27 Janvier 2009

FAQ - Techniques spatiales

La structure Sylda sur Ariane devient-elle un débris après sa séparation du lanceur ?Quels types de cellules emploie-t-on pour les panneaux solaires utilisés dans le spatial ? Où trouver des informations ? Quels sont les matériaux idéaux pour construire une nacelle de ballon sonde ?Quel est le nombre et le degré de nocivité des débris spatiaux ? Y a-t-il parmi eux des satellites nucléaires ? Transportent-ils des produits chimiques ou toxiques? Lorsqu'ils brûlent dans l’atmosphère provoquent-ils un trou d’ozone ?Lorsqu'une sonde quitte la Terre à destination d'une autre planète file t-elle en ligne droite vers son point de rencontre ?Quelle est la méthode de refroidissement des composants électroniques dans les engins spatiaux en l'absence d'air pour la convection thermique (radiateur, ventilateur) ? La charge utile électronique d’un satellite et ses systèmes hydrauliques sont-ils soumis au vide spatial ou est-ce la plateforme qui est pressurisée avant le lancement ?À partir de quelle altitude une protection thermique est indispensable pour toute rentrée atmosphérique après une ascension verticale ?Je dois expliquer à ma classe ce qu’est un cimetière spatial. Pouvez-vous m’aider ?  

La structure Sylda devient-elle un débris spatial après sa séparation ?

Le Sylda est placé, comme les satellites et le dernier étage du lanceur, sur une orbite de transfert elliptique dont le point le plus proche de la Terre (appelé périgée) se situe environ à 200 km d'altitude. Il devient donc un débris spatial, mais sa durée de vie en orbite est limitée par le frottement atmosphérique, qui va le faire redescendre puis retomber progressivement dans l'atmosphère. L'objectif est donc de limiter sa durée de vie à 25 ans, tout comme certains satellites que le CNES a désorbité dans cette optique (Spot 1 et Spot 2).

 

Quels types de cellules emploie-t-on pour les panneaux solaires utilisés dans le spatial ? Où trouver des informations ?

Deux sortes de cellules solaires sont utilisées sur les satellites pour des besoins de puissance, allant de 150 watts (microsatellites pour missions scientifiques) à 15 kW (satellites de télécommunications). Les cellules solaires au silicium monocristallin sont légères, robustes et relativement bon marché. Leurs dimensions sont de l'ordre de 7*4 cm² pour une épaisseur de 100 µm. Les meilleures cellules spatiales ont un rendement initial de 17%, mais le rendement opérationnel n'est que de l'ordre de 10%, soit 135 W/m² de panneau. C’est pourquoi elles sont de plus en plus remplacées par des cellules triple jonction (InGaP / GaAs / Ge) dont le rendement initial est aujourd'hui de 28%, ce qui permet de diviser à peu près par deux la surface des générateurs solaires. Suivant les contraintes spécifiques de chaque projet, (masse, coût, contraintes d'environnement spatial ou industriel), l'une ou l'autre est choisie.
Toutefois quelques batteries nickel / cadmium persistent sur les satellites d'observation. Or elles sont déjà remplacées sur les satellites de télécoms par le nickel / hydrogène sous pression (50Wh/kg). Ces deux technologies sont en train d'être supplantées par le lithium ion (100 Wh/kg). Autant les Américains dominent le marché des cellules solaires triple jonction, autant ils sont absents dans le domaine des accumulateurs au lithium, que seuls les Japonais (Sony, JSB) et les Français (SAFT) occupent.

Pour en savoir plus

Quels sont les matériaux idéaux pour construire une nacelle de ballon sonde ?

Le choix des matériaux pour réaliser une nacelle de ballon-sonde est déterminé par trois exigences principales : la légèreté, la protection de l'expérience et la sécurité. La légèreté, parce que les capacités d'emport de ces ballons sont limitées et qu'il faut laisser un maximum de masse pour l'expérience embarquée (la nacelle n'étant qu'une coquille protectrice). La protection de l'expérience, car en haute altitude la température et la pression atmosphérique est très faible et l'expérience doit être protégée de cet environnement "quasi spatial". La sécurité, car une nacelle de ballon sonde doit respecter la réglementation aérienne qui limite la masse et la densité des matériaux utilisés. Généralement, nous utilisons le polystyrène extrudé qui est un bon isolant thermique et conserve ses propriétés mécaniques en basse pression. Ce matériau peu dense est léger et permet de respecter assez facilement les contraintes de masse imposées par la réglementation

Quel est le nombre et le degré de nocivité des débris spatiaux ? Y a-t-il parmi eux des satellites nucléaires ? Transportent-ils des produits chimiques ou toxiques? Lorsqu'ils brûlent dans l’atmosphère provoquent-ils un trou d’ozone ?

La population d'objets en orbite autour de la Terre est d'environ 9000 objets d'une taille supérieure à 10 cm, 200 000 objets entre 1 et 10 cm, 35 000 000 entre 1 mm et 1 cm. Ces objets représentent un risque en orbite en cas de collision avec les satellites opérationnels et un risque au sol en cas de rentrée atmosphérique et de retombée de débris. Cependant ce dernier risque reste extrêment faible. Un petit nombre de satellites emporte des matières radioactives. Certains ergols utilisés pour la propulsion des satellites sont toxiques. Lors d'une rentrée atmosphérique, la plupart des matériaux brûlent en raison de l'échauffement intense. La masse de matériaux en jeu étant faible, ceci est sans conséquence sur la couche d'ozone. Les principales agences dont le Cnes appliquent des mesures de prévention sur les satellites et les lanceurs pour réduire la production de débris en orbite.

Lorsqu'une sonde quitte la Terre à destination d'une autre planète file t-elle en ligne droite vers son point de rencontre ?

Dans le système solaire, il faudrait en fait dépenser une énergie colossale pour qu'une sonde se déplace en ligne droite. Car le Soleil attire fortement les objets qui naviguent dans son champ d'attraction. Il courbe donc naturellement les trajectoires dans sa direction. Ainsi, pour aller de la Terre vers Mars par exemple, la sonde parcourt une portion de courbe. Et cette trajectoire est dite optimisée pour raccourcir le temps de trajet... Ceci est valable quelque soit la planète visitée ou la vitesse de la sonde. Saviez-vous que la force d'attraction est si forte qu'elle courbe même la trajectoire de la lumière ?

Quelle est la méthode de refroidissement des composants électroniques dans les engins spatiaux en l'absence d'air pour la convection thermique (radiateur, ventilateur) ?

Le refroidissement des composants électroniques posent effectivement problèmes dans les satellites.. et ne peut se faire que par échange radiatif. En fait caloducs sont surtout utilisés. Ils sont constitués par une enceinte étanche contenant un fluide caloporteur à l'intérieur de laquelle se produisent des phénomènes de capillarité et des phénomènes de passage de l'état liquide à l'état gazeux et vice versa. Vous avez un chapitre de Wikipédia intéressant sur le contrôle thermique des satellites. Si vous voulez approfondir le sujet et entrer dans le détail, reportez-vous au Cours de technologie spatiale du CNES (module 10) dont vous trouverez un descriptif auprès du CILF.

Pour en savoir plus

La charge utile électronique d’un satellite et ses systèmes hydrauliques sont-ils soumis au vide spatial ou est-ce la plateforme qui est pressurisée avant le lancement ?

Certains équipements peuvent être pressurisés. C’est le cas, par exemple, des réservoirs de carburant ou des circuits de refroidissement d’instruments tels que les télescopes recueillant la lumière infrarouge. Dans ce dernier cas, le liquide refroidissant peut être de l’hélium.
En revanche, la charge utile et la plateforme d’un satellite sont entièrement soumises aux rigueurs de l’espace, que ce soit en termes de vide, de contraste de température ou d’agression par les flux de particules et de rayonnement baignant l’espace. C’est d’ailleurs pour cette raison que les satellites subissent de nombreux tests de résistance à ces contraintes très pénalisantes. La durée de vie d’un satellite est essentiellement liée à la durée de vie de ses batteries, à sa résistance à long terme au stress de l’espace et à ses réserves de carburant, nécessaires à la correction régulière de son orbite et de sa position. Dans l’histoire de l’exploration spatiale, la dépressurisation la plus célèbre est celle du réservoir d’oxygène ayant causé l’abandon, heureusement sans conséquence humaine, de la mission Apollo 13 en route vers la Lune, en avril 1970.

À partir de quelle altitude une protection thermique est indispensable pour toute rentrée atmosphérique après une ascension verticale ?

En réalité, on ne peut pas donner une altitude absolue. En effet, les conditions d’échauffement dépendent de nombreux paramètres. Le plus important d’entre eux est la vitesse de pénétration de l’engin. Associé à cela, la densité de l’atmosphère, donc l’altitude à laquelle il vole.
L’échauffement d’un véhicule standard est négligeable sur Terre, malgré la densité de l’air, mais pour un avion de chasse, cela devient important au-delà de la vitesse du son. Pour un engin spatial, il faut ajouter à ces paramètres ses matériaux, sa forme et l’angle de pénétration dans l’atmosphère. En supposant qu’un objet tombe verticalement de 850 km d’altitude, sans frottement avant d’être freiné dans l’atmosphère (en dessous de 200 km), la vitesse maximale atteinte après 25 secondes de chute serait seulement de 250 m/s (900 km/h). En revanche, les capsules russes Photon sont récupérées après un séjour sur orbite où elles circulent à près de 28 000 km/h, soit environ 7,8 km/s. Cette fois-ci, quelle que soit l’altitude initiale, la protection thermique est nécessaire. Mais l’entrée atmosphérique ne doit pas se faire n’importe comment. Il faut un bon équilibre entre la décélération et l’échauffement. Il y a conversion de l’énergie cinétique en énergie thermique. C’est le freinage. Si l’on freine fort, on échauffe beaucoup. Une pénétration trop abrupte causera donc un freinage très fort, mais dépassera la capacité d’absorption de chaleur du revêtement, qui sera détruit. Il est donc nécessaire d’ajuster l’angle d’entrée. Enfin, la forme du bolide a bien sûr son importance. Une forme aérodynamique demandera plus de temps de freinage alors qu’une forme plate opposera une forte résistance à la pénétration, donc un bon freinage. Et l’on peut encore ajouter à ce dernier paramètre la surface échauffée. Plus elle sera grande, meilleurs seront le freinage et la dissipation de la chaleur. Pour information, la température atteinte par les capsules en rentrée atmosphérique ou la navette spatiale peut dépasser 1 000° C.

Pour en savoir plus :

Je dois expliquer à ma classe ce qu’est un cimetière spatial. Pouvez-vous m’aider ?

En orbite géostationnaire on est très loin de la Terre (36000 km) et il n'est pas possible de faire retomber les satellites dans l'atmosphère quand ils arrivent en fin de vie. Il n'est pas possible non plus de les laisser sur cette orbite car elle est très utilisée par d’autres satellites. Cela pourrait entraîner des "embouteillages" et donc des risques de collision. La seule solution aujourd'hui est de les transférer à 300 km au dessus de l'orbite géostationnaire, sur une orbite dite « cimetière » et qui constitue une sorte de décharge où on met les satellites devenus inutiles.