Contrôle thermique des engins spatiaux

Comment maîtriser les échanges radiatifs ? 

La loi de Stefan-Boltzman fait intervenir les puissances quatrièmes des températures absolues des corps en présence, mais également les propriétés thermo-optiques (émissivité et absorptivité) des surfaces d'échanges. On peut ainsi moduler ces échanges en utilisant des matériaux, revêtements, peintures ou traitements de surfaces servant à moduler ces propriétés. A titre d'exemple, les surfaces conçues pour refroidir des équipements, dirigées vers le fond du ciel généralement, sont recouvertes de petits miroirs (nommés OSR pour "Optical Solar Reflector") constitués de minces feuilles de silice argentée : on obtient ainsi une surface pourvue d'une émissivité assez élevée (d'où bonne capacité à rayonner de la chaleur vers l'espace) et d'une absorptivité faible (qui sert à rester protégé d'entrées solaires parasites qui seront réfléchies en majorité).

Et le conductif ? 

On utilise une approche double : en premier lieu le choix de matériaux bons conducteurs (fréquemment de l'aluminium) pour former les surfaces de pose des équipements si on veut faciliter les échanges et ensuite la mise en œuvre de joints thermiques permettant d'abaisser les conductances de contact (silicones chargés de nitrure de bore, tissu de graphite, ... ) A l'inverse on peut souhaiter limiter les échanges par conduction et on utilisera alors des joints isolants à base de polyimides (Kapton®, Vespel®, ... )

Deux exemples de technologies assez souvent mises en œuvre

les tissus isolants multicouches 

Ce système classique, conçu pour limiter au maximum les échanges thermiques, combinent à la fois les approches conductives et radiatives. Il est constitué de plusieurs feuilles d'un isolant aluminisé (Mylar® par exemple) scindées par des couches d'une sorte de "tulle", dont le rôle est de limiter des surfaces de contact entre les feuilles d'isolant. Le "mille-feuille" ainsi constitué est un empilement de couches émissives (fortement réfléchissantes au sens radiatif) scindées des lames de quasi-vide (les alvéoles du tulle) particulièrement peu conductives : les échanges sont réduits au minimum. Ces couvertures multicouches, dont la face externe présente fréquemment un aspect doré, sont particulièrement utilisées sur les engins spatiaux.

les caloducs 

Le caloduc est un système conçu pour assurer le transport de chaleur entre des équipements et les zones radiatives qu'on veut leur associer. Il utilise la convection mais aussi des phénomènes de changement d'état. Il est constitué d'un tube en aluminium extrudé à section circulaire présentant de fines cannelures internes; à l'extérieur le tube est accolé à deux semelles offrant des surfaces de pose pour le caloduc lui-même sur un panneau ou pour des équipements sur le caloduc. Le tube est rempli d'une quantité déterminée d'ammoniac et scellé par une soudure. Le remplissage permet d'avoir, dans les gammes de fonctionnement, la présence simultanée de phases liquides et gazeuses de l'ammoniac. En supposant qu'on dispose, en deux points du caloduc, d'un objet chaud et d'un objet froid, on va amorcer une cellule élémentaire qui fonctionne de la façon suivante : (o) à l'état d'origine supposé homéotherme, la phase ammoniac liquide se répartit uniformément dans les cannelures internes sous l'effet des forces capillaires (i) sous l'objet chaud, les parois du tube s'échauffent et vaporisent l'ammoniac dont la pression va croître ce qui va entraîner une migration du gaz (ii) sous l'objet froid, c'est au contraire le refroidissement relatif des parois qui va entraîner la condensation du gaz et alimenter ainsi le film d'ammoniac liquide qui va migrer par capillarité et refluer vers les zones chaudes. Un cycle de vaporisation, migration du gaz, condensation, pompage capillaire du liquide va assurer le transport de chaleur dont l'efficacité comparé à la convection pure est augmenté par les chaleurs de vaporisation et de condensation de l'ammoniac : on crée ainsi une machine thermique élémentaire purement passive.

Les systèmes actifs

Parmi ceux-ci, les réchauffeurs sont les plus simples : ce sont des résistances chauffantes qui se présentent sous forme de rubans ou de feuilles, le plus souvent collés sur les surfaces qu'on souhaite réchauffer. Ces actionneurs seront commandés par exemple par un thermostat qui les mettra en route dès que la température de référence tombera en dessous d'un certain seuil.

On utilise aussi des machines thermiques actives conçues pour transporter de la chaleur. L'actionneur est généralement une pompe qui force la circulation d'un fluide dans un circuit. Sur ces bases on va rencontrer :

• des systèmes monophasiques (c'est le modèle du circuit de refroissement d'un véhicule automobile!) où la pompe assure la circulation d'un fluide caloporteur entre des surfaces d'échanges chaudes (équipements) et froides (radiateurs) ;
• des systèmes diphasiques qui utilisent à la fois la circulation d'un fluide mais également ses changements d'états (principe des climatiseurs) ; l'intérêt de ce type de système est de pouvoir atteindre des températures basses adaptées au fonctionnement de certains imageurs.

Le refroidisement de certaines zones (en général des détecteurs) peut aussi être assuré par d'autres systèmes : sur des surfaces réduites on peut utiliser des jonctions thermo-electriques qui utilisent l'effet Peltier.

Le cas extrême du cryostat

Pour les besoins extrêmes de particulièrement basses températures (détection dans l'infra-rouge), on est amené à utiliser un cryostat (qui n'est pas un système actif à proprement parler). Le cryostat est un système qui utilise l'inertie thermique d'un liquide particulièrement froid, qui va être consommé lentement par évaporation au cours de la mission. Le satellite ISO en forme un exemple typique : le plan focal en était refroidi par de l'hélium liquide. Des applications plus récentes utilisent des changements de phase plus complexes du cryofluide, comme par exemple les transitions superfluide de l'hélium liquide, pour atteindre des températures toujours plus basses.