Brevet FR3040777A1 — publié le 20170310

Ensemble de détection optique comportant un détecteur optique à contrôle thermique amélioré, instrument d'observation et satellite comportant un tel ensemble de détection optique La présente invention concerne un ensemble de détection optique comportant un détecteur optique à contrôle thermique amélioré, un instrument d'observation et un satellite comportant un tel ensemble de détection optique. Elle s'applique particulièrement au domaine spatial, et en particulier aux instruments d'observation spatiaux comportant des détecteurs optiques placés dans un plan focal de l'instrument. Les instruments d'observation, par exemple un télescope ou un interféromètre, montés sur un satellite, sont soumis à des variations de température très importantes, liées à l'environnement spatial, qui influent sur les performances et la durée de vie des équipements électroniques et optiques de l'instrument, tels que notamment des détecteurs optiques en technologie semi-conducteur, disposés dans un plan focal de l'instrument d'observation. Pour maintenir les équipements électroniques et optiques dans une plage de température prédéfinie, compatible avec leurs performances optimales, les plans focaux des instruments d'observation sont équipés d'un dispositif de contrôle thermique comportant classiquement, un ensemble d'éléments structuraux conducteurs thermiques ayant des propriétés thermiques et optiques constantes et destinés à conduire et à évacuer les calories d'un point chaud vers un point froid. L'ensemble d'éléments structuraux peut comporter par exemple, une platine en matériau céramique à forte conductivité thermique destinée à supporter au moins un détecteur optique, des drains thermiques constitués de tresses thermiques et de caloducs fixés sur la platine en céramique et couplés à un radiateur. En outre, les plans focaux comportent des réchauffeurs installés sur la platine en matériau céramique et destinés à réchauffer les équipements électroniques et optiques, notamment les détecteurs optiques, pendant les phases froides, en particulier entre deux phases de prises de vues. Les éléments structuraux sont destinés à réguler la température des équipements électroniques et optiques situés dans le plan focal mais, ne 3040777 2 sont pas suffisants pour compenser les dérives thermiques transitoires du détecteur optique, en particulier les dérives thermiques transitoires dues à la dissipation de chaleur du détecteur optique pendant des phases de prises de vues. En outre, ces dérives thermiques transitoires provoquent une variation 5 de gradient thermique dans la platine en céramique sur laquelle les détecteurs optiques sont montés, en raison du chemin thermique différent entre chaque détecteur optique et le drain thermique. Or les dérives thermiques de chaque détecteur optique influent directement sur les performances intrinsèques, en particulier les performances radiométriques et 10 la qualité des images, d'un instrument d'observation à haute résolution. Le but de l'invention est d'améliorer le contrôle thermique des détecteurs optiques situés dans les plans focaux des instruments d'observation spatiaux et de réduire d'une part, les fluctuations temporelles 15 de la température d'un détecteur optique lors des phases de prises de vues et d'autre part, les gradients thermiques dans la platine en céramique supportant les détecteurs optiques. Pour cela, l'invention concerne un ensemble de détection optique 20 comportant au moins un détecteur optique destiné à être placé dans un plan focal d'un l'instrument d'observation et un dispositif de contrôle thermique destiné à maintenir le détecteur optique à une température de fonctionnement prédéfinie, le dispositif de contrôle thermique comportant une platine en céramique et une cale de réglage de la position du détecteur 25 optique, la cale de réglage étant interposée entre le détecteur optique et la platine en céramique, la platine en céramique étant destinée à être couplée thermiquement à un radiateur externe. La cale de réglage comporte une cavité ouverte délimitée par quatre parois périphériques, le détecteur optique étant monté et fixé sur les quatre parois périphériques. Le dispositif de 30 contrôle thermique comporte en outre un matériau à changement de phase en contact direct avec le détecteur optique, le composant à changement de phase étant logé dans la cavité ouverte de la cale de réglage, sans être en contact avec la cale de réglage, ni avec la platine en céramique. 3040777 3 Avantageusement, le composant à changement de phase comporte une phase solide et une phase liquide et comporte une température de changement de phase choisie en fonction de la température de fonctionnement prédéfinie du détecteur optique. 5 Avantageusement, le composant à changement de phase est encapsulé dans un boîtier étanche ayant des parois constituées d'un matériau conducteur thermique. 10 Avantageusement, le boîtier étanche est en céramique ou en alliage d'aluminium. Avantageusement, le composant à changement de phase est constitué de paraffine, la paraffine étant noyée dans un matériau poreux 15 placé dans le boîtier étanche, le matériau poreux étant en contact thermique avec les parois du boitier étanche et choisi parmi une mousse de graphique, ou une mousse d'aluminium. Alternativement, le composant à changement de phase est constitué 20 d'un alliage d'aluminium choisi parmi l'alliage d'aluminium et de silicium, ou le nitrure d'aluminium. L'invention concerne aussi un instrument d'observation comportant un tel ensemble de détection optique et un satellite comportant un tel instrument 25 d'observation. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés qui 30 représentent : figure 1 : un schéma, en vue de dessus, d'un ensemble de détection optique, selon l'invention ; figure 2 : un schéma d'un exemple d'instrument d'observation, selon l'invention ; 35 figures 3a et 3b : deux schémas, respectivement de profil et en coupe transversale, d'un ensemble de détection optique, selon l'invention ; 3040777 4 figure 4 : un exemple des différentes phases d'un composant PCM ayant une température de fusion Tf égale à 22°, en fonction de la température et du temps, selon l'invention ; figure 5: un schéma, en vue de dessus, de la cale de 5 réglage, selon l'invention; figure 6 : un exemple comparatif de la courbe d'évolution de la température d'un détecteur optique associé à un dispositif de contrôle thermique, dans le cas a) sans composant PCM et respectivement dans le cas b) avec composant PCM, selon 10 l'invention. L'ensemble de détection optique représenté en vue de dessus, sur la figure 1, comporte au moins un détecteur optique 10 destiné à être placé dans un plan focal d'un instrument d'observation et un dispositif de contrôle 15 thermique 20 destiné à maintenir le détecteur optique à une température de fonctionnement prédéfinie. Sur l'exemple, de la figure 1, l'ensemble de détection optique comporte plusieurs détecteurs optiques 10 montés les uns à côtés des autres. Le détecteur optique 10 peut par exemple être une caméra de prises de vues et l'instrument d'observation peut par exemple être 20 un télescope ou un interféromètre. La figure 2 illustre un exemple d'instrument d'observation comportant un plan focal pouvant être équipé d'un ensemble de détection optique conforme à l'invention. L'instrument d'observation comporte un miroir primaire 11, un miroir secondaire 12 et des miroirs de renvoi 13. La configuration des miroirs primaire 11 et secondaire 25 12 définit un foyer image dans lequel la lumière est focalisée. Le foyer image est situé dans le plan focal 14 de l'instrument d'observation. Le dispositif de contrôle thermique 20 comporte une platine en céramique 21 supportant des équipements électroniques et optiques et notamment au moins un détecteur optique, et une cale de réglage 22 apte à régler la position du détecteur 30 optique 10, la cale de réglage étant disposée en sandwich entre le détecteur optique 10 et la platine en céramique 21, comme représenté sur les vues de profil et en coupe transversale, des figures 3a et 3b. De préférence, la cale de réglage 22 est réalisée dans un matériau bon conducteur thermique et à faible coefficient de dilatation thermique CTE (en anglais : coefficient of 35 thermal expansion), tel que, par exemple, un matériau céramique. La platine 3040777 5 en céramique est couplée thermiquement à un radiateur 23 externe par l'intermédiaire d'un dispositif de couplage thermique 24. Le dispositif de couplage thermique 24 comporte des éléments structuraux conducteurs thermiques, tels que par exemple, des tresses thermiques 15 et des 5 caloducs 16 (visibles sur la figure 1), destinés à canaliser la chaleur dissipée par le détecteur optique vers le radiateur. Le radiateur 23 est destiné à évacuer, par rayonnement, ladite chaleur dissipée vers l'espace froid environnant. Le dispositif de contrôle thermique 20 comporte également des réchauffeurs, non représentés, destinés à réchauffer les équipements 10 électroniques et optiques situés dans le plan focal, pendant les phases froides. En outre, pour réduire les dérives thermiques transitoires qui sont dues à une augmentation temporaire de la dissipation thermique du détecteur lors des prises de vue, et pour réduire les gradients thermiques 15 dans la platine en céramique 21, selon l'invention, le dispositif de contrôle thermique 20 comporte un composant à changement de phase PCM 25 ayant une surface en contact direct avec le détecteur optique. Le composant PCM 25 comporte un matériau ayant une phase solide et une phase liquide et est destiné, lors d'un changement de phase de l'état solide vers l'état 20 liquide, à absorber la chaleur dissipée par le détecteur optique pendant les périodes chaudes, c'est-à-dire lors des prises de vues, et à stocker la chaleur absorbée sous forme de chaleur latente. En outre, lors d'un changement de phase inverse de l'état liquide vers l'état solide, le composant PCM est destiné à restituer cette chaleur latente au détecteur optique pendant les 25 périodes froides, c'est-à-dire en dehors des prises de vues. Ce cycle de fonctionnement, théoriquement isotherme, a pour effet de limiter fortement les dérives thermiques transitoires du détecteur optique. En effet, un composant à changement de phase est un composant 30 passif qui comporte un matériau capable de stocker ou de céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température constante égale à la température du changement d'état, par exemple la température de fusion, notée Tf. La grandeur caractéristique utilisée pour quantifier la quantité de chaleur échangée par un composant PCM est la chaleur latente 35 de changement de phase, notée Lf et exprimée en Joule/kg. La chaleur 3040777 6 latente de changement de phase est la quantité d'énergie nécessaire pour, à partir d'un état complètement solide, atteindre un état complètement liquide. La figure 4 illustre un exemple des différentes phases d'un composant PCM ayant une température de fusion Tf égale à 22°, en fonction de la 5 température T et du temps. Sur cette figure 4, en dessous de la température de fusion, le composant PCM est à l'état solide et sa température T est égale à 21°C. Dès que la température ambiante T atteint 22°C, le composant PCM commence à passer en phase liquide. Ce premier changement de phase dure autant de temps que les deux phases liquide et solide coexistent. 10 Pendant toute la durée du premier changement de phase, la température T reste égale à 22°C alors que le composant PCM continue de stocker la chaleur. Lorsque le composant PCM est complètement liquide, il ne peut plus absorber de chaleur supplémentaire et la courbe de la figure 4 montre que la température T recommence à augmenter à une valeur supérieure à la 15 température de fusion Tf. Le fonctionnement du composant PCM est réversible. Lors d'une phase de refroidissement, le composant PCM restitue la chaleur latente stockée en passant de l'état liquide à l'état solide. Ce deuxième changement de phase dure autant de temps que les deux phases liquide et solide coexistent. Pendant toute la durée du deuxième changement 20 de phase, la température est constante et égale à la température de fusion Tf. Lorsque le composant PCM est redevenu complètement solide, la température décroit. Le composant à changement de phase permet donc de réguler la température uniquement pendant les périodes de changement de phase. 25 Conformément à l'invention, le composant à changement de phase 25 est thermiquement couplé au détecteur optique 10, et uniquement au détecteur optique. A cet effet, comme le montre la figure 5, la cale de réglage comporte au moins une cavité ouverte 26 délimitée par quatre parois 30 périphériques et le détecteur optique 10 est monté et fixé sur les quatre parois périphériques de la cale de réglage. La cavité ouverte 26 de la cale de réglage a des dimensions géométriques supérieures aux dimensions géométriques du composant à changement de phase 25, de façon que le composant à changement de phase soit logé dans la cavité ouverte de la 35 cale de réglage, contre le détecteur optique 10 et sans aucun contact avec la 3040777 7 cale de réglage 22, ni avec la platine en céramique 21. Par exemple, le composant PCM peut être fixé par collage sur une face arrière du détecteur optique. Comme un composant PCM est moins bon conducteur que 5 l'aluminium, pour éviter que des gradients thermiques se créent entre le détecteur optique et la platine céramique, il est important qu'il n'y ait pas de contact du composant PCM avec la cale de réglage fixée sur la platine en céramique. De cette façon, thermiquement, la cale de réglage et le composant PCM agissent en parallèle. D'une part, la cale de réglage, sur 10 laquelle est fixé le détecteur optique, permet en permanence, la transmission des calories dissipées par le détecteur optique vers la platine en céramique puis vers le radiateur, d'autre part, pendant les périodes transitoires, en particulier pendant les périodes de prises de vues, lorsque le détecteur optique dissipe temporairement beaucoup de calories additionnelles, le 15 composant PCM permet de stocker les calories additionnelles et de limiter ainsi la montée en température du détecteur optique. Le choix du composant PCM dépend de sa température de changement de phase qui est choisie en fonction de la température de 20 fonctionnement prédéfinie souhaitée pour le détecteur optique. Par exemple, pour une température de fonctionnement égale à 22°C, le composant PCM peut par exemple comporter de la paraffine. En effet, la paraffine a une température de fusion égale à 22°C. En dessous de cette température de fusion, la paraffine est à l'état solide. Dès que la température dépasse 22°C, 25 la paraffine commence à fondre et à progressivement passer à l'état liquide. La paraffine étant un mauvais conducteur, pour améliorer la répartition des calories dans toute l'épaisseur du composant PCM, la paraffine peut être noyée dans un matériau poreux conducteur thermique. Le matériau poreux peut être choisi parmi une mousse de graphique, ou une mousse 30 d'aluminium. Alternativement, le composant à changement de phase peut être constitué d'un alliage d'aluminium choisi parmi l'alliage d'aluminium et de silicium, ou le nitrure d'aluminium. En outre, le composant à changement de phase ayant deux phases solide et liquide, il doit être hermétiquement encapsulé dans un boitier 35 étanche 27 ayant des parois constituées d'un matériau conducteur 3040777 8 thermique, le matériau poreux étant en contact thermique avec les parois du boitier étanche. Pour ne pas dégrader les performances du composant PCM et permettre l'homogénéisation du passage des calories dans le composant PCM, le boîtier étanche peut être réalisé dans un matériau métallique, de 5 préférence bon conducteur thermique de façon à assurer une meilleure conduction thermique que la paraffine seule. Alternativement, pour des raisons thermo-élastiques entre le boitier étanche et le détecteur optique, le matériau du boîtier étanche peut avoir un faible coefficient de dilatation thermique CTE, tel que la céramique par exemple. Par exemple, le boîtier 10 étanche peut être en céramique ou en alliage d'aluminium, tel que par exemple SiC, AlSi,.... Pour que le composant PCM soit capable d'absorber la chaleur dissipée par le détecteur optique pendant toute la durée d'une prise de vue, il est nécessaire que la phase liquide soit incomplète à la fin de chaque prise 15 de vue. Or la période de changement de phase d'un composant PCM est d'autant plus longue que le composant PCM a un volume plus important. Le volume du composant PCM doit donc être défini en fonction de la durée d'une prise de vue et doit, en outre, être compatible des possibilités d'aménagement dans la cavité ouverte de la cale de réglage. 20 La figure 6 illustre un exemple comparatif de la courbe d'évolution de la température d'un détecteur optique associé à un dispositif de contrôle thermique, dans le cas a) sans composant PCM et respectivement dans le cas b) avec composant PCM. Dans le cas a) où le dispositif de contrôle de 25 température ne comporte pas de composant PCM, la figure 6 montre que, pendant une phase située entre l'instant tl égal à 64000 secondes et l'instant t2 égal à 66000 secondes, la température du détecteur optique s'accroit temporairement de 8°C avant de décroitre pour retrouver sa température de régulation. La croissance temporaire de la température du détecteur optique 30 correspond à une dissipation de calories qui peut être due en particulier, à une prise de vue, alors que la décroissance de température correspond à l'arrêt de dissipation de calories. Dans le cas b), lorsque le dispositif de contrôle de température comporte en plus un composant PCM en contact direct avec le détecteur optique, la montée en température du détecteur 35 optique est seulement de 2°C. En effet, lorsque le détecteur optique est 3040777 9 couplé au composant PCM, pendant une phase de dissipation de calories, la température du détecteur optique évolue suivant quatre phases distinctes : la phase 1 de montée en température du détecteur optique a lieu que lorsque la température du composant PCM est inférieure à sa température de fusion Tf, 5 par exemple Tf = 22°C. Dès que la température de fusion Tf est atteinte, le composant PCM commence à fondre et à stocker les calories additionnelles dissipées par le détecteur optique. Pendant cette phase 2 de fusion, la température du composant PCM restant constante, cela permet de stabiliser la température du détecteur optique pendant la dissipation des calories. La 10 phase 3 commence à la fin de la phase de prise de vue, lorsque le détecteur optique s'arrête de dissiper des calories. Pendant la phase 3, le composant PCM arrête de stocker des calories et recommence à se solidifier. La température du détecteur optique décroît jusqu'à une valeur égale à la température de fusion du composant PCM et reste égale à cette valeur tant 15 que la phase de solidification du composant PCM n'est pas complète. Lorsque le composant PCM est complètement solidifié, en phase 4, le détecteur optique redescend en température. Cette figure 6 montre donc que le composant PCM permet de limiter la montée en température du détecteur optique due à la dissipation thermique temporaire, en particulier pendant les 20 phases de prises de vue et que dès que la température de fusion est atteinte, permet de stabiliser efficacement la température du détecteur optique. La courbe b) de l'exemple de la figure 6 a été réalisée en utilisant un composant PCM ayant une température de fusion égale à 22°C, ayant une masse égale à 0.028 kg, ayant une hauteur de 2.2 cm, et ayant une surface de contact 25 avec le détecteur optique égale à 0.0015 m2. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi 30 que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Ensemble de détection optique comportant au moins un détecteur optique (10) destiné à être placé dans un plan focal d'un instrument d'observation et un dispositif de contrôle thermique (20) destiné à maintenir le détecteur optique (10) à une température de fonctionnement prédéfinie, le dispositif de contrôle thermique (20) comportant une platine en céramique (21) et une cale de réglage (22) de la position du détecteur optique, la cale de réglage (22) étant interposée entre le détecteur optique (10) et la platine en céramique (21), la platine en céramique étant destinée à être couplée thermiquement à un radiateur externe (23), caractérisé en ce que la cale de réglage (22) comporte une cavité ouverte (26) délimitée par quatre parois périphériques, le détecteur optique (10) étant monté et fixé sur les quatre parois périphériques et en ce que le dispositif de contrôle thermique (20) comporte en outre un matériau à changement de phase (25) en contact direct avec le détecteur optique (10), le composant à changement de phase (25) étant logé dans la cavité ouverte (26) de la cale de réglage (22), sans être en contact avec la cale de réglage, ni avec la platine en céramique. 2. Ensemble de détection optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant à changement de phase (25) comporte une phase solide et une phase liquide et comporte une température de changement de phase choisie en fonction de la température de fonctionnement prédéfinie du détecteur optique (10). 3. Ensemble de détection optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composant à changement de phase est encapsulé dans un boîtier étanche (27) ayant des parois constituées d'un matériau conducteur thermique. 4. Ensemble de détection optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le boîtier étanche (27) est en céramique ou en alliage d'aluminium. 3040777 11 5. Ensemble de détection optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le composant à changement de phase (25) est constitué de paraffine, la paraffine étant noyée dans un matériau poreux placé dans 5 le boîtier étanche (27), le matériau poreux étant en contact thermique avec les parois du boitier étanche et choisi parmi une mousse de graphique, ou une mousse d'aluminium. 6. Ensemble de détection optique selon la revendication 4, caractérisé en 10 ce que le composant à changement de phase (25) est constitué d'un alliage d'aluminium choisi parmi l'alliage d'aluminium et de silicium, ou le nitrure d'aluminium. 7. Instrument d'observation comportant un ensemble de détection optique 15 selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Satellite, comportant au moins un instrument d'observation selon la revendication 7.