité, ce rayonnement est rayonné vers l'espace. En fonctionnement, au cours de l'équinoxe, les faces externes 62 de chaque cône absorbent le rayonnement solaire et transmettent la chaleur captée, par conduction thermique, au caloduc central 60. Le caloduc central 60 transmet cette chaleur au premier radiateur 22. Au cours du solstice, la face interne 66 des cônes absorbe le rayonnement solaire incident et le ré-émet par radiation infra-rouge vers l'espace. Avantageusement, les assemblages de cônes 52 peuvent être facilement montés et démontés sur de nouveaux satellites ou sur des satellites déjà existants. Avantageusement, les assemblages de cônes 52 sont des systèmes passifs qui fonctionnent sans puissance électrique. Avantageusement, les assemblages de cônes 52 présentent une masse faible et un faible coût. REVENDICATIONS1.- Engin spatial (2, 50) comprenant : - une caisse (4) ayant une face +Y (18) et une face -Y (16) opposée à la face +Y (18); - un radiateur (22, 24) porté par au moins une face parmi la face +Y (18) et la face -Y (16) ; ledit radiateur (22, 24) ayant une face externe (30) ; caractérisé en ce qu'il comprend un assemblage (34, 52) ayant au moins une face d'absorption (40, 62) propre à absorber une partie du rayonnement solaire incident (le) durant les équinoxes de printemps et d'automne, ledit assemblage (34, 52) étant apte à transmettre ladite chaleur absorbée au radiateur (22, 24) ; ladite face d'absorption (40, 62) étant inclinée par rapport à la face externe (30) du radiateur (22, 24) d'un angle (a, p) sensiblement compris entre 20° et 26°. 2.- Engin spatial (2) selon la revendication 1, dans lequel ledit assemblage (34) comprend au moins une lamelle (36) ayant une face principale plane (40) disposée au droit de la face externe (30) du radiateur, cette face principale plane (40) étant la face d'absorption (40), la chaleur absorbée étant transmise au radiateur (22, 24) par rayonnement. 3.- Engin spatial (2) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, qui comporte : - un bras de support (32) portant ledit assemblage (34), ledit bras de support (32) s'étendant sensiblement perpendiculairement à la face externe (30) du radiateur, et - au moins un moteur d'entraînement propre à entrainer le bras de support (32) en rotation selon un axe longitudinal du bras de support, la vitesse de rotation du bras de support (32) étant sensiblement égale à la vitesse de rotation du soleil autour de l'engin spatial (2). 4.- Engin spatial (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit assemblage (34) comprend au moins deux lamelles (36) fixées l'une au-dessus de l'autres, et séparées l'une de l'autre par un espace libre (e). 5.- Engin spatial (2) selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, qui comporte au moins un panneau solaire (20), et dans lequel ledit bras de support (32) supporte ledit au moins un panneau solaire (20). 6.- Engin spatial (2) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel lesdites lamelles (36) comprennent un film polyimide et des baguettes propres à rigidifier ledit film polyimide. 7.- Engin spatial (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite au moins face d'absorption (40) présente un revêtement ayant une forte absorptivité solaire, par exemple un revêtement de couleur noire. 8.- Engin spatial (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la face externe (30) dudit radiateur présente un revêtement non spéculaire. 9.- Engin spatial (2) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel chaque lamelle (36) présente une épaisseur inférieure au millimètre. 10.- Engin spatial (50) selon la revendication 1, dans lequel l'assemblage (52) comprend au moins deux cônes (54) ayant chacun une face d'absorption (62) et au moins un caloduc (60) relié thermiquement audites faces d'absorption (62) ainsi qu'au radiateur (30), la chaleur absorbée par la face d'absorption (62) étant transmise par ledit caloduc (60)audit radiateur (30).30