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1. 134 C 3 Fichier R TAN coefficients de couplages radiatifs 135 C 4 Fichier H TAN flux externes absorb s 137 R sultats complets pour le test de balance thermique 141 D 1 Calcul de la conductance de la tresse de cuivre 141 D 2 Liste des temp ratures des diff rents noeuds du mod le de balance thermique141 VI Liste des figures 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 3 1 3 2 3 3 3 4 3 9 3 6 3 7 3 8 3 9 3 10 3 11 3 12 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 4 10 4 11 4 12 4 13 4 14 4 15 Vue g n rale de l instrument SWAP Charge utile du satellite Proba 2 Structure du Soleil et de son atmosph re Structure de la magn tosph re terrestre Vue du Soleil 17 1 nm Transmission d une feuille d aluminium de 150 nm d paisseur Filtre support et entr e de l instrument Transmission totale de la feuille de 150 nm d aluminium et de la grille D fimtorr de las BRDE 2 0 oh Lis on he hee RS eh ae ted Configuration du test CSL Courbe d BRDE s aor ue el lan ee Une en eue af du que Filtre support et plaque Vue de devant du bloc d entr e Mod lisations classique et simplifi e du MLI Condu
2. 4 7 2 Calcul des flux externes absorb s R solution du syst me d quations de bilan thermique IV 5 R sultats et exploitation du bilan thermique 69 5 1 R sultats du calcul thermique 70 5 1 1 Mode op rationnel cas chaud 70 5 1 2 Mode op rationnel cas froid 76 5 1 3 Simulation des clipses 79 5 1 4 Mode d contamination 82 p 595 Mode Survie aaa ue Glas eh ee ea a UE he 83 5 1 6 Mode porte ferm e 84 5 2 Etudes de sensibilit 86 5 2 1 Influence de la qualit du contact du filtre 86 5 2 2 Influence de la nature du pied arri re 87 5 2 3 Influence de la conductance de la porte 88 5 2 4 Influence de la conductance des montures des miroirs 89 5 3 Analyse des r sultats 89 5 3 1 Plages de temp ratures op rationnelles 90 5 3 2 Plages de temp ratures non op rationnelles 92 5 3 3 Dilatation thermique du banc optique 93 5 4 Test de balance thermique 94 5 4 1 Description de la configuration du test 94 5 4 2 Calcul de la temp rature de puits du radiateur 9
3. TAB 5 19 Liens conductifs C _ entre les diff rents noeuds du mod le r duit 5 5 2 Calcul des radiosit s Y _ Les liens radiatifs sont de deux sortes entre les noeuds du mod le r duit de l instrument et entre l instrument et son environnement Pour le lien radiatif Y1_ il suffit d imposer dans le mod le sous Thermica le noeud 1 toute la moiti avant de l instrument et le noeud 2 toute la moiti arri re comme le montre la figure 5 14 Thermica estime par la m thode habituelle de ray tracing avec 10000 rayons la valeur de la radiosit entre ces deux noeuds Y1_2 9 4452 1073 m 5 12 100 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 Eh 2 FIG 5 14 Calcul du lien radiatif Y _2 L ordre de grandeur de cette valeur peut tre v rifi e manuellement D apr s la formule 2 6 expression de la radiosit Y1_2 est i tea 1 l e 5 13 Yi 2 Ar AFi eAe oy o et sont les missivit s A et A2 les aires et F2 le facteur de vue de la moiti avant 1 vers la moiti arri re 2 Pour simplifier les l ments optiques de instrument ne sont pas consid r s ramenant le calcul du facteur de vue celui d une demi bo te 1 vers une demi bo te 2 Ce facteur de vue Fiz peut soit tre calcul analytiquement r f rence 16 soit tre estim en utilisant les deux propri t s des facteurs de vue 6 Aj Fig Ag Fo 5 14 Fii
4. TAB A 23 Equilibre de la face filtre mauvais contact 119 Annexe A R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Bloc i e noeud 600 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 3 1656 107 33 39 MLI 1400 1 0516 107 11 09 Autres Divers filtre 55 52 Facefiltre conductif 300 5 6914 107 60 02 Cuve 1600 2 0535 107 21 66 Plaque conductif 1500 1 3082 107 13 80 Autres 4 52 Total 9 4821 107 9 4821 107 TAB A 24 Equilibre du bloc mauvais contact MLI i e noeud 1400 El ment Noeud thermique Fluxin Flux out W W Soleil 1 5558 100 Cuve 1600 8 3532 107 53 69 Plaque 1500 6 0446 107 38 85 Espace froid 999 1 0475 1071 6 73 Autres 0 73 Total 1 5558 1 5558 TAB A 25 Equilibre du MLI mauvais contact 120 Annexe B D tails de calculs des conductances thermiques Cette annexe fournit les d tails des diff rents calculs des conductances thermiques effectu s au chapitre 4 Le calcul des paisseurs quivalentes pour les diff rents noeuds du banc optique est indiqu la premi re section Les hypoth ses pour le calcul des conductances des miroirs de la porte et des pieds sont ensuite explicit es Enfin le fichier r capitulatif des conductances entre tous les noeuds du mod le thermique est reproduit la derni re section de ce chapitre B 1 Calcul des paisseurs quivalentes du banc optique B 1 1 Description des raidisseu
5. 74 Cornet polaire netoqueue m Baene gs Onde de choc Fic 1 4 Structure de la magn tosph re terrestre 5Il contient 7 de particules plus lourdes telles que des noyaux d h lium L instrument SWAP pour l observation du Soleil Chapitre 1 Les ruptions solaires Les taches solaires sont des zones plus froides de la photosph re solaire o le champ magn tique plus intense bloque le transport thermique Les taches vont le plus souvent par paires l une tant de polarit nord et l autre sud La rotation diff rentielle et les mou vements de convection la surface du Soleil complexifient la structure magn tique des taches conduisant une augmentation de l nergie qui y est stock e Les taches solaires sont associ es aux protub rances immenses jets de mati re for mant le plus souvent des boucles joignant une paire de taches La reconnexion des champs magn tiques conduit alors un r arrangement dans une structure stockant moins d nergie L nergie est alors lib r e sous diverses formes donnant lieu aux ruptions solaires Une partie de cette nergie sert acc l rer des particules lectrons et protons s chappant ensuite vers le milieu interplan taire L acc l ration des lectrons provoque une mission durant une dizaine de minutes de rayons X durs Une autre partie de l nergie chauffe la zone active rayonnant sur une large gamme spectrale du visi
6. Comme pour le banc optique un gradient d une vingtaine de degr s est observ entre Vavant et l arri re du capot le flux de chaleur s coulant radiativement et conductive ment Une dissym trie est galement observ e entre la gauche et la droite en raison cette fois de la puissance dissip e dans la boite de connecteurs sur la face gauche du capot La chaleur du capot est vacu e majoritairement par conduction avec le banc optique et dans une moindre mesure radiativement vers la feuille de MLI La porte recouverte de peinture blanche et expos e directement au flux solaire se stabilise une temp rature de 34 0 C vacuant environ la moiti de sa chaleur vers l espace froid et l autre moiti conductivement vers l entr e de l instrument Notons qu elle re oit par sa face interne de la chaleur du MLI recouvrant la face d entr e Enfin la temp rature indiqu e pour le MLI correspond celle de la feuille externe de Kapton Le tableau 5 4 pr sente les temp ratures de l ensemble FPA et des diff rents noeuds du radiateur Dans la mod lisation thermique le FPA est r duit amp deux noeuds avec un noeud unique pour le d tecteur la cold cup et le doigt froid noeud 66000 et un noeud pour la boite entourant ces l ments noeud 65000 A priori la temp rature de la cold cup en Invar est l g rement inf rieure celle du d tecteur permettant par ailleurs de condenser pr f rentiellement les contamin
7. TAB 5 10 Mode d contamination temp ratures des l ments de linstrument SWAP 5 1 5 Mode survie Le mode survie correspond une d sactivation de l instrument SWAP lorsqu il n ob serve pas le Soleil Il n y a donc pas de puissance dissip e par les composants lectroniques Les temp ratures de la structure du satellite Proba 2 en mode survie ne sont pas encore connues D s lors hypoth se d une structure de satellite 40 C est pos e correspondant la temp rature de survie minimale impos e l ensemble du satellite Proba 2 L instru ment pointe toujours vers le Soleil et sa porte reste ouverte Le tableau 5 11 indique les temp ratures de survie du banc optique de l entr e de la porte et de quelques l ments optiques de l instrument El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C Banc optique 1 30 33 Filtre 100 10 03 2 29 90 110 12 46 3 33 65 120 28 55 4 33 57 130 39 57 5 37 92 140 56 39 6 37 51 Support 200 26 68 7 40 08 Face filtre 300 27 37 8 39 71 Grand baffle 15601 40 09 9 42 54 Petit baffle 15600 29 60 10 40 57 FiltreAR 500 40 24 Entr e 15100 23 71 M1 35000 40 57 Porte 50000 23 25 M2 35500 30 33 TAB 5 11 Mode survie temp ratures des l ments de l instrument SWAP 83 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique La temp rature moyenne du banc optique est de 36 9 C avec un
8. ALBEDO INCIDENT 1 4707E 03 1 6472E 03 1 7769E 03 1 8160E 03 1 8420E 03 1 9280E 03 1 9085E 03 1 7696E 03 1 7782E 03 1 8265E 03 1 8242E 03 1 8056E 03 1 7100E 03 1 5648E 03 1 4707E 03 1 2017E 03 9 6665E 04 7 2087E 04 5 1736E 04 4 4473E 04 3 9515E 04 4 2502E 04 4 9606E 04 5 9143E 04 7 2036E 04 9 6666E 04 1 2616E 03 1 5647E 03 E00000100 28 PLANET INCIDENT 5 1178E 03 4 5804E 03 4 1486E 03 3 7343E 03 3 4722E 03 3 4087E 03 3 3329E 03 3 1573E 03 3 2129E 03 3 4455E 03 3 7463E 03 4 1840E 03 4 7246E 03 5 3659E 03 5 1178E 03 5 6037E 03 6 2981E 03 6 8844E 03 7 1261E 03 7 4473E 03 7 4977E 03 7 4407E 03 7 4631E 03 7 3043E 03 6 8857E 03 6 3525E 03 5 8144E 03 5 3659E 03 NO0000110 28 SOLAR INCIDENT 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 4 2138E 01 W00000110 28 ALBEDO INCIDENT 1 3378E 03 1 4608E 03 1 4833E 03 1 5667E 03 1 5350E 03 1 5258E 03 1 4992E 03 1 5656E 03 1 5498E 03 1 5005E 03 1 5594E 03 1 4955E 03 1 4435E 03 1 3609E 03 1 3378E 03 1 0680E 03 8 6637E 04 6 6761E 04 5 5947E 04 4 8780E 04 4 3939E 04 4 3809E 04 4 7355E 04 5 3929E 04 6 6934E 04 8 9129E 04 1 1228E 03 1 3609E 03
9. UNIVERSITE DE LIEGE Facult des Sciences Appliqu es Elaboration du modele thermique du t lescope SWAP a bord du satellite PROBA 2 Val rie VAN GROOTEL Travail de fin d tudes en vue de l obtention du grade d Ing nieur Civil Physicien Promoteur Dr Pierre ROCHUS Ann e acad mique 2004 2005 Remerciements Je tiens tout d abord remercier mon promoteur Pierre Rochus et l ensemble de l quipe SWAP du CSL en particulier Tanguy Thibert pour avoir suivi au quotidien ce travail de fin d tudes Ces remerciements s adressent galement Jean Marc Defise pour ses conseils toujours avis s et sa relecture attentive du pr sent rapport Je remercie galement Jean Philippe Halain pour m avoir initi e aux arcanes du logiciel Thermica Un remerciement particulier s adresse Marc Jacquiau de la soci t EADS Astrium Toulouse pour s tre personnellement occup de l installation du logiciel Thermica sur mon ordinateur et pour avoir toujours r pondu mes nombreuses questions concernant l utilisation du logiciel Enfin je ne saurai oublier l ensemble de ma famille et de mes proches pour m avoir tou jours soutenu au cours de cette ann e difficile et tout au long de mes tudes Sans eux bien des obstacles auraient t insurmontables Je pense en particulier mon compagnon Beno t pour avoir toujours su trouver les mots justes m encourageant aller de l avant Table des mati res Int
10. A 1 3583E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 9 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 4211E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 10 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 4211E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 100 lt 1 1 gt Filtre Disci 0 T 0 000E 00 C 8 5961E 03 A 8 3384E 04 ALP 0 147 EPS 0 095 D 110 lt 1 1 1 gt Filtre2 Disci 0 T O0 000E 00 C 6 6858E 03 A 6 4855E 04 ALP 0 147 EPS 0 095 131 Annexe C Fichiers n cessaires la r solution par le solveur Esatan D 120 D 130 D 140 D 200 D 300 D 500 D 510 D 520 D 530 D 540 D 600 D 700 D15001 D15002 D15003 D15004 D15005 D15006 D15007 D15008 D15009 D15010 D15011 D15012 D15013 D15014 D15015 lt 1 1 2 gt Filtre3 Disc2 0 T A 4 6325E 04 ALP 0 147 EPS lt 1 1 3 gt Filtre4 Disc3 0 T A 2 7795E 04 ALP 0 147 EPS lt 1 1 4 gt Filtre5 Disc4 0 T OOGO 000E 00 C 4 7756E 03 095 000E 00 C 2 8654E 03 095 000E 00 C 9 5512E 04 A 9 2649E 05 ALP 0 147 EPS 0 095 lt 1 2 gt Support Disc2 0 T 0 000E 00 C 7 144E 00 A 1 8055E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 1 8 gt Face_Filtre Extern 0 T A 3 7812E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 1 10 gt FiltreAR Disc3 2 T 0 A 4 5294E 04 ALP 0 147 EPS 0 lt 1 10 1 gt FiltreAR Disc3 2 T
11. E00000110 28 PLANET INCIDENT 4 4813E 03 3 9589E 03 3 4033E 03 3 1659E 03 2 8541E 03 2 6949E 03 2 5830E 03 2 7178E 03 2 7315E 03 2 8087E 03 3 1548E 03 3 4377E 03 3 8842E 03 4 5060E 03 4 4813E 03 4 8439E 03 5 4310E 03 5 8531E 03 6 3266E 03 6 6877E 03 6 8334E 03 6 7936E 03 6 6034E 03 6 3347E 03 5 8558E 03 5 4091E 03 4 9185E 03 4 5060E 03 NO0000120 28 SOLAR INCIDENT 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 3 0098E 01 W00000120 28 ALBEDO INCIDENT 1 1197E 03 1 1054E 03 1 1731E 03 1 1648E 03 1 2038E 03 1 1283E 03 1 1185E 03 1 1432E 03 1 1099E 03 1 1540E 03 1 1656E 03 1 2044E 03 1 2536E 03 1 1841E 03 1 1198E 03 138 Fichiers n cessaires a la r solution par le solveur Esatan Annexe C 9 7754E 04 8 0813E 04 6 9027E 04 5 6850E 04 4 5372E 04 4 2629E 04 4 3889E 04 5 0240E 04 5 6172E 04 6 9150E 04 8 9142E 04 1 0838E 03 1 1841E 03 E00000120 28 PLANET INCIDENT 3 5114E 03 2 8737E 03 2 5693E 03 2 2564E 03 2 1345E 03 1 9105E 03 1 8714E 03 1 9166E 03 1 9086E 03 2 0569E 03 2 2575E 03 2 6301E 03 3 1360E 03 3 6265E 03 3 5114E 03 3 9004E 03 4 3840E 03 5 0955E 03 5 5832E 03 5 8337
12. Les r sultats obtenus sont quasiment identiques La mod lisation simplifi e du MLI est alors utilis e 3 3 2 Notions d paisseurs quivalentes Le filtre d aluminium de 150 nm d paisseur est renforc par une grille de nickel dont les dimensions sont Largeur des barreaux t 41 um Epaisseur des barreaux e 25 um Pas de la grille d 391 um Il est impossible de mod liser exactement cette grille dans le mod le g om trique Ceci jus tifie l introduction de la notion d paisseur quivalente de la grille de nickel utilis e ensuite la section 3 3 3 pour d finir un mat riau quivalent i e bulk material mod lisant le filtre complet compos de la feuille d aluminium et de la grille En r alit il n existe pas une paisseur quivalente unique pour la grille de nickel mais bien une paisseur quivalente de conduction et une paisseur quivalente calorifique Celles ci seront utilis es dans les calculs conductifs section 3 4 et dans les calculs de densit et de capacit calorifique section 3 5 Epaisseur quivalente de conduction Dans le cas de la conduction seuls les barreaux verticaux ou horizontaux jouent un r le Ceci peut s expliquer de la mani re suivante consid rons un gradient de temp rature ver tical entre les deux extr mit s de la grille Un barreau horizontal de cote donn e est alors 32 Mod lisation du filtre d entr e Chapit
13. dO 3 6 P fe ps 0r Pr Oi Pi cos 6 sin O dO ce qui donne apr s calculs 5 PSPEE _ 9 965 3 7 p Le filtre pr sente ainsi une forte proportion de r flexion sp culaire de 96 5 pour une proportion diffuse de 3 5 D ailleurs la BRDF du filtre d aluminium de la figure 3 6 avec en ordonn e une chelle logarithmique est proche d un pic de Dirac correspondant la BRDF d un filtre totalement sp culaire 28 Mod lisation du filtre d entr e Chapitre 3 D autre part les propri t s dans l infrarouge ne peuvent pas en th orie tre d duites des mesures effectu es dans le visible N anmoins puisque la diffusion proportionnelle a Vinverse du carr de la longueur d onde est moins importante dans l infrarouge le filtre y sera totalement sp culaire Les valeurs de a et indiqu es dans le tableau 3 1 r sumant les propri t s thermo optiques du filtre sont des hypoth ses issues de valeurs th oriques utilis es pour le filtre d alumi nium d EIT a 8 0 8 0 147 0 965 0 095 1 TAB 3 1 Propri t s thermo optiques du filtre L absorptivit visible a du filtre de SWAP sera mesur e lors du test VESTEC devant un simulateur solaire Le dispositif exp rimental expliqu la section 3 6 permettra de d terminer le flux solaire incident absorb par le filtre et par suite d en d duire son ab sorptivit a La d termination de l missivit
14. e Chapitre 3 Les mesures de la BRDF faites CSL sont effectu es dans un m me plan c est dire a un angle donn Pour calculer rigoureusement le coefficient de r flexion p il faudrait r p ter la mesure pour les diff rents plans correspondant diff rentes valeurs de L ap proximation supposant la BRDF ind pendante de l angle implique l isotropie du filtre ce qui n est pas priori le cas en pr sence de la grille de nickel Le coefficient de r flexion p et par suite l absorptivit a du filtre devront tre d termin s par une autre m thode Le taux de sp cularit s du filtre peut tre obtenu de mani re approximative par la m thode suivante Pspec i pa p 9r br Oi Qi cos 6 sin 0 do d a p OT JO PS Or br Ois pi C08 sin 6 do dO OU spec est langle jusqu auquel une r flexion sp culaire est consid r e En th orie la sp cularit est d finie un angle unique d termin par la loi de Descartes angle d in cidence angle de r flexion En pratique il existe une certaine dispersion autour de l angle de Descartes appel e pic de sp cularit La limite entre la r flexion sp culaire et la r flexion diffuse est ainsi fix e arbitrairement pour une certaine valeur de la BRDF 3 4 Pour la proportion diffuse il s agit simplement J Pdif fus 4 Pspec 3 5 P P 3 2 2 Description du test Le filtre est inclin de 6 sur
15. e par la variation de temp rature du filtre le flux re u par la faible composante de r flexion diffuse du filtre tant compl tement n gligeable Ainsi la temp rature du filtre n a pas d influence sur le comportement thermique du banc et des autres l ments optiques 5 2 2 Influence de la nature du pied arri re Il a t vu a la premi re section de ce chapitre que le banc optique de l instrument re oit de la chaleur de la structure du satellite par l interm diaire du pied arri re Un pied arri re isolant davantage l instrument de la plateforme du satellite en titane par exemple pourrait para tre plus indiqu cela permet d obtenir des temp ratures plus froides pour l arri re du banc optique et par cons quent pour le d tecteur D un autre c t appara t alors un gradient thermique plus important entre l arri re et l avant du banc pouvant introduire une augmentation des inclinaisons des miroirs Dans l hypoth se d un contact parfait un pied arri re en titane de g om trie identique pr sente une conductance de 1 770 107 W K au lieu de 3 303 107 W K pour un pied en Invar Les d tails du calcul sont indiqu s l annexe B la section B 5 Le tableau 5 16 compare pour ces deux mat riaux les temp ratures et les flux re us et transmis vers la structure du satellite par l arri re du banc optique noeuds 9 et 10 en mode op rationnel chaud Rappelons que la temp rature de la structure sou
16. l endroit o arrive la chaleur par l interm diaire du doigt froid se trouve m me une temp rature sup rieure 5 C Les autres l ments voient aussi leur temp rature augmenter le tableau 5 10 indique les temp ratures du banc optique de l entr e de la porte et de quelques l ments op tiques de l instrument SWAP Ce tableau est comparer aux tableaux 5 1 et 5 2 du mode op rationnel chaud La temp rature moyenne du banc optique est de 26 7 C soit environ 7 C sup rieure celle du mode op rationnel chaud Le gradient thermique entre l avant et l arri re est moins important que dans le cas nominal en plus du flux solaire incident il existe une source de chaleur importante l arri re les chaufferettes Les conclusions sont les m mes pour le capot Comme dans le mode op rationnel les temp ratures des l ments optiques sont peu pr s identiques celles du banc optique l endroit o ils sont fix s 82 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C Banc optique 1 33 08 Filtre 100 48 98 2 33 01 110 67 99 3 32 05 120 80 77 4 31 31 130 89 08 5 28 42 140 100 76 6 27 81 Support 200 34 29 7 25 49 Face_filtre 300 33 92 8 23 97 Grand baffle 15601 25 27 9 19 91 Petit baffle 15600 33 15 10 15 84 FiltreAR 500 26 45 Entr e 15100 37 31 M1 35000 15 92 Porte 50000 37 76 M2 35500 33 08
17. plage de temp ratures non op rationnelles La plage de temp ratures op rationnelles impos e par Verhaert pour l ensemble du satellite Proba 2 est 40 C 60 C tandis que la plage de temp ratures non op rationnelles est 40 C 70 C D autre part certains l ments doivent tre situ s dans un inter valle de temp rature plus restreint En particulier cela concerne Les composants lectroniques tel que le d tecteur CMOS de l instrument En fonctionnement une temp rature entre 20 C et 40 C est requise minimisant le bruit thermique En mode non op rationnel le d tecteur pourrait subir des d gradations irr versibles si sa temp rature descendait en dessous de 40 C ou augmentait au del de 60 C Les miroirs et leurs montures quant la r sistance m canique des colles La temp rature des miroirs doit tre comprise dans l intervalle 5 C 35 C en mode op rationnel 40 C 60 C en mode non op rationnel Au del la perte des per formances m caniques et ou le d passement de la contrainte maximum admissible par la colle risque d entra ner un d salignement irr versible des miroirs e La mod lisation thermique permet de d finir et d adapter la conception de certains l ments afin d obtenir les sp cifications voulues Cela concerne en particulier le radiateur devant assurer un refroidissement optimal du d tecteur Un mod le ther mique permet d ajuster les param tres tel
18. ratures des diff rents l ments et les flux thermiques chang s l quilibre Un calcul transitoire n est donc pas requis Les l ments du bloc d entr e haut c t s face arri re et face avant soit les noeuds 600 1300 du tableau 3 2 reli s conductivement la plaque sont approximativement la m me temp rature Pour gagner du temps de calcul et puisque le but du test concerne es sentiellement la caract risation du filtre tous les noeuds du bloc sont r unis en un noeud unique le noeud 600 Jusqu a la fin de ce chapitre le noeud 600 d signe ainsi le bloc d entr e Les sections suivantes pr sentent les principaux r sultats pour les trois cas de qualit de contact contact parfait contact interm diaire et mauvais contact 3 6 4 R sultats pour un contact parfait Le tableau 3 9 donne les temp ratures des diff rents l ments pour un contact parfait Il existe bien un gradient de temp rature du centre du filtre noeud 140 vers le bord noeud 100 illustr la figure 3 12 La temp rature moyenne du filtre est T Ti004100 Ti10 A110 Ti20A120 T130A130 Ti40 A140 moy 29 06 C 3 33 Atotal Les tableaux suivants pr sentent deux exemples de bilans thermiques pour le noeud 100 du filtre et pour le support Pour chaque noeud les flux entrants et sortants sont indiqu s en Watt et en pourcentage du flux total Sauf mentionn explicitement les liens sont des liens radiati
19. tements thermo optiques Dans les sections suivantes les hypoth ses en vue du calcul conductif sont exploit es et les capacit s calorifiques sont calcul es partir du bilan de masse de l instrument SWAP Les coefficients de couplage radiatif sont estim s par la m thode de ray tracing Enfin le mod le est plac en orbite en vue du calcul par Thermica des flux externes absorb s par les surfaces apparentes de l instrument Finalement la derni re section r capitule les hypoth ses faites tout au long du chapitre dans le cadre de la mod lisation de l instrument SWAP rassemblant les donn es n cessaires la r solution du probl me thermique complet par le solveur Esatan 43 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP 4 1 Mod lisation g om trique de instrument SWAP Lors d une mod lisation il est impossible de reproduire exactement et de fa on exhaustive tous les l ments de l instrument Il s agit plut t de consid rer uniquement les l ments ayant un impact sur le comportement thermique et de mod liser leur g om trie en faisant des hypoth ses simplificatrices A nsi le mod le de l instrument SWAP est constitu des l ments suivants e Le banc optique sur lequel sont fix s l ensemble du filtre d entr e le diaphragme les baffles optiques les miroirs primaire et secondaire l ensemble du filtre arri re l ensemble du FPA e Le radiateur
20. terminer une temp rature de 28 76 C pour le panneau avant Les deux panneaux lat raux et le panneau arri re sont une temp rature telle que le flux en provenance de la base du satellite sous le pied arri re T8o3 10 5 C soit reproduit De m me en appliquant l quation 5 2 une temp rature de 10 38 C est obtenue La temp rature de la plaque arri re de cuivre sous le pied arri re de l instrument est de 10 5 C La plaque avant de cuivre est reli e conductivement la face avant par l in term diaire d une tresse de cuivre sa temp rature n est donc pas fix e La valeur de la conductance de cette tresse de cuivre est calcul e l annexe D Enfin la temp rature de la face sup rieure est impos e de mani re simuler le flux externe re u par le radiateur en provenance de la Terre et des panneaux solaires du satellite Il convient ainsi d introduire les notions de temp rature de puits du radiateur et d missivit quivalente calcul es la section 5 4 2 L espace froid n existe pas proprement parler dans ce test pour Thermica le noeud 999 est impos une temp rature de 20 C celle des parois de la cuve Focal 2 L ensemble des l ments dont les temp ratures sont impos es constitue donc les conditions aux limites du mod le de balance thermique Notons que les l ments lectroniques fonctionnent lors du test dissipant leurs puissances nominales 150 mW pour le d tecteur 525 m
21. 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS gt lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 1696E 02 ALP 0 960 EPS gt lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 2325E 02 ALP 0 960 EPS lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 2954E 02 ALP 0 960 EPS gt lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 3583E 02 ALP 0 960 EPS lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 4211E 02 ALP 0 960 EPS lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 1696E 02 ALP 0 960 EPS lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 2325E 02 ALP 0 960 EPS lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 2954E 02 ALP 0 960 EPS gt lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 3583E 02 ALP 0 960 EPS gt lt 2 4 gt SWAP_Haut Quadrani T A 1 4211E 02 ALP 0 960 EPS lt 2 gt SWAP_Entree Extern T A 1 1535E 02 ALP 0 960 EPS lt 1 9 gt Diaphragme Extern
22. 03 ALP 0 960 EPS 0 880 0 000E 00 C 3 7471E 01 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 880 0 000E 00 C 6 5792E 01 880 0 000E 00 C 6 5792E 01 880 0 000E 00 C 6 5792E 01 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 880 0 000E 00 C 6 5792E 01 880 0 000E 00 C 6 5792E 01 880 0 000E 00 C 6 5792E 01 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 880 gt lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang3 T 0 000E 00 C 1 0794E 01 A 4 3550E 03 ALP 0 960 EPS 0 880 gt lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang3 T 0 000E 00 C 1 0794E 01 A 4 3550E 03 ALP 0 960 EPS 0 880 gt lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang3 T 0 000E 00 C 1 0794E 01 A 4 3550E 03 ALP 0 960 EPS 0 880 gt lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang3 T 0 000E 00 C 1 0794E 01 A 4 3550E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS 0 132 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 880 Fichiers n cessaires la r solution par le solveur Esatan Annexe D15016 D15017 D15018 D15019 D15020 D15021 D15022 D15023 D15024 D15025 D15026 D15027 D15028 D15029 D15030 D15031 D15032 D15033 D15034 D15100 D15200 D15600 D15601 D15602 D25000 D25001 D25002 lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E 03 ALP 0 960 EPS lt 2 2 gt SWAP_Droite Rectang2 T A 7 0460E
23. 1 Mod lisation du MLI 3 3 2 Notions d paisseurs quivalentes 3 3 3 Notion de mat riau quivalent 3 4 Calcul des conductances thermiques 3 4 1 Conductances entre les diff rents noeuds du filtre Ill 13 13 14 15 16 17 18 18 19 19 20 3 9 3 6 3 4 2 Conductances entre l anneau externe et le support du filtre Calcul des capacit s calorifiques Test devant un simulateur solaire 3 6 1 Mesure de la temp rature et de l absorptivit a du filtre 3 6 2 Mod lisation d un simulateur solaire 3 6 3 Hypoth ses du calcul thermique 3 6 4 R sultats pour un contact parfait 3 6 5 R sultats pour un contact interm diaire 3 6 6 R sultats pour un mauvais contact 3 6 7 Conclusion de la mod lisation du test sous Thermica 4 Mod lisation de l instrument SWAP 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 Mod lisation g om trique de l instrument SWAP Ail l Banc opuque 7 a ie han se ee Nee pe Gh Oe es 4 1 2 Ensemble du filtre d entr e 4 1 3 Baffles optiques AVA Diaphragme 2508408 pe SG Bus gb es ee eee Be ea A De MAITOIES ot aod bok dat aes ni ee ER N
24. 2 6 357 10 C 3 4 7 489 107 C 5 6 6 946 107 C 7 8 6 467 107 C 9 10 5 684 107 C 1 3 et C 2 4 1 628 107 C 3 5 et C 4 6 1 399 107 C 5 7 et C 6 8 1 477 107 C 7 9 et C 8 10 2 099 1072 TAB 4 6 Conductances du banc optique et arri re sont galement calcul es automatiquement Les valeurs des conductances sont indiqu es dans le fichier r capitulatif la section B 6 de l annexe B 4 4 4 Conductances des l ments du t lescope Ensemble filtre Les calculs conductifs concernant les diff rents noeuds du filtre et son support ont t r alis s au chapitre 3 la section 3 4 Rappelons l influence de la valeur de la r sistance de contact entre le filtre et son support Cette valeur modifie consid rablement la temp rature moyenne du filtre comme montr la section 3 6 2 L influence de cette variation de temp rature du filtre sur les autres l ments banc optique face d entr e etc sera tudi e la section 5 2 concernant les tudes de sensibilit Le calcul des conductances pour l ensemble du filtre arri re est en tout point similaire Baffles optiques et diaphragme Les baffles optiques et le diaphragme sont mod lis s par une g om trie simple plaques rectangulaires et perc es permettant un calcul automatique par Thermica des conduc tances avec le banc optique et le capot Les rebords de la forme en U des baffles optiques assurent une bonne conductance de contact avec le capo
25. 3 1 Transmission d une feuille d aluminium de 150 nm d paisseur Fic 3 2 Filtre support et entr e de l instrument Le filtre d entr e d un diam tre de 38 4 mm est support par un anneau d aluminium de 51 mm de diam tre en vert sur la figure 3 2 Plus pr cis ment le filtre est pos sur un fin anneau d interface appel inner ring cet anneau d interface est lui m me mont sur le support d aluminium proprement dit Enfin le support est mont sur une plaque de 4 mm d paisseur fix e sur le banc optique de l instrument La figure 3 2 vue de droite montre galement la porte d entr e de SWAP En orbite une fois la porte ouverte l entr e de l instrument pr sente une ouverture d un diam tre de 37 mm en raison du m canisme d ouverture de la porte Le filtre d entr e n est donc pas clair sur toute sa surface 24 Mod lisation du filtre d entr e Chapitre 3 La faible paisseur et la grande surface du filtre le rendent particuli rement sensible aux efforts de pression comme la d pressurisation ou les vibrations acoustiques subies durant la phase de lancement Dans une moindre mesure les sollicitations m caniques vibrations transmises par la structure et le choc lors de l ouverture de la porte en orbite pourront galement endommager le filtre Pour rem dier ce probl me et viter une alt ration pr matur e des filtres la feuille d aluminium est renf
26. Ensuite vient une description de l activit du Soleil associ e la m t orologie de l environnement spatial posant le cadre des objectifs scientifiques de l instrument SWAP voqu s dans la derni re section 1 1 Pr sentation g n rale de l instrument SWAP L instrument SWAP est un t lescope de type Ritchey Chr tien hors axe dont le principe est illustr la figure 1 1 Ce concept innovant permet d viter l occultation centrale due au miroir secondaire et de simplifier le syst me de bafflage inconv nients majeurs des com binaisons optiques de la plupart des types de t lescopes centr s sur l axe D autre part le t lescope Ritchey Chr tien pr sente un large champ de vue et permet d obtenir des images aplan tiques c est dire que l image d un objet ponctuel situ faible distance de l axe optique reste un point Une vue g n rale de l instrument SWAP est pr sent e la figure 1 1 Lors de l int gration au sol et du lancement les diff rents l ments du t lescope sont prot g s de la contami nation ext rieure par une porte dont le m canisme d ouverture est d clench une fois le satellite en orbite La lumi re solaire incidente p n tre par l ouverture d entr e et traverse le premier filtre d aluminium s lectionnant les longueurs d onde UV entre 17 et 80 nm Satellite lanc en d cembre 1995 et financ conjointement par PESA et la NASA Satellite de la classe de
27. F2 1 5 15 L artifice consiste consid rer la demi bo te 1 en regard d une plaque 2 telle que Fy 1 En combinant les deux propri t s 5 14 et 5 15 il vient Fi 1 2 1 n 1 4 5 16 d ot AiFy2 Ag 5 17 Dans le mod le la surface A est la section s parant les noeuds 1 et 2 soit Al 7767 5 mm 5 18 Les surfaces A et A sont gales respectivement 102 895 mm et 112 639 mm Les missivit s 1 et 2 sont gales 0 9 En appliquant la formule 5 13 il vient Yi 2 7 6448 107 m 5 19 101 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique ce qui est du m me ordre de grandeur que le r sultat 5 12 La diff rence vient du fait que les l ments optiques ont t ignor s dans le calcul manuel Pour le calcul des liens radiatifs Y _ et Yo de l instrument avec son environnement la m thode suivante est utilis e L instrument SWAP est envelopp dans une feuille de MLI assign e provisoirement au noeud 15 elle m me l int rieur de la structure du sa tellite assign e au noeud 20 Le flux radiatif entre le noeud 1 de l instrument et la feuille de MLI est d apr s l quation 2 5 du chapitre 2 Qi 15 Yi 1s Ti Tis 5 20 D autre part le flux radiatif entre la feuille de MLI et la structure du satellite est Qis 20 Yis 20 Tis Tap 5 21 Physiquement ces deux flux Qj_15 et Q15_29 ont des valeurs absolues gales la
28. Scontact 27 X 19 4 x 0 76 8 5326 107 m 3 25 o 19 4 mm est le rayon moyen de l anneau d interface et 0 76 mm son paisseur Contact parfait Contact Comme la section pr c dente la conductance de s rie entre le filtre couronne externe noeud 100 et son support noeud 200 dans le cas d un contact parfait est calcul e avec les formules 3 21 et 3 23 N anmoins le support tant beaucoup plus pais que le filtre sa conductance est n gligeable Ainsi il vient C 100 200 1 206 107 W K 3 26 Num riquement ce contact parfait est obtenu avec une r sistance de contact d environ 10 000 W m K Mauvais contact kcontact 100 W m K En appliquant la formule 2 14 il vient cae eee a 3 27 Ctot Contact C filtre C support ce qui donne Crot 4 997 10 3 W K 3 28 Soit approximativement une conductance deux fois plus faible que dans le cas d un contact parfait 3 26 36 Mod lisation du filtre d entr e Chapitre 3 Contact interm diaire keontact 500 W m K La formule 3 27 donne Cot 9 406 1073 W K 3 29 soit une conductance interm diaire entre les deux situations pr c dentes 3 5 Calcul des capacit s calorifiques La capacit calorifique exprim e en J K est d finie par C Mc 3 30 o M est la masse du filtre en kg et c la chaleur sp cifique pression constante en J kgK dont la valeur a t calcul e la section 3 3 3
29. ce cadre la simulation est r alis e et permet de pr voir les temp ratures et les flux chang s Le quatri me chapitre se situe au coeur du travail abordant la d finition du mod le thermique complet de l instrument SWAP Tout d abord les l ments de l instrument SWAP ayant une influence sur le comportement thermique sont d crits et introduits dans le mod le en posant les hypoth ses appropri es Ensuite l environnement thermique de l instrument est consid r structure du satellite Proba 2 autres instruments de la charge utile panneaux solaires etc et constitue les conditions aux limites impos es au mod le Enfin sont explicit es les hypoth ses de calcul des liens conductifs et radiatifs existant entre les diff rents l ments de l instrument SWAP et avec son environnement indispen sables la r solution des quations de bilan thermique Les r sultats obtenus sont pr sent s analys s et exploit s au cinqui me chapitre Ceux ci sont constitu s des temp ratures et des flux chang s entre les diff rents l ments de l instrument et avec l ext rieur permettant de d terminer le comportement et l efficacit du contr le thermique envisag Les diff rentes phases de l instrument au cours de la mis sion telles que les modes op rationnels et de survie les op rations de d contamination du d tecteur etc sont mod lis es et il est ensuite v rifi que les temp ratures des diff rents l
30. condi tions aux limites impos es sont de 29 0 C pour la structure du satellite sous le pied avant noeud 800 10 5 C sous le pied arri re noeud 803 et 15 4 C pour le noeud 6 repr sentant l environnement Le tableau 5 21 liste les temp ratures des noeuds 1 5 du mod le r duit Les temp ratures du mod le complet tableaux 5 1 et 5 4 sont retrouv es moins de 0 5 C Par exemple la temp rature du noeud 2 est de 10 77 C correspondant au noeud 10 11 00 C dans le mod le complet Les flux sont galement similaires tr s peu d change entre l instrument et le pied avant quelques dixi mes de Watt avec le pied arri re Au fi nal la chaleur de l instrument est galement dissip e vers l espace par le radiateur comme dans le mod le complet 103 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique El ment Noeud Temp rature C Banc avant 1 28 16 Banc arri re 2 10 77 Boite FPA 3 3 01 Ensemble d tecteur 4 14 26 Radiateur 5 30 24 TAB 5 21 Temp ratures des noeuds du mod le r duit mode op rationnel chaud Mode op rationnel froid En mode op rationnel froid la puissance inject e au noeud 1 est Q1 0 909 W correspon dant aux flux nets incidents sur l instrument en mode op rationnel froid constante solaire de 1320 W m et rev tements en d but de vie La puissance inject e sur le radiateur sans tenir compte de la dissipation vers l espace
31. endroit du banc optiques o sont fix es les montures Les contaminants tendent alors se d poser aussi bien sur les surfaces des miroirs que sur les surfaces environnantes ce qui est particuli rement pr judiciable pour l observation en extr me ultraviolet Il pourrait donc tre int ressant de pr voir des chaufferettes de d contamination pr s des miroirs l instar de ce qui est r alis pour le d tecteur La porte dont la temp rature est variable en fonction du lien conductif avec la face d entr e section 5 2 reste n anmoins dans la plage 40 C 60 C pour une estimation raisonnable de la valeur de la conductance Le rev tement de peinture blanche faible absorptivit a et haute missivit est bien adapt et remplit les sp cifications voulues 90 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 Enfin la temp rature du d tecteur en fonctionnement doit id alement tre comprise entre 20 C et 40 C La temp rature du noeud 66000 comprenant le d tecteur la cold cup et le doigt froid est de 13 7 C et 21 3 C en modes op rationnels chaud et froid respectivement Ainsi le d tecteur risque d introduire trop de bruit thermique dans les mesures lors des phases chaudes de la mission Si ces r sultats se confirment la conception de l ensemble du syst me de refroidissement du d tecteur devra tre revue plusieurs solutions sont envisageables Une premi re solution serait
32. equi pour un pourcentage de nickel de 97 07 La chaleur sp cifique de l alliage est alors Cp bulk Cp alu 0 0293 cp Ni 0 9707 472 9 J K kg 3 19 Enfin pour la masse volumique du mat riau quivalent il vient Pbulk Palu 0 0293 py 0 9707 8698 9 kg m 3 20 Le tableau 3 6 r capitule les propri t s du mat riau quivalent pour le filtre d entr e Mat riau Conductivit Chaleur sp cifique Densit W K m J K kg kg m Bulk 68 78 472 9 8698 9 TAB 3 6 Propri t s du mat riau quivalent pour le filtre d entr e 34 Mod lisation du filtre d entr e Chapitre 3 3 4 Calcul des conductances thermiques Le filtre est divis en 5 anneaux concentriques mod lis s par les noeuds 100 110 120 130 et 140 du bord vers le centre comme le montre la figure 3 7 Le but de ce d coupage est de cerner un gradient de temp rature attendu du centre vers le bord du filtre La formule pour calculer la conductance d une couronne est donn e par r f rence 10 2 k T 3 21 Inpe o R in tR Ri _ y l min l max 3 22 La formule est identique pour Ro R R2 Fic 3 10 Conductance d une couronne 3 4 1 Conductances entre les diff rents noeuds du filtre Calculons par exemple la conductance entre les noeuds 100 couronne externe et 110 La loi de combinaison des conductances plac es en s rie 2 12 donne 1 1 1 H 3 23 Cto Ci C2 12 L paisseur e
33. feuille de MLI tant en quilibre thermique En manipulant les expressions 5 20 et 5 21 il vient Y1_15 Y15_20 Je eee Gli TA Yie o T4 T 5 22 Me Ty To 1 6 o Ty To 5 22 ize L quation est identique concernant le noeud 2 Les radiosit s Y1_15 Y2_15 et Y15_20 sont estim es par la m thode de ray tracing Apr s calculs il vient Yi 6 Yo 6 2 791 10 m 5 23 3 006 1074 m 5 24 Le tableau 5 20 reprend les valeurs des liens radiatifs Y _ entre les diff rents noeuds du mod le r duit Yi Valeur W K Yi 9 4452 10 3 Yie 2 791 1074 Yo_ 6 3 006 1074 Yo_3 5 200 10 4 Vi 6 670 1074 Y3_5 7 880 1074 Y4_5 3 460 1074 TAB 5 20 Liens radiatifs Y _ entre les diff rents noeuds du mod le r duit 5 5 3 Puissances inject es La puissance inject e au noeud 1 est la somme de toutes les puissances internes et externes sur la moiti avant de l instrument Il s agit donc des flux solaire alb do et infrarouge terrestres moyenne au cours d une orbite ainsi que de la moiti de la puissance Q 102 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 dissip e dans la bo te de connecteurs Les flux sont calcul s en net en tenant compte de la dissipation vers l espace froid Ainsi il ne sera pas utile d entrer un lien radiatif entre le noeud 1 et l espace froid De m me la puissance inject e sur le noeud 2 est la somme des p
34. isol conductivement et radiativement de son environnement par du MLI Ce flux sortant est ainsi pratiquement gal au flux entrant c est dire au flux solaire inci dent absorb par la face d entr e de propri t s thermo optiques connues et par le filtre Le flux absorb par le filtre pourra ainsi tre d termin ce qui permettra d en d duire son absorptivit visible a 38 Mod lisation du filtre d entr e Chapitre 3 3 6 2 Mod lisation d un simulateur solaire De mani re simuler un Soleil artificiel lors de la mod lisation sous Thermica l instru ment est plac sur une orbite h liosynchrone de noeud ascendant 6h ne pr sentant pas d clipses en dehors des p riodes de solstices La constante solaire est prise 1365 W m L alb do de la lumi re solaire ainsi que le flux infrarouge en provenance de la Terre ne sont pas pris en compte L espace froid n existe pas a proprement parler dans ce test Pour Thermica la temp rature de l espace froid noeud 999 est impos e 20 C soit la temp rature ambiante vue tra vers le hublot L attitude de l ensemble est telle que le filtre voit le Soleil en permanence l axe Z pointe vers le Soleil et l axe X est parall le au vecteur vitesse le syst me d axes est indiqu sur les figures 3 7 3 11 3 6 3 Hypoth ses du calcul thermique Un calcul stationnaire est effectu Le but de cette simulation est de d terminer les temp
35. le vent solaire lent L autre r gion li e aux trous coronaux polaires o les lignes de champ sont ouvertes vers l es pace donne lieu des vents solaires plus rapides jusqu 1000 km s Ces vents rapides n affectent l environnement terrestre que lors d une extension d un trou coronal aux faibles latitudes solaires Les particules du vent solaire interf rent avec le champ magn tique terrestre pour former la magn tosph re sch matis e la figure 1 4 sorte de bouclier magn tique prot geant la Terre des influences ext rieures En pr sence du vent solaire et du champ magn tique qui y est pi g la magn tosph re pr sente une compression c t jour et un fort tirement des lignes de champ du c t oppos au Soleil Au niveau des p les deux cornets vas s vers l espace lignes de champs ouvertes offrent une possibilit de p n tration des particules vers la haute atmosph re terrestre Les fluctuations de l nergie transport e par le vent solaire induisent des variations plus ou moins rapides et al atoires de la structure de la magn tosph re Ces p riodes de forte activit g omagn tique correspondant la reconfiguration de la structure de la magn tosph re sont appel es orages ou sous orages magn tiques suivant les condi tions de leur apparition leur dur e et leur intensit s r Magn topause Cornet y _ c 72 Plasmagai gt ih lt P Vent solaire PS 5 o7
36. les films pour r duire les couplages conductifs entre deux crans cons cutifs La feuille externe de ces matelas r sistant l environnement spatial est g n ralement une feuille de Kapton aluminis sur sa face interne Le nombre de couches d crans radiatifs d termine l efficacit de ces matelas superisolants La repr sentation classique du MLI consiste mod liser la face externe de Kapton missi vit e 0 77 et la face interne de la derni re couche de Mylar aluminis e 0 05 par deux noeuds thermiques Une conductance est appliqu e entre ces noeuds fonction des temp ratures des deux faces priori inconnues La valeur de cette conductance doit alors tre d termin e par l exp rience Alternativement une mod lisation plus simple du MLI consiste appliquer pour la face interne une missivit quivalente repr sentant toutes les couches du matelas superisolant fonction du nombre de couches d crans radiatifs Pour SWAP du MLI 20 couches sera utilis L missivit quivalente est ainsi de oe 0 0025 4Multi Layer Insulation 31 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e Eext Ent Ext Sequi C T Ta Th Tz Fic 3 9 Mod lisations classique et simplifi e du MLI Ces deux mod lisations ont t test es en estimant l aide de courbes exp rimentales r f rences 6 et 8 la conductance entre les deux faces extr mes d un matelas de MLI 20 couches
37. lium 27 le reste tant constitu d l ments plus lourds tels que le carbone et l oxyg ne Au centre du Soleil la temp rature atteint environ 15 millions de degr s permettant la fusion de quatre noyaux d hydrog ne en un noyau d h lium selon le cycle proton proton Malgr sa taille imposante le Soleil a une structure relativement simple illustr e la figure 1 3 protub rance chromosphere Fic 1 3 Structure du Soleil et de son atmosph re L instrument SWAP pour l observation du Soleil Chapitre 1 La production d nergie par fusion nucl aire est concentr e dans une r gion appel e le noyau L agitation thermique de la mati re dans cette r gion chaude produit des photons qui voyagent vers les r gions plus froides selon un processus de transport radiatif Ce processus est responsable du transport de l nergie dans la plus grande partie du Soleil la zone radiative qui inclut le noyau et dont le rayon repr sente 85 de celui du Soleil Au del la grande opacit des couches externes du Soleil due ionisation partielle du gaz provoque l apparition du transport par convection d immenses remous de mati re appel s courants de convection sont responsables de l acheminement de la chaleur vers Vext rieur du Soleil La zone convective du Soleil occupe 15 de son rayon Bien que les toiles soient constitu es de gaz et n aient donc pas de surface a propre ment parler la limi
38. ment Noeud Temp rature C Banc avant 1 30 84 Banc arri re 2 41 74 Bo te FPA 3 45 68 Ensemble d tecteur 4 52 70 Radiateur 5 58 40 TAB 5 23 Temp ratures des noeuds du mod le r duit mode survie Les temp ratures du mod le r duit correspondent celles du mod le complet tableaux 5 11 et 5 12 environ 0 5 C pr s et le comportement thermique g n ral est similaire Conclusion pour la v rification du mod le r duit Le mod le r duit labor semble r sumer correctement le comportement thermique g n ral de l instrument SWAP d apr s le mod le complet labor au niveau des flux chang s avec la structure du satellite et de l vacuation de la chaleur de l instrument vers l espace froid par l interm diaire du radiateur Ce mod le r duit pourra ainsi tre remis Verhaert qui calculera des temp ratures pour la structure du satellite Proba 2 en prenant en compte plus pr cis ment l influence au niveau thermique de l instrument SWAP En retour des conditions aux limites plus rigoureuses pourront donc tre impos es l instrument SWAP et ainsi de suite jusqu convergence de ce processus d it ration Enfin le mod le r duit de SWAP sera utilis pour repr senter l instrument dans le mod le thermique final de l ensemble du satellite Proba 2 105 Conclusions et perspectives Ce travail de fin d tudes consistait laborer le mod le thermiq
39. miroir secondaire M2 Le noeud 2 correspond au noeud du banc optique sous le miroir primaire M1 A ces deux noeuds vient se greffer le mod le r duit labor par OIP pour le FPA le noeud 3 repr sente la bo te FPA le noeud 4 l ensemble d tecteur cold cup doigt froid et enfin le noeud 5 correspond au radiateur 98 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 Les endroits de la structure du satellite o reposent les pieds sont repr sent s par les noeuds 800 et 803 Enfin l environnement radiatif de l instrument constitu de l enve loppe de MLI et plus g n ralement du satellite Proba 2 est repr sent par le noeud 6 Ce mod le r duit est illustr la figure 5 13 Q 5 ee Radiateur Cy et Yas Cas et Vas Q Ke g ain d tecteur C34 t Y34 Co et Yio 1 environnement 800 803 satellite satellite F1G 5 13 Sch ma du mod le r duit de l instrument SWAP Les liens conductifs C2_3 C3_4 C3_5 Ca 5 et les liens radiatifs Y2_3 Y3_4 Y3_5 Ya 5 sont issus du mod le r duit d OIP Les valeurs sont reprises dans les tableaux 5 19 et 5 20 Pour calculer les autres liens conductifs et radiatifs l ensemble du FPA est supprim du mod le de l instrument SWAP labor au chapitre 4 5 5 1 Calcul des conductances C _ Pour le calcul des liens conductifs il faut annuler tous les changes radiatifs entre les diff rents noeuds thermiques Les apports de chaleu
40. model name SWAP33 Date of first orbital position 20 March 2007 23 54 02 Data created on 25 Apr 2005 11 06 13 FRC OO OA RA A I A I A ak A 2 2k 2k kkk 2k 2k kk kkk k ARRAYS REAL INCIDENT WO0000001 28 ALBEDO INCIDENT 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 1 0262E 04 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 2 6740E 05 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 1 1626E 06 2 6802E 05 E00000001 28 PLANET INCIDENT 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 2 5582E 04 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 2 6397E 04 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 4 3972E 05 2 9660E 04 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 1 7719E 05 2 6397E 04 WO0000002 28 ALBEDO INCIDENT 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 5 5385E 05 6 2820E 05 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 2 6940E 05 5 7966E 05 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 1 5426E 06 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 7 2488E 06 6 7346E 06 5 8043E 05 E00000002 28 PLANET INCIDENT 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 1 3205E 04 1 5301E 04
41. orbite par la porte d entr e Comme attendu celle ci est constante et vaut 0 73 W avec un rev tement en fin de vie Un graphique similaire est obtenu pour le flux solaire absorb par les diff rents noeuds du filtre 0 22 W au total et par le MLI recouvrant la face d entr e 4 34 W 67 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP mo eo beer 09 10 0 8 0 7 0 6 0 5 Flux sol 50000 W 0 4 0 3 0 2 00 0 1 Fic 4 20 Puissance solaire absorb e par la porte 4 8 R solution du syst me d quations de bilan thermique Toutes les donn es n cessaires la r solution complete des quations du bilan thermique pr sent es a la section 2 3 sont d sormais r unies Pour r capituler les donn es d entr es pour ce calcul sont e la d finition g om trique du mod le avec les mat riaux et les propri t s thermo optiques associ es fichier SYSEXP et N TAN e la description des noeuds aux limites ou dont les temp ratures sont inconnues fichier N TAN e les capacit s calorifiques pour un calcul transitoire fichier N TAN e les liens conductifs fichier C TAN e les coefficients de couplage radiatifs fichier R TAN e les flux externes absorb s fichier H TAN e les puissances internes dissip es fichier P TAN Enfin il faut pr ciser les param tres n cessaires la r solution num rique des quations de bilan thermique en stationnaire ou en
42. r flexion est le proc d par lequel le flux lectromagn tique incident sur une surface quitte cette surface du c t de l onde incidente sans changer de longueur d onde La BRDF i e la fonction de distribution bidirectionnelle de r flexion not e p est d finie de la mani re suivante dP reftechi Or br i Qi 1 K 6 r Vi Pa pal k L 1 P incident 0i i cos 6 dwi i o e 0 est la direction incidente P incident 9i Qi est le flux incident W la longueur d onde A dP reflechi Or Dr Oi Qi est la proportion du flux incident qui est r fl chi dans la direction 0 W e dw est l angle solide dans lequel est contenu le flux incident sr La BRDF s exprime en sr t Fic 3 4 D finition de la BRDF L int gration de l quation 3 1 sur tous les angles de r flexion donne la r flectivit spec trale directionnelle Py 2m als oe f P ER ee ae I PO oat doae 27 0 0 3 2 Pour obtenir le coefficient de r flexion total p une longueur d onde donn e il faut encore int grer cette r flectivit spectrale directionnelle sur tous les angles d incidence Jon p bi Qi Py incident 0i Qi cos 6 dw i Jon Paincident 0i pi cos 0 dwi 3Pour simplifier les notations nous laissons tomber la d pendance locale en x y et en temp rature En r alit py 0 br bi bi 2 y T 3 3 26 Mod lisation du filtre d entr
43. re du banc est d environ 17 C Comme pour le cas chaud la chaleur s coule conductivement 76 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 travers le banc optique pour tre finalement vacu e vers le radiateur par l interm diaire du FPA Comme en mode op rationnel chaud le radiateur n est donc pas du tout isol de la structure de l instrument Une diff rence importante vient du flux en provenance du pied avant en titane Alors que celui ci est n gligeable dans le cas chaud le flux re u par l avant du banc optique dans le cas froid provient principalement du pied avant en titane et pour 25 seulement de la face d entr e Ceci s explique par la diff rence de temp rature d environ trois degr s entre la base de la structure du satellite et le banc optique de l instrument tandis que cette diff rence tait quasiment nulle dans le cas chaud Par contre l coulement de la chaleur entre la structure du satellite et l arri re du banc optique s effectue de mani re identique au cas chaud Au total le banc optique re oit de la chaleur du satellite par l interm diaire du pied arri re en Invar Les cons quences seront tudi es la section 5 2 La carte des temp ratures des l ments optiques est montr e la figure 5 5 Comme dans le cas chaud les l ments prennent approximativement la temp rature du banc optique Vendroit o ils sont fix s La temp rature moyenne du f
44. sorbe vers l arri re du banc optique Les constata tions sont identiques en mode op rationnel froid Ainsi la valeur du lien conductif entre la porte et la face d entr e a une importance uniquement pour les temp ratures de ces deux l ments 5 2 4 Influence de la conductance des montures des miroirs Pour estimer la valeur de la conductance des montures des miroirs primaire et secondaire des hypoth ses fortes sur la g om trie avaient t pos es Les effets au point de vue ther mique du collage du miroir sur la cellule d interface et du vissage de cette cellule sur la monture proprement dite sont tr s difficiles valuer Rappelons que dans le cas de la conductance nominale estim e la section 4 4 les miroirs prennent approximativement la temp rature du banc optique l endroit o sont fix es leurs montures En faisant l hypoth se d un lien conductif dix fois inf rieur les temp ratures des miroirs primaire et secondaire varient d environ un demi degr Pour une conductance cent fois plus faible la variation atteint 2 C Ainsi la modification des temp ratures des miroirs en fonction de la conductance semble rester dans des limites raisonnables N anmoins un mod le plus labor est requis pour pouvoir valuer avec pr cision les temp ratures des miroirs ainsi que les flux chang s par l interm diaire de la monture 5 3 Analyse des r sultats Dans cette section les sp cifications concern
45. sous le pied arri re Les puissances dissip es sont nominales Les tableaux suivants rassemblent les r sultats concernant le calcul stationnaire Les conclusions du calcul transitoire sont les m mes que dans le cas chaud Les temp ratures du radiateur et du d tecteur varient de quelques dixi mes de degr s autour de la position d quilibre au cours d une orbite tandis que les autres l ments banc optique capot etc sont peu ou pas affect s De mani re g n rale la faible variation des flux externes absorb s a tr s peu d influence sur le comportement thermique de l instrument SWAP El ment Noeud Temp C Banc optique 1 15 93 15 84 14 74 13 98 9 71 9 45 5 68 5 37 1 56 1 01 1 OONDOK WWD 1 ji TAB 5 5 Mode op rationnel froid temp ratures du banc optique El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C Filtre 100 31 24 Grand baffle 15601 5 00 110 50 31 Petit baffle 15600 15 69 120 63 43 Connecteur 15602 16 11 130 72 12 M1 35000 1 04 140 84 71 M2 35500 15 92 Support 200 16 75 FiltreAR 500 5 65 Face_filtre 300 16 34 SupportAR 600 5 81 Diaphragme 15200 15 70 Face filtreAR 700 5 85 TAB 5 6 Mode op rationnel froid temp ratures des l ments optiques La temp rature moyenne du banc optique dans le cas froid est de 8 6 C soit une dizaine de degr s inf rieure celle du cas chaud Le gradient de temp rature entre l avant et l arri
46. t o la dur e de l clipse est la plus longue La figure 5 7 montre le flux solaire absorb par une couronne du filtre noeud 110 au cours d une orbite la p riode d clipse d environ 1000 s est particuli rement visible Les graphiques obtenus sont identiques pour les l ments recevant directement le flux solaire incident tels que la porte et la feuille de MLI recouvrant l entr e de l instrument De mani re g n rale l amplitude de la variation de temp rature d un l ment lors des clipses d pend de deux facteurs sa proximit avec l avant de l instrument recevant le flux solaire incident et son inertie thermique c est dire sa capacit calorifique C Celle ci gouverne galement la rapidit de la variation de temp rature qui est quasiment instantan e pour les l ments de faible inertie thermique 79 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Flux solaire 110 W 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 02 0 01 0 00 Fic 5 7 Flux solaire absorb au cours d une orbite noeud 110 La figure 5 8 montre la variation de temp rature du noeud 110 du filtre C 6 6 1073 J K au cours de trois orbites la temp rature est de 49 0 C en dehors de la p riode d clipse et chute 10 0 C presqu instantan ment en clipse La temp rature continue baisser au cours de l clipse pour remonter tr s rapidement sa valeur nominale d s que l instru ment re oi
47. transitoire pas de temps crit re de convergence etc 68 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Ce chapitre pr sente les r sultats issus de la r solution du syst me d quations de bilan thermique Les temp ratures et les bilans de flux radiatifs et conductifs sont obtenus pour chaque l ment du mod le thermique de l instrument SWAP Dans ce rapport ces bilans sont pr sent s de mani re qualitative avec seulement quelques valeurs caract ristiques La premi re section rassemble les r sultats pour les diff rentes configurations de l ins trument au cours de la mission Les deux premi res parties de cette section 5 1 1 et 5 1 2 concernent le mode op rationnel en cas chaud et en cas froid en dehors des p riodes d clipses Ces derni res sont ensuite simul es au paragraphe 5 1 3 Enfin les r sultats pour les autres phases de la mission mode d contamination survie d but de vie sont pr sent s dans les parties 5 1 4 5 1 6 La deuxi me section concerne les tudes de sensibilit L influence de certains aspects de la conception de l instrument est examin e comme par exemple l effet du mat riau choisi pour les pieds La sensibilit des r sultats obtenus par rapport aux param tres difficilement mod lisables conductances de la porte et des montures des miroirs est galement tudi e Ensuite l analyse des r sultats est r alis e la troisi me section et permet
48. velopp par la soci t EADS Astrium permettant de simuler les conditions d environnement rencontr es au cours des diff rentes phases de la mission Les principes g n raux de cette mod lisation sont d crits dans ce chapitre La premi re sec tion introduit le principe de base d une mod lisation thermique la m thode nodale Sont ensuite d velopp s les diff rents sous syst mes constituant un mod le thermique couplages radiatifs liens conductifs et flux externes ainsi que la m thode de r solution des quations de bilan thermique Enfin la derni re section d finit les objectifs de la mod lisation ther mique de l instrument SWAP objet de ce travail de fin d tudes 2 1 Principe du d coupage en noeuds thermiques Un instrument tel que SWAP est constitu d un grand nombre d l ments de g om tries et de caract ristiques physiques tr s diverses sur et entre lesquels la temp rature va rie contin ment avec des gradients plus ou moins importants Une mod lisation parfaite devrait ainsi prendre en compte une infinit de points des temp ratures diff rentes reli s par des couplages conductifs et radiatifs Ce type de mod lisation est videmment irr alisable et le probleme doit tre simplifi La m thode utilis e appel e m thode nodale consiste d couper le syst me en l ments ou noeuds thermiques suppos s isothermes Le d coupage doit se baser au mieux sur la r alit physique c
49. y a galit entre l absorptivit et l missivit une longueur d onde donn e et dans une direction donn e a p e 8 6 2 2 Pour int grer cette relation sur toutes les longueurs d onde la simplification habituelle des calculs thermiques consiste consid rer seulement deux domaines d int gration du spectre le visible 0 3 2 5 um et l infrarouge des thermiciens 4 5 40 um Par conven tion l missivit gale l absorptivit par la loi de Kirchhoff int gr e est not e e dans Vinfrarouge et a dans le visible D autre part le taux de sp cularit d une surface est d fini par s Pse 2 3 Pspec Pdif fus o Pspec est la portion d nergie r fl chie de fa on sp culaire selon la loi de Descartes angle d incidence angle de r flexion et paiffus la portion r fl chie du rayonnement incident dispers e dans toutes les directions Une surface parfaitement diffuse suit la loi de Lambert Il ne peut y avoir d change radiatif entre deux surfaces que si elles se voient directe ment ou par r flexion Le facteur de vue g om trique d une surface S vers une autre surface S2 est d fini comme le rapport du flux re u par S2 en provenance de Sj sur le flux total mis par S P 0 Fi af f COSCON ee 2 4 Pi TSI S J S2 rio La puissance radiative chang e entre deux surfaces S1 et S2 s crit Qi 2 Yi 2 o Ty T3 2 5 o 1_2 est le
50. 0 T A 5 1587E 03 ALP 0 960 EPS lt 1 5 gt OB_Baffles Rectang5 T A 1 1440E 02 ALP 0 960 EPS lt 1 5 gt OB_Baffles Rectang6 T A 4 0310E 02 ALP 0 960 EPS lt 1 5 gt OB_Baffles Rectang0 T A 5 2404E 03 ALP 0 960 EPS lt 3 gt MLI Rectang5 T 0 000E 00 C 0 0000E 00 A 7 7925E 02 ALP 0 525 EPS lt 3 gt MLI Rectang6 T 0 000E 00 C 0 0000E 00 A 1 9880E 02 ALP 0 525 EPS lt 3 gt MLI Rectang7 T 0 000E 00 C 0 0000E 00 A 7 7816E 02 ALP 0 525 EPS 0 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 1 7476E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 0 000E 00 C 3 2125E 01 0 880 OOOE 00 C 2 8784E 01 0 880 0 000E 00 C 1 0208E 02 0 880 0 000E 00 C 6 2451E 02 0 880 0 000E 00 C 1 5420E 02 0 880 0 000E 00 C 2 0303E 01 0 880 0 400 0 400 0 400 133 Annexe C Fichiers n cessaires
51. 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 15017 15018 15019 15020 15021 15022 15023 15024 15025 15026 15027 15028 15029 15030 15031 15032 15033 15034 15100 15200 15600 15601 15602 25000 25001 25002 25003 25004 25500 35000 35500 50000 55000 55001 55002 55003 55004 55005 65000 66000 lt 2 2 gt lt 2 2 gt lt 2 2 gt lt 2 2 gt lt 2 2 gt lt 2 2 gt lt 2 2 gt lt 2 2 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt lt 2 4 gt SWAP_Droite SWAP_Droite SWAP_Droite SWAP_Droite SWAP_Droite SWAP_Droite SWAP_Droite SWAP_Droite SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut SWAP_Haut lt 2 gt SWAP_Entree lt 1 9 gt Diaphragme Exter lt 1 5 gt OB_Baffles Recta lt 1 5 gt OB_Baffles Recta lt 1 5 gt OB_Baffles Recta lt 3 gt MLI lt 3 gt MLI lt 3 gt MLI lt 3 gt MLI lt 3 gt MLI Rectang5 Rectang6 Rectang7 Quadran2 Quadran3 Rect Rect Rect Rect Rect Rect Rect Rect Quadra Quadra Quadra Quadra Quadra Quadra Quadra Quadra Quadra Quadra Extern lt 3 1 gt MLI_Entree Exter lt 1 3 gt M1 Disci 0 lt 1 4 gt M2 Disc2 0 lt 4 gt Porte DiscO 0 lt 2 5 gt lt 2 5 gt lt 2 5 gt lt 2 5 gt lt 2 5 gt lt 2 5 gt lt 1 6 gt Radiateu
52. 0 C 3 0000E 01 A 4 5000E 03 ALP 0 400 EPS 0 860 D55004 lt 2 5 gt Radiateur Rectang4 T 0 000E 00 C 3 0000E 01 A 4 5000E 03 ALP 0 400 EPS 0 860 D55005 lt 2 5 gt Radiateur Rectang4 T 0 000E 00 C 3 0000E 01 A 4 5000E 03 ALP 0 400 EPS 0 860 D65000 lt 1 6 gt FPA Rectang7 T 0 000E 00 C 3 6700E 02 A 4 8560E 02 ALP 0 525 EPS 0 485 D66000 lt 1 6 1 gt CMOS Rectang1 T 0 000E 00 C 1 2700E 02 A 7 6238E 03 ALP 0 492 EPS 0 443 B 800 Mounti T 29 0 B 803 Mount2 T 10 5 B 999 SPACE T 269 0 C 2 Fichier P TAN dissipations internes Le fichier P TAN pour des puissances dissip es nominales 0 15 W par le d tecteur 0 525 W par l lectronique de proximit et 1 1 W par les l ments de la bo te de connecteurs r partis sur 6 noeuds de la face gauche du capot est reproduit ci dessous HHHHHHHHHHHHHHHHHEEERHHHHHHRR HH HHHR ER RH AHHH HH THERMICA SOFTWARE HH HH DESCRIPTION OF HH HH INTERNAL DISSIPATIONS HHHHHHHHHHHHHHHHHHAHHHHHHEHHH RHR SSUBROUTINES SUBROUTINE PCYCLC LANG MORTRAN Q115002 1 83000E 01 Q115003 1 83000E 01 Q115004 1 83000E 01 Q115007 1 83000E 01 134 Fichiers n cessaires la r solution par le solveur Esatan Annexe C Q115008 1 83000E 01 Q115009 1 83000E 01 QI65000 5 25000E 01 QI66000 1 50000E 01 RETURN END HHHHHHHHHHHHHEEEHERHHHHHH HHH HERE SDS Sd ds SES THERMICA SOFTWARE
53. 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 TIME s FIG 5 9 Variation de la temp rature de la porte au cours de trois orbites 81 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique 5 1 4 Mode d contamination Lors des op rations de d contamination du d tecteur les chaufferettes dissipent une puis sance moyenne de 6 W Les autres composants lectroniques fonctionnent galement La mod lisation est effectu e pour une d contamination en cas chaud i e en fin de vie de Vinstrument et en p riode de p rih lie ce qui constitue un cas pire du point de vue thermique Le tableau 5 9 indique les temp ratures du radiateur et de l ensemble FPA Ce tableau est comparer au tableau 5 4 du mode op rationnel chaud El ment Noeud Temp C Bo te FPA 65000 25 30 D tecteur CMOS 66000 45 88 Cold cup 66000 45 88 Doigt froid 66000 45 88 Radiateur 55000 5 52 55001 2 33 55002 5 66 55003 5 59 55004 2 70 55005 2 75 TAB 5 9 Mode d contamination temp ratures du FPA et du radiateur L ensemble d tecteur cold cup doigt froid atteint une temp rature de 45 9 C n cessaire pour vaporer les contaminants Ceci a pour cons quence d lever la temp rature de la bo te FPA d environ 20 degr s par rapport au mode op rationnel Le radiateur est galement influenc sa temp rature moyenne est de 1 3 C contre 30 4 C en mode op ra tionnel Le noeud 55002 correspondant
54. 0 Q0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 1 3205E 04 3 2840E 04 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 9 9005E 05 1 3205E 04 4 1248E 04 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 7 9069E 05 1 3205E 04 3 2840E 04 NO0000006 28 SOLAR INCIDENT 0 0000E 00 3 9455E 08 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 NO0000009 28 SOLAR INCIDENT 0 0000E 00 4 2678E 08 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 137 Annexe C Fichiers n cessaires la r solution par le solveur Esatan 0 0000E 00 0 0000E 00 0 0000E 00 NO0000100 28 SOLAR INCIDENT 3 6090E 01 3 6080E 01 3 6090E 01 3 6090E 01 3 6090E 01 3 6090E 01 3 6090E 01 3 6090E 01 3 6090E 01 3 6106E 01 3 6090E 01 3 6080E 01 3 6085E 01 3 6069E 01 3 6106E 01 3 6053E 01 3 6053E 01 3 6048E 01 3 6048E 01 3 6042E 01 3 6048E 01 3 6074E 01 3 6090E 01 3 6085E 01 3 6080E 01 3 6069E 01 3 6069E 01 3 6069E 01 W00000100 28
55. 00 4 41 Entr e 15100 14 52 M1 35000 7 65 Porte 50000 14 64 M2 35500 13 88 TAB 5 13 Mode porte ferm e sans dissipation temp ratures de quelques l ments La temp rature moyenne du banc optique est de 8 1 C avec un gradient d une dizaine de degr s entre lavant et l arri re La seule diff rence notable avec le mode op rationnel hormis les dissipations nulles est qu il n y a plus de gradient de temp rature dans le filtre celui ci tant prot g du flux solaire incident par la porte ferm e Le tableau 5 14 indique les temp ratures du radiateur et de l ensemble FPA El ment Noeud Temp C Bo te FPA 65000 3 32 D tecteur CMOS 66000 19 70 Cold cup 66000 19 70 Doigt froid 66000 19 70 Radiateur 55000 35 86 55001 34 60 55002 31 25 55003 35 88 55004 34 76 55005 32 49 TAB 5 14 Mode porte ferm e sans dissipation temp ratures du FPA et du radiateur 85 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Hors fonctionnement sans puissance dissip e et en pr sence de conditions aux limites no minales chaudes l ensemble d tecteur cold cup doigt froid est une temp rature de 19 7 C La temp rature moyenne du radiateur est de 34 1 C Op ration de d contamination porte ferm e Cette op ration de d contamination du d tecteur men e avant l ouverture de la porte est similaire celle men e au cours de la mission de l ins
56. 04 15004 15005 15005 15006 15006 15006 15007 15007 15008 15008 15009 15015 15100 15002 15016 15003 15017 15004 15018 15005 15011 15012 15019 110 200 120 130 140 300 300 15015 15020 15030 15602 510 520 530 540 600 700 700 15004 15009 15028 15601 15002 15006 15100 15003 15007 15004 15008 15005 15009 15010 15011 15007 15025 15100 15008 15026 15009 15027 15010 BR OO Qer N eU amp HO OO OO N HN HO BP amp N NN O1 O1 O1 O1 O1 a uw N GW O0 WW WW O PP WW WHR WDA DBD Ww 036E 02 320E 03 356E 02 356E 02 211E 02 211E 02 070E 02 070E 02 810E 02 769E 02 769E 02 810E 02 563E 03 406E 03 270E 03 929E 03 665E 04 892E 01 321E 02 435E 03 435E 03 237E 02 010E 02 569E 03 270E 03 929E 03 665E 04 008E 03 892E 01 771E 02 360E 03 360E 03 392E 02 005E 02 742E 03 175E 02 686E 03 742E 03 175E 02 742E 03 175E 02 742E 03 175E 02 175E 02 628E 03 742E 03 139E 02 686E 03 742E 03 037E 02 742E 03 942E 02 742E 03 HH H HH H HOH H HOH OH HOH OH OH OH OH HOH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH HO OH OH HH HH HH OH HH OH OH HO H OH OH BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot BO Capot Edge coupling C inte
57. 10 2 66 09 Bloc 600 6 9749 107 21 61 Autres 1500et1600 12 3 Total 3 2282 10 3 2282 10 TAB A 11 Equilibre du noeud 130 contact interm diaire Filtre noeud 140 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 9 3022 10 3 100 Filtre conductif 130 4 3738 1073 47 02 Bloc 600 3 0974 1078 33 30 Autres 1500et1600 19 68 Total 9 3022 1073 9 3022 1073 TAB A 12 Equilibre du noeud 140 contact interm diaire 115 Annexe A R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Support i e noeud 200 El ment Noeud thermique Flux in Flux_out W W Filtre conductif 100 1 6296 1071 98 59 Autres 1 41 Facefiltre conductif 300 1 6079 1077 97 28 Bloc 600 2 8913 1078 1 75 Autres 0 97 Total 1 6529 1071 1 6529 107 TAB A 13 Equilibre du support contact interm diaire Face Filtre i e noeud 300 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Support conductif 200 1 6079 1071 74 49 Bloc conductif 600 4 9261 1072 24 54 Autres 0 97 Plaque conductif 1500 2 1478 107 99 50 Autres 0 50 Total 2 1585 107 2 1585 1071 TAB A 14 Equilibre de la face filtre contact interm diaire Bloc i e noeud 600 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 3 1656 107 37 11 MLI 1400 1 0518 107 12 33 Autres Divers filtre 50 56 Facefiltre conductif 300 4 9261 1077 57 75 Cuve 1600 1 9745 107 23 15 Plaque conducti
58. 16 A 16 Equilibre du MLI contact interm diaire 117 A 17 Equilibre du noeud 100 mauvais contact 117 A 18 Equilibre du noeud 110 mauvais contact 118 A 19 Equilibre du noeud 120 mauvais contact 118 A 20 Equilibre du noeud 130 mauvais contact 118 A 21 Equilibre du noeud 140 mauvais contact 119 A 22 Equilibre du support mauvais contact 119 A 23 Equilibre de la face filtre mauvais contact 119 A 24 Equilibre du bloc mauvais contact 120 A 25 Equilibre du MLI mauvais contact 120 Abr viations AMOS APS BOL CCD CMOS CSL EIT EOL ESA ESTEC EUV FOCAL FPA HU IOTA MLI NASA OIP N V PROBA SDO SECCHI SOHO SWAP Advanced Mechanical and Optical Systems Li ge Belgique Active Pixel Sensor Beginning Of Life Charged Coupled Device Complementary Metal Oxide Semiconductor Centre Spatial de Li ge Li ge Belgique Extreme UV Imaging Telescope End Of Life European Space Agency European Space Research and Technology Centre Noordwijk Pays Bas Extreme UltraViolet Facility of Optical Calibration at Li ge Focal Plane Assembly Instrument Interface Unit Institut d Optique Th orique et Appliqu e Paris France Multi Layer Insulation National Aeronautic and S
59. 2E 02 Edge coupling homogeneous GL 15010 15013 4 628E 03 Edge coupling homogeneous GL 15010 15029 2 768E 02 Edge coupling homogeneous GL 15011 15012 6 063E 03 Edge coupling homogeneous GL 15011 15013 2 577E 02 Edge coupling homogeneous GL 15012 15014 2 577E 02 Edge coupling homogeneous GL 15012 15019 4 632E 03 Edge coupling homogeneous GL 15013 15014 6 063E 03 Edge coupling homogeneous GL 15013 15029 1 188E 02 Edge coupling homogeneous GL 15014 15024 4 632E 03 Edge coupling homogeneous GL 15014 15034 1 189E 02 Edge coupling homogeneous GL 15015 15016 3 748E 03 Edge coupling homogeneous GL 15015 15020 4 169E 02 Edge coupling homogeneous GL 15015 15100 3 812E 03 Edge coupling homogeneous GL 15016 15017 3 748E 03 Edge coupling homogeneous GL 15016 15021 4 169E 02 Edge coupling homogeneous GL 15017 15018 3 748E 03 Edge coupling homogeneous GL 15017 15022 4 169E 02 Edge coupling homogeneous GL 15018 15019 3 748E 03 Edge coupling homogeneous GL 15018 15023 4 169E 02 Edge coupling homogeneous GL 15019 15024 4 169E 02 Edge coupling homogeneous GL 15020 15021 3 748E 03 Edge coupling homogeneous GL 15020 15030 3 135E 02 Edge coupling homogeneous GL 15020 15100 3 812E 03 Edge coupling homogeneous GL 15021 15022 3 748E 03 Edg
60. 3 2420 107 TAB A 3 Equilibre du noeud 130 contact parfait Filtre noeud 140 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 9 3024 10 3 100 Filtre conductif 130 4 511210 2 48 50 Bloc 600 3 0117 1078 32 38 Autres 1400et1500 19 12 Total 9 3024 10 8 9 3024 10 8 TAB A 4 Equilibre du noeud 140 contact parfait 112 R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Annexe A Face Filtre i e noeud 300 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Support conductif 200 1 6446 107 75 70 Bloc conductif 600 5 0776 107 23 37 Autres 0 93 Plaque conductif 1500 2 1709 107 99 98 Autres 0 02 Total 2 1725 107 2 1725 107 TAB A 5 Equilibre de la face filtre contact parfait Bloc i e noeud 600 El ment Noeud thermique Fluxin Flux_out W W Soleil 3 1656 10 38 25 MLI 1400 1 0518 107 12 71 Filtre 120 9 0325 1078 10 91 Filtre 110 8 3385 1073 10 21 Filtre 130 6 6787 10 3 8 07 Filtre 100 3 8592 1078 4 66 Autres 999 200 15 19 Face filtre conductif 300 4 7217 10 7 57 06 Cuve 1600 1 9534 107 23 61 Plaque 1500 1 2444 107 15 04 Total 8 2755 107 8 2755 10 TAB A 6 Equilibre du bloc contact parfait 113 Annexe A R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e MLI i e noeud 1400 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 1 5558 100 Cuve 1600 8 3531 107 53 69 Plaq
61. 44 Cold cup 66000 13 44 Doigt froid 66000 13 44 Radiateur 55000 32 28 55001 30 61 55002 26 73 55003 32 30 55004 30 77 55005 28 11 TAB 5 18 Test de balance thermique temp ratures de l ensemble FPA et du radiateur Comme attendu les temp ratures des diff rents l ments de l instrument SWAP sont tr s proches des temp ratures du mode op rationnel chaud des tableaux 5 1 5 4 En effet la seule diff rence notable pour l instrument SWAP entre ces deux mod lisations est constitu e par les valeurs des propri t s thermo optiques des l ments en fin de vie pour le mode op rationnel chaud en orbite section 5 1 1 et en d but de vie pour le test de balance thermique Or le vieillissement des mat riaux modifie peu la valeur de l missivit infrarouge affectant surtout l absorptivit visible a Puisque le flux so laire n est pas repr sent directement mais mod lis par des dissipations quivalentes la diff rence est minime les conditions aux limites tant identiques et le flux externe sur le radiateur tant simul correctement 5 5 Elaboration du mod le r duit Le mod le r duit est utilis pour repr senter l instrument SWAP dans les diff rents mod les des sous syst mes du satellite Proba 2 r sumant le comportement thermique de l instru ment par un mod le cinq noeuds Le noeud 1 repr sente l endroit du banc optique sur lequel est fix le
62. 5 Face_arri re 1200 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Face_entr e 1300 Invar Blanc Chemz306 4 Face_MLI 1400 MLI MLI Ext MLI Equi 1 TAB 3 2 Mod le g om trique de l entr e de l instrument Les propri t s du mat riau Bulk ainsi que la notion d paisseur quivalente eequi sont pr cis es aux sections 3 3 2 et 3 3 3 L expression coating resp coating d signe le rev tement appliqu sur la face positive resp n gative 30 Mod lisation du filtre d entr e Chapitre 3 Les tableaux 3 3 et 3 4 indiquent les propri t s des mat riaux et des rev tements de l entr e de l instrument Le rev tement Chemz306 est de la peinture noire et Blanc d signe de la peinture blanche Mat riau Conductivit Chaleur sp cifique Densit W K m J K ke kg m Invar 12 5 514 8100 Alu6061 167 940 2700 MLI 0 1 60 5 Bulk 68 78 472 9 8698 9 TAB 3 3 Propri t s des mat riaux de l entr e de instrument Coating a s Q 8 Filtre 0 147 0 965 0 095 1 Chemz306 0 95 0 0 9 0 Blanc 0 2 0 0 86 0 MLI_Ext 0 4 0 0 77 0 MLILEqui 0 4 0 0 0025 0 TAB 3 4 Propri t s des rev tements de l entr e de l instrument 3 3 1 Mod lisation du MLI Le MLI est un matelas superisolant constitu de la superposition d crans radiatifs de Mylar ou de Kapton aluminis s sur leurs deux faces Des tulles de polyester voile de mari e sont intercal s entre
63. 543E 05 945E 05 945E 05 319E 01 515E 01 319E 01 515E 01 515E 01 319E 01 319E 01 860E 03 860E 03 651E 01 651E 01 014E 00 058E 01 826E 01 000E 02 000E 02 100E 01 200E 01 HO HH HH HH OH H OH OH H OH OH EHEHEHEH OH OH H OH OH OH OH Ht HOH H OH OH OH Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Pieds Pieds Pieds Pieds Door bon M2 Mi FPA Detecteur FPA Radiateur Rad Detecteur FPA BO 129 homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogen
64. 6 574 3 R sultats os nana ee me RG Bue ed Go fee Sos 97 5 5 Elaboration du mod le r duit 98 5 5 1 Calcul des conductances Oj nergie me 99 5 5 2 Calcul d s radiosit s LU Aon rocedi mece p ane Heys e Se 100 5 5 3 Puissances inject es 102 5 5 4 V rification du mod le r duit 103 Conclusions et perspectives 107 Annexes 111 A R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e 111 Al Contact Parfait a sga aaa aao eg de de pee ous do non Grau 111 A 2 Contact interm diaire 114 A 3 Mauvais contact 117 B D tails de calculs des conductances thermiques 121 B 1 Calcul des paisseurs quivalentes du banc optique 121 B 1 1 Description des raidisseurs 121 B 1 2 Epaisseurs quivalentes 122 B 2 Exemple de v rification d une conductance calcul e par Thermica 123 B 3 Calcul de la conductance des montures des miroirs 124 B 4 Calcul de la conductance de la porte 124 B 5 Calcul de la conductance des pieds 125 B 6 Fichier C TAN r capitulatif des conductances 126 Fichiers n cessaires la r solution par le solveur Esatan 131 C 1 Fichier N TAN description des noeuds 131 C 2 Fichier P TAN dissipations internes
65. A 3 5925E 04 ALP 0 147 EPS 0 lt 1 10 2 gt FiltreAR Disc3 2 T A 2 5661E 04 ALP 0 147 EPS 0 lt 1 10 3 gt FiltreAR Disc3 2 T A 1 5397E 04 ALP 0 147 EPS 0 lt 1 10 4 gt FiltreAR Disc3 2 T A 5 1322E 05 ALP 0 147 EPS 0 880 0 000E 00 C 3 5158E 01 880 OOOE 00 C 8 5961E 03 095 0 000E 00 Q Il 6 6858E 03 095 0 000E 00 095 0 000E 00 C 2 8654E 03 Q Il 4 7756E 03 095 0 000E 00 C 9 5512E 04 095 lt 1 12 gt SupportAR Disc3 T 0 000E 00 C 7 1640E 00 A 1 5090E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 1 11 gt Face_FF_AR Extern 2 T A 5 3430E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 7 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1i T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 7 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 gt lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E 03 ALP 0 960 EPS 0 lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rectang1 T A 7 0561E
66. B 13583 0 742 mm B 6 Ex 7et 8 qui ajout e au 1 5 mm du banc optique donne une paisseur totale de 2 242 mm Noeuds 9 et 10 Sous les noeuds 9 et 10 dans la direction il faut galement tenir compte des petits rai disseurs diagonaux en plus de la fin de deux des raidisseurs principaux et des rebords Le volume total est de 17 760 mm pour une aire de 14 211 mm L paisseur quivalente est ainsi 17760 14211 donnant une paisseur totale de 2 75 mm y 9 et 10 1 250 mm B 7 Dans la direction x il faut prendre en consid ration la structure d attache du pied arri re Ajout e quatre raidisseurs trap zo daux et au rebord le volume total est de 33 713 mm Fi 33713 Ex 9 et 10 Fao 372 mm B 8 d o une paisseur totale pour le banc optique entier de 3 872 mm B 2 Exemple de v rification d une conductance calcul e par Thermica Prenons l exemple de la conductance entre deux noeuds de la face droite du capot Ther mica calcule C 15015 15016 3 748 107 W K B 9 V rifions ce r sultat Pour les deux l ments en Invar S S2 leontact 30610 ne B 10 ce qui donne L Lo 1 3 748 10 W K B 12 C 15015 15016 Soit exactement le m me r sultat que celui calcul automatiquement par Thermica 123 Annexe B D tails de calculs des conductances thermiques B 3 Calcul de la conductance des montures des miroirs La monture du miroir primai
67. E 03 5 9258E 03 5 8354E 03 5 7239E 03 5 3439E 03 5 1016E 03 4 7113E 03 4 2157E 03 3 6265E 03 N00000130 28 SOLAR INCIDENT 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 1 8059E 01 W00000130 28 ALBEDO INCIDENT 8 0985E 04 8 4622E 04 8 3989E 04 8 5496E 04 8 2668E 04 8 0810E 04 7 8994E 04 8 0121E 04 7 8127E 04 7 9965E 04 8 5454E 04 8 4803E 04 8 5763E 04 8 5387E 04 8 0985E 04 7 2388E 04 5 9058E 04 4 5433E 04 3 7972E 04 3 1107E 04 2 7670E 04 2 7217E 04 2 9558E 04 3 5438E 04 4 5460E 04 6 0521E 04 7 1816E 04 8 5386E 04 E00000130 28 PLANET INCIDENT 2 4383E 03 2 0872E 03 1 7693E 03 1 5945E 03 1 4181E 03 1 3270E 03 1 2777E 03 1 2913E 03 1 2820E 03 1 3788E 03 1 5936E 03 1 7933E 03 2 1154E 03 2 5492E 03 2 4383E 03 2 7965E 03 3 1333E 03 3 4278E 03 3 7541E 03 3 8894E 03 3 9710E 03 3 8526E 03 3 8276E 03 3 6789E 03 3 4286E 03 3 1482E 03 2 7930E 03 2 5492E 03 Et ainsi de suite pour tous les autres noeuds 139 Annexe D R sultats complets pour le test de balance thermique Cette annexe donne le d tail du calcul de la conductance de la tresse de cuivre reliant le panneau avant de la tente la pl
68. E RK E E EE 4 1 6 Ensemble filtre arri re 4 1 7 Ensemble FPA et doigt froid ARS Radiateurs ans RS Ae a i oe een a te at En mn 4 197 Capot nat Es ce el nan NPA Me dee Gee SE ee perd a AV TORPOrE ESS Le Sheds E sar ae a aeaa he Re NES AN RAA DE EE ne 4 1 11 Enveloppe de MLI Environnement thermique de l instrument SWAP le satellite Proba 2 A OS AT 2 8 i es eh Be hae he Se a Re ia oe ARG 4 2 2 Effet de la structure du satellite et des autres instruments 4 2 3 Panneaux solaires pane ns eee woh Ge oe A Bead Passe D coupage en noeuds thermiques 4 3 1 Propri t s des mat riaux et des rev tements utilis s 4 3 2 Conditions aux limites noeuds fix s Calcul des conductances thermiques 4 4 1 Conductances calcul es par Thermica 4 4 2 Conductances entre noeuds du banc optique 4 4 3 Conductances du capot 4 4 4 Conductances des l ments du t lescope 4 4 5 Conductance de la porte 4 4 6 Liaison SWAP PROBA introduction des pieds Calcul des capacit s calorifiques Orbite et pointage Calculs radiatifs me ioe ac pn a dre Ko dae Sn Ys pi 4 7 1 Calcul des couplages radiatifs
69. EHRRHRHHHHR HaHa H CONDUCTIVE COUPLINGS GENERATED BY THERMICA H HHHHHHHHHHHHHAHHHERERHHRHRR RAR RHR GL i 2 6 357E 02 Edge coupling homogeneous GL 1 3 1 628E 02 Edge coupling homogeneous GL 2 4 1 628E 02 Edge coupling homogeneous GL 3 4 7 489E 02 Edge coupling homogeneous GL 3 5 1 399E 02 Edge coupling homogeneous GL 4 6 1 399E 02 Edge coupling homogeneous GL 5 6 6 946E 02 Edge coupling homogeneous GL 53 7 1 477E 02 Edge coupling homogeneous GL 6 8 1 477E 02 Edge coupling homogeneous GL Ta 8 6 467E 02 Edge coupling homogeneous GL Tes 9 2 099E 02 Edge coupling homogeneous GL 8 10 2 099E 02 Edge coupling homogeneous GL 9 10 5 684E 02 Edge coupling homogeneous GL 1 15001 5 036E 02 B0 Capot homogeneous GL 1 15100 8 318E 03 BO Capot homogeneous 126 D tails de calculs des conductances thermiques Annexe B GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL ONDA OA amp amp ND N Pe 100 100 110 120 130 200 300 300 300 300 500 510 520 530 500 600 700 700 700 700 15001 15001 15001 15002 15002 15003 15003 150
70. Ht HH DESCRIPTION OF Ht HH AVERAGE DISSIPATIONS HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH HERR ees SSUBROUTINES SUBROUTINE PAVE LANG MORTRAN Q115002 1 83000E 01 Q115003 1 83000E 01 Q115004 1 83000E 01 Q115007 1 83000E 01 Q115008 1 83000E 01 Q115009 1 83000E 01 QI65000 5 25000E 01 QI66000 1 50000E 01 RETURN END INITIAL CALL PAVE VARIABLES1 CALL PCYCLC C 3 Fichier R TAN coefficients de couplages radiatifs La partie du fichier concernant les coefficents de couplages radiatifs du noeud 1 calcul par la m thode de ray tracing avec 10000 rayons est reproduite ici FERC COCA DK DE KE KE D Ke kkk kkk kk Ke k kkk model name SWAP33 Reciprocal R E F mini values 1 0000E 04 Couplings with space are NOT filtered Tolerance on variable R E F 1 0000E 01 Data created on 25 Apr 2005 10 57 25 FER AOC OK D DK OK ED oo I OK AI ICA I OK OK a A 1 1 kkk kkk kk kkk 21 Ke kkk CONDUCTORS SELF COUPLING GR 1 1 4 7903E 03 GR t 2 2 2945E 04 GR t 3 1 2613E 04 GR t 4 1 9983E 05 GR 1 5 2 7688E 06 GR 1 6 3 0893E 06 GR 1 100 1 4466E 07 GR t 110 9 9306E 08 GR 1 120 8 1885E 08 135 Annexe C Fichiers n cessaires la r solution par le solveur Esatan GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR EN E
71. NIAN AEN INAS AOS ee IONAS AON PRIMO PRIMO AN OSAKS ONSAS NODE yo s s s y y y y y y y y y y y y y v v y yo s s y s s y y v y y y y y y y y y y y v eerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrerrrrrrrrrrrrrr rr rere 130 140 200 300 500 510 520 530 540 600 700 15001 15002 15003 15006 15007 15008 15009 15012 15014 15015 15016 15017 15018 15020 15021 15022 15023 15024 15025 15026 15027 15028 15030 15031 15032 15033 15100 15200 15600 15601 15602 25003 35000 35500 999 1 7441E 08 4549E 08 T497E 06 9365E 05 7627E 08 3523E 08 3923E 08 1070E 08 1804E 09 0259E 06 7209E 06 0612E 03 9292E 05 8875E 06 6847E 04 0774E 05 1375E 06 0452E 06 5622E 07 4462E 07 1221E 06 4650E 06 2007E 06 5066E 06 3269E 06 0436E 05 7835E 06 9067E 06 9134E 07 0170E 03 9387E 04 2811E 05 4248E 06 3215E 05 3126E 05 0842E 05 0748E 06 8641E 04 4158E 06 9987E 04 8762E 06 2872E 04 4625E 05 2084E 07 6946E 05 3801E 06 Et ainsi de suite pour tous les autres noeuds 136 Fichiers n cessaires la r solution par le solveur Esatan Annexe C C 4 Fichier H TAN flux externes absorb s Seule une petite partie de ce fichier est reproduite ici FEO k ak ak 3k ak ak ak ak 3K k ak 3K ak ak 3K ak ak 3K ak ak HER RER ak EH EH RH HER EH EH EEE EEE
72. Pour la masse il vient M pV par et 5 156 10 kg 3 31 o ena est l paisseur totale quivalente de capacit calorifique soit 5 118 um De l il vient pour la capacit calorifique du filtre C 2 4383 10 J K 3 32 Les r sultats du calcul donnant les capacit s calorifiques pour les diff rents noeuds du filtre sont rassembl s dans le tableau 3 8 Ci Valeur J K C 100 8 778 10 3 C 110 6 827 10 8 C 120 4 877 10 8 C 130 2 926 10 8 C 140 9 753 10 4 TAB 3 8 Capacit s calorifiques des diff rents noeuds du filtre 3 6 Test devant un simulateur solaire L objectif de ce test devant un soleil artificiel qui se d roulera l ESTEC Noordwijk Pays Bas est de simuler le flux solaire attendu sur le filtre au cours de la mission Outre la d termination de l absorptivit visible a dont le dispositif de mesure est indiqu la section 3 6 1 ce test permettra de caract riser certaines propri t s du filtre difficilement mod lisables telles que les conductances de contact Enfin les importantes variations de temp rature lors des alternances jour nuit en orbite seront galement simul es et permet tront d examiner la r sistance du filtre face de tels chocs thermiques 37 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e Une mod lisation pr alable de ce test est r alis e sous Thermica dont les principaux r sultats sont pr sent s dans cette section Cette mod lisati
73. Vhorizontale figure 3 5 pour viter une coincidence du rayon incident vertical avec le rayon r fl chi sp culairement La direction du rayon incident est choisie comme origine de l angle 0 L angle de Descartes de sp cularit est donc dans ce cas de 0 12 Le r cepteur balaie ainsi les diff rents 6 mesurant la proportion de flux r fl chi g FIG 3 5 Configuration du test CSL Une mesure est effectu e tous les degr s de 0 10 0 90 La courbe de BRDF ainsi obtenue est pr sent e a la figure 3 6 27 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e LE 03 3 J LE 02 4 1 LE 01 4 J 1 E 00 4 1 1 E 01 E LE 02 PTT been be rere D EEE PITT PES ECTS BRDF Sr 1 1E 05 4 4 ee 20 0 20 40 60 80 100 Measured angle arcdeg FIG 3 6 Courbe de BRDF 3 2 3 Exploitation des r sultats La courbe de BRDF est exploitable de 0 6 0 83 avec Ospec 12 Pour recentrer le pic de sp cularit en 6 0 un d calage de 12 est appliqu aux donn es Arbitrairement la limite du pic de sp cularit est fix e une valeur de la BRDF sup rieure 0 02 sr soit 0 15 Cette valeur de 0 02 sr est le double du niveau moyen de la partie plate de la BRDF correspondant une diffusion purement lambertienne L int grale sur tous les angles de r flexion 3 4 devient 15 v oe Pspec _ Jo P Or br Oi Pi cos 0 sin 0
74. W pour l lectronique de proximit et 1100 mW pour les l ments de la bo te de connecteurs Enfin des chaufferettes externes mod liseront le flux solaire lors du test de balance ther mique Dans le mod le sous Thermica la porte et le filtre l ments expos s au flux solaire incident dissiperont une puissance quivalente la puissance solaire r ellement absorb e ie en prenant en consid ration la r mission vers l espace froid en mode op rationnel chaud Il vient donc Q filtre 184 mW 5 3 Qporte 161 mW 5 4 5 4 2 Calcul de la temp rature de puits du radiateur Par d finition r f rence 6 la temp rature Tsink d une surface est la temp rature station naire de cette surface isol e en interne des autres surfaces de l instrument et en quilibre avec son environnement externe satellite espace froid flux solaire et terrestres etc 96 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 Pour obtenir la temp rature de puits du radiateur il suffit ainsi d annuler les liens conduc tifs et radiatifs avec les autres l ments de l instrument SWAP en particulier avec le d tecteur et l ensemble FPA La temp rature moyenne du radiateur obtenue est donc gale a la temp rature de puits dont la valeur est Tsink rad 71 69 C 5 5 Notons que cette valeur est obtenue partir du mode op rationnel chaud Le sch ma lectrique quivalent est illustr a la figure 5 12 R q
75. a on importante les propri t s op tiques des mat riaux directement expos s en particulier les rev tements de contr le ther mique Ce dernier point devra tre pris en compte lors de la mod lisation thermique de l instrument SWAP deux types de calculs seront indispensables l un correspondant aux rev tements en d but de vie l autre aux mat riaux d grad s par les UV 10 L instrument SWAP pour l observation du Soleil Chapitre 1 Enfin la pr sence de l homme dans l espace ainsi que les projets de missions lointaines de longue dur e posent le probl me des effets biologiques induits par les radiations de hautes nergies Les effets permanents ou retard s associ s des destructions ou des modifications cellulaires suite une irradiation plus ou moins longue sont l origine des limites d exposition impos es aux astronautes et constituent un probl me important pour certaines missions expos es actuelles et futures Les dommages peuvent galement tre imm diats en cas d irradiation massive lors d une ruption solaire exceptionnellement forte 1 3 Objectifs scientifiques de l instrument SWAP La longueur d onde d observation en extr me ultraviolet autour de 17 4 nm correspondant plusieurs raies de transition du Fer IX et X permet d tudier les ph nom nes nerg tiques associ s l activit du Soleil L observation en continu donne des informations importantes propos du d ve
76. actions du banc optique restent toujours largement inf rieures 50 um garantissant l alignement des miroirs au cours des diff rentes phases de la mission 5 4 Test de balance thermique Le principal objectif du test de balance thermique est de lever les incertitudes li es au mod le thermique Cette section aborde la mod lisation et la simulation sous Thermica de ce test pr vu CSL dans la cuve vide Focal 2 en janvier 2006 5 4 1 Description de la configuration du test La figure 5 10 montre la configuration du test de balance thermique dont la figure 5 11 illustre la mod lisation effectu e sous Thermica L instrument SWAP label A sur la fi gure 5 10 est plac dans une tente form e de quatre panneaux lat raux et d une face sup rieure Les pieds de l instrument reposent chacun sur une plaque de cuivre fix e sur un pilier en Inox L ensemble de cette configuration telle que repr sent e la figure 5 10 est plac e dans la cuve vide Focal 2 Une jupe de MLI isole radiativement le bas de la tente du reste de la cuve figure 5 11 Le radiateur ne re oit que le flux radiatif de la face sup rieure une pyramide de MLI l isole des panneaux lat raux de la tente Enfin le label B de la figure 5 10 d signe l unit d interface lectronique de l instrument SWAP avec le satellite Proba 2 IIU test e simultan ment Les temp ratures des parois de la tente sont impos es de mani re telle simuler une configurat
77. all Space Science Missions 55th International Astronautical Congress 2004 4 8 October Vancouver Canada J M DEFISE P ROCHUS Lessons learned from the thermal design of an instrument EIT the Extreme UV Imaging Telescope on board SOHO 1997 J P DELABOUDINIERE ET AL EIT Extreme Ultraviolet Imaging Telescope for the SOHO Mission Solar Physics 162 291 312 1995 Cours de r f rence P ROCHUS Conception d exp riences spatiales notes de cours Universit de Li ge 2004 2005 M HOGGE Introduction aux transferts de chaleur notes de cours Universit de Li ge 1994 1995 F SERENE Le contr le thermique des engins spatiaux notes de cours Supa ro Toulouse 2003 2004 J BOURRIEAU J P Davin L Levy Environnement spatial notes de cours Supa ro Toulouse 2003 2004 Manuels de r f rence 10 EADS ASTRIUM Manuel d utilisateur de Thermica Toulouse 2004 11 EUROPEAN SPACE AGENCY Esatan Engineering Manual Version 6 2 Leicester 2000 12 EUROPEAN SPACE AGENCY Spacecraft Thermal Control design data Volume 1 Paris 1989 109 Liens World Wide Web 13 Site de PESA consacr la m t orologie spatiale http esa spaceweather net 14 Archives des images et vid os du satellite SOHO http sohowww estec esa nl gallery bestofsoho 15 Sites consacr s instrument SWAP http www http swap oma be http homepage oma be david SWAP 16 Site de r f re
78. ance des pieds Rappelons que la conductivit thermique du titane est de 6 7 W m K Pour calculer la conductance du pied avant la structure d attache verticale est assimil e a des barreaux de sections variables dont les dimensions sont indiqu es la figure B 2 La plaque horizontale assure une bonne conductance de contact avec la structure du satellite Proba 2 sur laquelle repose le pied 5 gt 8 Yy 1 10 5 Yy 4 10 4 Fic B 2 Mod lisation du pied avant En appliquant la formule des conductances en s rie 1 a Cried AV Ci es avec ens ee 10 0 0402W K B 19 Ue pris 6 7 10 8 0 402W K B 20 C3 ms Age 10 0 0402W K B 21 Q ns 6 7 T0 0 25125W K B 22 B 23 d o Cpiea av 1 772 107 W K B 24 125 Annexe B D tails de calculs des conductances thermiques Pour le pied arri re en Invar la section en contact avec le banc optique illustr e la figure B 3 est de 1004 mm Fic B 3 Section du pied arri re La hauteur totale de cette structure comme pour le pied avant est de 38 mm ce qui donne une conductance de kS 12 5 x 1004 z Chied ARR 7 3 303 107 W K B 25 Un pied arri re en titane conductivit thermique k 6 7 W m K pr senterait une conductance de kS _ 6 7 x 1004 L 38 Cpied ARR 1 770 107 W K B 26 B 6 Fichier C TAN r capitulatif des conductances HHHHHHHHHHHHRAHAHHHE
79. ant les plages de temp ratures des diff rents l ments de l instrument SWAP sont v rifi es et les conclusions quant aux r sultats de la mod lisation thermique effectu e sont pr sent es Enfin la dilatation thermique du banc optique est calcul e pour les diff rentes phases de la mission Rappelons que les plages de temp ratures op rationnelles i e lorsque l instrument SWAP fonctionne et prend des images du Soleil et non op rationnelles impos es par Verhaert pour l ensemble du satellite Proba 2 sont respectivement de 40 C 60 C et 40 C 70 C 89 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique 5 3 1 Plages de temp ratures op rationnelles Les temp ratures des l ments de l instrument SWAP pour les diff rents modes op ration nels cas chaud cas froid simulation des clipses sont reprises dans les tableaux 5 1 5 8 Le banc optique est toujours dans l intervalle de temp rature sp cifi Les extr mes sont compris entre 28 64 C avant du banc cas chaud et 1 56 C arri re cas froid La dila tation thermique du banc optique est calcul e la section 5 3 8 Le capot ne pose pas de probl me particulier la face d entr e l endroit le plus chaud a une temp rature maximale de 33 5 C en cas chaud Les temp ratures minimales des cendent l g rement en dessous de 0 C l arri re du capot lors de la simulation des clipses Le filtre d entr e est un l ment fa
80. ants sur ses surfaces tandis que le doigt froid est l g rement plus chaud La temp rature du noeud 66000 13 76 C est donc approxima tivement celle du d tecteur N anmoins un mod le plus d velopp en cours de r alisation par l entreprise OIP est n cessaire pour conna tre pr cis ment les temp ratures et les flux chang s dans l ensemble FPA El ment Noeud Temp C Bo te FPA 65000 3 73 D tecteur CMOS 66000 13 76 Cold cup 66000 13 76 Doigt froid 66000 13 76 Radiateur 55000 32 39 55001 30 95 55002 27 12 55003 32 44 55004 31 13 55005 28 51 TAB 5 4 Mode op rationnel chaud temp ratures du FPA et du radiateur La temp rature moyenne du radiateur est de 30 4 C L endroit le plus chaud le noeud 55002 correspond l arriv e des puissances dissip es par l interm diaire du doigt froid D autre part les temp ratures du radiateur vont varier au cours d une orbite en fonction des flux infrarouge et alb do terrestres absorb s pr sent s au chapitre pr c dent la figure 4 19 Ceci est examin au paragraphe suivant exposant les r sultats du calcul transitoire 73 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Calcul transitoire Le calcul transitoire est effectu sur 10 orbites avec un pas de temps de 0 5 secondes Les temp ratures initiales sont celles calcul es en r gime stationnaire En partant d une situa tion initiale quelco
81. aque de cuivre sur laquelle repose le pied avant de Vinstrument lors du test de balance thermique La liste des temp ratures des noeuds du mod le est galement donn e D 1 Calcul de la conductance de la tresse de cuivre La conductivit thermique du cuivre est de 400 W m K Le diam tre de la tresse est de 50 mm pour une longueur d environ 157 mm Ainsi il vient kcuS 400 x 50 Cirese E gt 10 1 274 10 1 W K D 1 Cette conductance est appliqu e entre les noeuds 1000 panneau avant et 1800 plaque de cuivre D 2 Liste des temp ratures des diff rents noeuds du mod le de balance thermique NODE LABEL T QS 1 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr 28 05 0 00 2 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr 28 18 0 00 3 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr 26 02 0 00 4 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr 25 33 0 00 5 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr 20 11 0 00 6 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr 19 95 0 00 141 oO ON 10 100 110 120 130 140 200 530 540 600 700 800 803 999 1000 1100 1200 1400 1500 1800 1803 15001 15002 15003 15004 15005 15006 15007 15008 15009 15010 15011 15012 15013 15014 15015 15016 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadr lt 1 1 gt Filtre Disci 0 lt 1 1 1 gt Filtre2 Disci lt 1 1 2 gt Filtre3 Disc2 lt 1 1 3 gt Filtre4 Disc3 lt 1 1 4 gt Filtres Disc4 lt 1 2 gt Support Disc2 0 lt 1 8
82. ble aux rayons X mous d o le nom d ruptions optiques cette mission peut durer plusieurs heures Ces ra diations lectromagn tiques arrivent au voisinage de la Terre environ huit minutes apr s le d clenchement de l ruption elles pourront tre d tect es au sol ou en orbite avec les moyens appropri s Une troisi me partie de l nergie est dissip e sous forme m canique avec mission de mati re dans l espace Celle ci peut tre de deux types Une jection de particules de hautes nergies jusqu une dizaine de MeV pour les lectrons exceptionnellement jusqu 20 GeV pour les protons appel e v ne ment protons d une dur e de quelques heures quelques jours Ces v nements protons sont g n ralement compos s de plusieurs ruptions successives souvent partir d un m me centre actif Une expulsion d une grande quantit de mati re de la couronne appel e Coronal Mass Ejection CME des vitesses pouvant atteindre quelques milliers de km s La structure d une CME pr sente une forme de bulle s agrandissant mesure qu elle s l ve au dessus des r gions o se trouvent les taches solaires jusqu clatement et dispersion de la mati re coronale dans l espace interplan taire Le satellite SOHO en a fourni des images spectaculaires 14 1 2 3 Cons quences de l activit solaire Les modifications au cours du cycle de onze ans de l act
83. bles et UV du spectre solaire incident afin d viter un chauffement excessif des miroirs et des autres l ments optiques Le taux de r jection n cessaire est de l ordre de 1078 qui est la proportion du flux la longueur d onde de 17 4 nm au flux solaire total Pour satisfaire cette sp cification l aluminium a t choisi car il offre une r flectivit lev e dans le visible et une fen tre de transmission de 17 80 nm environ L instrument SWAP comporte deux filtres d aluminium de 150 nm d paisseur oxyd s au contact de lair sur leurs deux faces par 7 5 nm d alumine AlO3 La figure 3 1 illustre la courbe de transmission d un tel filtre d aluminium en prenant en compte les deux couches d alumine La valeur de cette transmission 17 4 nm est de 55 6 Le filtre en bleu turquoise sur la figure 3 2 est plac l g rement en retrait de l entr e de l instrument La s lection de la lumi re EUV permet d viter un chauffement excessif du miroir primaire dont le rev tement est tudi pour r fl chir en incidence normale la longueur d onde 17 4 nm Un deuxi me filtre plac devant le bloc focal limine les rayons visibles parasites r siduels augmentant ainsi le taux de r jection total de la lumi re visible Bidirectional Reflection Distribution Function i e fonction de distribution bidirectionnelle de r flexion 23 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e Fic
84. coefficient de couplage radiatif appel radiosit entre les surfaces 1 et 2 Ce coefficient d pend des facteurs de vue des surfaces S et S2 et des caract ristiques thermo optiques de ces surfaces selon l expression 1 1l e 1 1 Yi 2 1 51 SiFig 282 28 Loi d montr e classiquement sur base d quilibre thermique 15 Chapitre 2 La mod lisation thermique des instruments spatiaux 2 2 2 Les couplages conductifs Les transferts de chaleur par conduction sont r gis par l quation de Fourier dT porn div A gradT q 2 7 avec e p la densit locale kg m e la conductivit thermique W m K pouvant varier d un endroit l autre du milieu e c la chaleur massique locale J kg K e q la puissance volumique W m Consid rons maintenant la conduction unidirectionnelle dans un milieu homog ne Ty piquement il s agit de la conduction dans une barre m tallique homog ne de section constante L quation de Fourier donnant le flux de chaleur traversant une section droite de la barre est Q k S 2 8 Q est la puissance transmise par conduction W k est la conductivit thermique du mat riau W m K S la section de passage du flux m i e la section de la barre IL est le gradient local de temp rature K m Si les pertes de chaleur lat rales convection rayonnement sont n gligeables le gradient thermique dans la barre sera constant et on peu
85. comme un meilleur choix du point de vue thermique et per met d isoler davantage l instrument SWAP de la plateforme de Proba 2 Un tel choix est d ailleurs plus prudent de mani re g n rale les causes d une variation de temp rature de la structure du satellite pouvant tre tr s diverses et inattendues Du point de vue m canique le titane est davantage flexible que l Invar ce qui permettrait de reprendre avec le pied avant la dilatation diff rentielle existant entre le banc optique en Invar et la structure du satellite en aluminium D autre part l hypoth se effectu e jusqu ici est celle d un contact parfait entre le pied arri re et le banc optique Puisqu il est pr f rable d isoler l instrument de la plateforme du satellite le cas d une conductance parfaite constitue le cas pire du point de vue thermique N anmoins les simulations montrent qu entre un contact parfait et un tr s mauvais contact m tal m tal sec voir tableau 4 8 les temp ratures de l arri re du banc optique et du d tecteur ne varient que d environ 1 C La valeur de la r sistance de contact a donc peu d importance dans le cas du pied arri re 5 2 3 Influence de la conductance de la porte Rappelons que la conductance entre la porte et la face d entr e avait t valu e a la sec tion 4 4 5 en assimilant la g om trie compliqu e pr sence de charni res de vis etc du m canisme d ouverture un barreau en Invar La c
86. ctance d une couronne Mod lisation du dispositif du test l ESTEC plaque et cuve Carte de temp rature du filtre d entr e El ments optiques et mod lisation Bane optique 2 44 us 3 8 dan arte o den de ana do les ee el Baffles optiques primaire droite et secondaire gauche Mod lisation des baffles optiques et du diaphragme Miroirs et montures 22 a8 eek a E E ns i ee GA Ai ET HD GTS Ensemble du filtre arri re Vue g n rale du bloc focal et d tails Mod lisation du bloc focal Mod lisation du capot de SWAP Porte et m canisme d ouverture Mod lisation de l enveloppe de MLI et de la porte Pieds supportant l instrument SWAP Vue g n rale du satellite Proba 2 Mod lisation de Proba 2 et des panneaux solaires Plaqu perc e 2s oas ecane pp D un hd un dd due es VII 4 16 4 17 4 18 4 19 4 20 5 1 5 2 5 3 5 4 5 9 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 5 11 5 12 5 13 5 14 B 1 B 2 B 3 Pied avanto ae Dre pres 22e en SY MOA pee dyin Wek ater ee Diners Pied arriere Ye Des ut sie NSP de Rene Hiei ee wh LS Ale ee ok aoe Attitude du satellite Proba 2 Puissance IR terrestre ab
87. d lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 4 7 2 Calcul des flux externes absorb s Les donn es d entr e pour le calcul des flux externes absorb s sont constitu es de la d finition de la g om trie externe de l orbite et de l attitude du satellite La m thode de ray tracing est galement utilis e avec 10 000 rayons simulant les flux externes par facette Les r sultats sont rassembl s dans le fichier H TAN reproduit en annexe C la section C 4 Les figures 4 19 et 4 20 montrent quelques valeurs caract ristiques des flux externes absorb s pour une constante solaire de 1365 W m ce qui correspond pour un alb do de 0 3 une temp rature d quilibre radiatif de la Terre de 255 K La figure 4 19 indique la variation de la puissance infrarouge terrestre absorb e par le radiateur noeud 55000 correspondant aux quatre attitudes du satellite sur une orbite Le flux alb do terrestre pr sente le m me type de comportement mais d une amplitude variable maximale de 0 03 W ce qui est n gligeable par rapport au flux IR terrestre Celui ci repr sente jusqu 30 du flux externe absorb par le radiateur l autre partie tant constitu e du flux re u en provenance des panneaux solaires du satellite 0 30 0 20 0 25 FluxIR 55000 W 0 10 0 15 0 05 0 00 Fic 4 19 Puissance IR terrestre absorb e par le radiateur noeud 55000 La figure 4 20 montre la puissance solaire absorb e au cours d une
88. d augmenter l efficacit du radiateur La taille maximale au toris e par le satellite tant d j atteinte il peut tre envisag d appliquer un rev tement superfroid plus efficace que de la peinture blanche classique Le flux alb do visible ab sorb par le radiateur tant relativement faible il s agirait surtout d augmenter encore l missivit infrarouge en trouvant un rev tement appropri ou en creusant des struc tures en nids d abeille Une rapide simulation avec un rev tement id al e 1 montre qu alors le d tecteur avoisine les 16 C en mode op rationnel chaud correspondant une constante solaire maximale des rev tements en fin de vie et des conditions aux limites chaudes Une telle solution utilis e seule risque donc de ne pas tre suffisante Une solution plus radicale consisterait revoir la conception de l ensemble FPA de mani re isoler davantage le radiateur de la structure du satellite ce qui tait pr vu dans les sp cifications initiales Rappelons que ce n est pas du tout le cas dans le mod le ac tuel la majorit de la chaleur de l instrument s vacue par le radiateur Un ensemble FPA l g rement plus isol conductivement du banc optique si cela est possible per mettrait d obtenir une temp rature de d tecteur dans la plage sp cifi e en combinant ventuellement cette solution avec celle d un rev tement de radiateur plus efficace D autre part u
89. d orientation tous les quarts d orbite Un tel pointage permet la stabilit de l instrument lors des prises de vue du Soleil Une orbite h liosynchrone est telle que le Soleil fait un angle constant avec le plan de l orbite le satellite survolant un point de la Terre toujours la m me heure solaire Chapitre 1 L instrument SWAP pour l observation du Soleil 1 2 Enjeux de l observation du Soleil Sans l nergie abondante mise depuis pr s de cinq milliards d ann es par le Soleil 1 toile la plus proche de la Terre la vie n aurait pu ni clore ni se d velopper L activit du Soleil entra ne galement outre le ph nom ne spectaculaire d aurores polaires des cons quences moins plaisantes telles que la mise hors service de r seaux lectriques de syst mes de com munication ou encore de satellites C est pourquoi l observation en continu de l activit du Soleil par des instruments tels que SWAP est indispensable et permet la pr vision de la m t orologie de l environnement spatial Cette section pr sente apr s un bref rappel sur la structure du Soleil et de son at mosph re une description des ph nom nes associ s son activit Les cons quences de ces ph nom nes sur les occupations humaines sur Terre et dans l espace sont ensuite abord es 1 2 1 Structure et composition du Soleil Comme la plupart des autres toiles le Soleil est constitu d hydrog ne 70 et d h
90. de Thermica sont coh rents avec les renseignements trouv s dans la litt rature r f rence 12 donnant des valeurs num riques pour les conductances d une plaque perc e 59 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP 4 4 2 Conductances entre noeuds du banc optique Rappelons que le banc optique en mat riau Invar est renforc m caniquement par une s rie de raidisseurs dont il faut tenir compte du point de vue conductif Pour chaque paire de noeuds du banc deux paisseurs quivalentes ez et ey ont t calcul es tenant compte des raidisseurs dans la direction x et dans la direction y respectivement Les r sultats de ce calcul effectu a la section 4 1 1 sont rassembl s dans le tableau 4 1 Malheureusement il n est pas possible d introduire dans Thermica deux paisseurs diff rentes selon la direction pour un m me l ment Pour avoir une conductance entre la face d entr e et le banc optique calcul e par Thermica les paisseurs y sont rentr es dans le mod le Les conductances du banc optique avec les autres l ments selon la direction y faces gauche et droite du capot sont calcul es manuellement Une autre m thode est d laborer un nouveau mod le en rentrant les paisseurs quivalentes ey et d en tirer les conductances calcul es par Thermica Ces deux m thodes donnent des r sultats identiques et sont quivalentes du point de vue pratique quelques calculs simples la main pr
91. de v rifier l accomplissement des sp cifications thermiques des diff rents l ments constituant l ins trument SWAP Les conclusions du calcul thermique effectu sont pr sent es La section 5 4 aborde la description et la simulation du test de balance thermique pr vu CSL en janvier 2006 et qui permettra de lever certaines incertitudes de la mod lisation thermique Enfin le mod le thermique r duit de l instrument est labor la derni re section de ce chapitre Ce mod le quelques noeuds r sume le comportement thermique de l instru ment et sera utilis dans l tablissement du bilan thermique complet du satellite Proba 2 69 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique 5 1 R sultats du calcul thermique 5 1 1 Mode op rationnel cas chaud Le cas chaud correspond des propri t s thermo optiques des rev tements en fin de vie et une constante solaire maximale de 1410 W m La temp rature d quilibre radiatif de la Terre est alors de 256 9 K toujours en consid rant un alb do de 0 3 Rappelons que la temp rature locale de la structure du satellite est de 29 0 C sous le pied avant et 10 5 C sous le pied arri re Les puissances dissip es sont nominales 150 mW pour le d tecteur 525 mW pour l lectronique de proximit et 1100 mW au total pour les l ments de la bo te de connecteurs Les r sultats du calcul stationnaire correspondant aux temp ratures l qui
92. e Le capot de SWAP appel Flight Hood e La porte et son m canisme d ouverture e Le MLI enveloppant le capot Une vue g n rale des l ments optiques et de leur mod lisation est montr e la figure 4 1 Le radiateur et la porte ne sont pas reproduits dans la vue mod lis e afin de ne pas g ner l observation des autres l ments FPA _ FPA Radiator FPA filter Connector box M2 mirror esp Mi mirror Assembly Front fitter N Primary baffle N Optical bench ps Secondary baffle Door Assembly Fic 4 1 El ments optiques et mod lisation 44 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 4 1 1 Banc optique Le banc optique fournit la stabilit m canique n cessaire aux l ments optiques du t les cope Le mat riau choisi est l Invar pour minimiser les d formations m caniques et la dilatation thermique du banc optique Celle ci doit rester inf rieure 50 wm pour main tenir l alignement des miroirs primaire et secondaire et ainsi toujours former l image dans le plan focal o est plac le d tecteur Une peinture noire recouvre la face du banc sur laquelle sont fix s les l ments optiques La g om trie complexe du banc optique figure 4 2 est mod lis e par un trap ze de di mensions suivantes Petite base 105 mm Grande base 134 mm Longueur 542 mm Le banc optique est divis en dix noeuds thermiques des num ros 1 2
93. e coupling homogeneous GL 15021 15031 3 033E 02 Edge coupling homogeneous GL 15022 15023 3 748E 03 Edge coupling homogeneous GL 15022 15032 2 938E 02 Edge coupling homogeneous GL 15023 15024 3 748E 03 Edge coupling homogeneous GL 15023 15033 2 848E 02 Edge coupling homogeneous GL 15024 15034 2 764E 02 Edge coupling homogeneous GL 15025 15026 6 386E 03 Edge coupling homogeneous GL 15025 15030 2 512E 02 Edge coupling homogeneous GL 15025 15100 5 759E 03 Edge coupling homogeneous GL 15026 15027 6 720E 03 Edge coupling homogeneous GL 15026 15031 2 384E 02 Edge coupling homogeneous GL 15027 15028 7 054E 03 Edge coupling homogeneous GL 15027 15032 2 269E 02 Edge coupling homogeneous GL 15028 15029 7 388E 03 Edge coupling homogeneous GL 15028 15033 2 164E 02 Edge coupling homogeneous GL 15029 15034 2 068E 02 Edge coupling homogeneous GL 15030 15031 6 391E 03 Edge coupling homogeneous GL 15030 15100 5 761E 03 Edge coupling homogeneous GL 15031 15032 6 725E 03 Edge coupling homogeneous GL 15032 15033 7 059E 03 Edge coupling homogeneous GL 15033 15034 7 393E 03 Edge coupling homogeneous GL 15600 15602 1 266E 02 Edge coupling homogeneous GL 2 15600 2 532E 02 Edge coupling homogeneous GL 15030 15600 1 827E 02 Edge coupling homo
94. e doigt froid dans le but de maintenir en permanence le d tecteur une temp rature entre 20 C et 40 C pour minimiser le bruit thermique dans les mesures Les contaminants se condensant d autant plus facilement que la surface rencontr e est froide tendent alors se d poser sur le d tecteur ce qui est particuli rement pr judiciable pour Vobservation en extr me ultraviolet C est pourquoi des chaufferettes sont pr vues per mettant d augmenter la temp rature du d tecteur pour volatiliser les particules De telles op rations de d contamination seront r guli rement effectu es au cours de la mission de Vinstrument en orbite D autres l ments du FPA dissipent galement de la puissance pour un total de 525 mW Les chaufferettes utilis es dans les op rations de d contamination ont une puissance moyenne en fonctionnement de 6 W Ces valeurs sont introduites dans le fichier de dissi pation de Thermica P TAN reproduit en annexe C la section C 2 Electronique de proximit de lecture des pixels du d tecteur lampes de calibration 51 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP 4 1 8 Radiateur La fonction principale du radiateur est de permettre un refroidissement optimal du d tec teur entre 20 C et 40 C En dec le d tecteur pourrait subir des dommages irr versibles Le refroidissement ne doit pas non plus tre trop efficace pour permettre au d tecteur d at teindre une temp ratu
95. e du satellite Le pied arri re massif et rigide est fix sous l arri re du banc juste devant le FPA et le miroir primaire qui sont 54 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 les l ments les plus lourds Il est en Invar pour minimiser les effets de gradient thermique interne entre le pied et le banc optique Flight hood Rear foot N Optical bench t A Front foot Alignment reference cube FIG 4 12 Pieds supportant l instrument SWAP Dans le mod le g om trique ces pieds ne sont pas repr sent s directement Leur effet du point de vue conductif est calcul et une conductance entre le banc optique et la base de la plateforme sur laquelle repose le pied est entr e directement dans le mod le La temp rature de la base de la plateforme est impos e par l utilisateur Sa valeur r sulte d un mod le thermique de la structure du satellite calcul par l entreprise Verhaert ma tre d oeuvre de Proba 2 Elle fournit une liste des temp ratures des diff rents noeuds de la structure du satellite 4 2 2 Effet de la structure du satellite et des autres instruments Pour repr senter l environnement radiatif de l instrument SWAP est plac dans une bo te en bleu sur la figure 4 14 mod lisant la structure du satellite et les autres instruments Dans le mod le Thermica seules les faces de cette bo te tourn es vers SWAP sont actives faces n gatives La temp rature de ces faces est
96. e trap zo dale d Invar de 1 mm d paisseur et de 65 mm de hauteur fix e sur les re bords lat raux du banc optique Le capot permet de prot ger les l ments optiques de la contamination externe et des rayons lumineux hormis une ouverture de 37 mm de diam tre perc e dans la face d entr e Les structures d attache de la porte emp chent un clairement du filtre sur toute sa sur face Les faces internes du capot sont noires pour viter des r flexions parasites Des trous de ventilation sont galement pr vus afin de permettre la d pressurisation progressive de l instrument lors de la phase de lancement Le doigt froid et le radiateur sont galement visibles la figure 4 9 Les fils d araign e apparaissant sur la face d entr e r sultent de la construction g om trique sous Thermica d une plaque perc e d un trou Enfin une bo te appel e connectors box en rouge sur la figure 4 1 remplace une partie de la face gauche du capot Elle contient les connecteurs lectriques et lectroniques de Vinstrument SWAP Ces composants lectroniques dissipent une puissance totale de 1100 mW La bo te de connecteurs n est pas introduite telle quelle dans le mod le thermique 52 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 Fic 4 9 Mod lisation du capot de SWAP mais la puissance dissip e est introduite dans le fichier de dissipation de Thermica et son effet sur la masse du capot est p
97. el chaud El ment Noeud Temp CC Temp C Temp C C_Parfait C_Interm C_Mauvais Filtre 100 42 02 44 89 54 77 110 61 96 64 26 72 18 120 75 47 77 35 83 76 130 84 31 85 90 91 31 140 96 83 97 98 101 88 Support 200 30 03 29 96 29 71 Face_filtre 300 29 61 29 77 29 37 Banc optique 2 28 57 28 55 28 51 Entr e 15100 33 47 33 46 33 44 TAB 5 15 Temp ratures stationnaires de l ensemble filtre pour diff rents contacts 86 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 La temp rature moyenne du filtre respectivement pour un contact parfait interm diaire et mauvais est de 61 6 C de 63 8 C et de 71 7 C soit une variation d une dizaine de degr s Le comportement aux hautes temp ratures d un tel filtre n est pas connu et sa r sistance n est pas garantie Ainsi il pourrait tre int ressant d assurer le meilleur contact possible entre le filtre et son support Ceci peut se faire en intercalant un anneau d interface d un mat riau tr s bon conducteur tel que l Indium par exemple La chaleur du filtre est transmise par conduction au support et par suite la plaque fix e au banc optique Enfin la chaleur de la plaque est vacu e conductivement vers le noeud 2 du banc optique Le tableau 5 15 indique que les variations de temp ratures de ces l ments en fonction de la qualit du contact sont tr s faibles D autre part la face d entr e n est pas affect
98. ement thermique Ce mod le a ensuite t plac en or bite et les diff rentes configurations de l instrument au cours de sa vie en orbite ont t simul es modes op rationnels en cas chaud et froid d but de vie de l instrument avant l ouverture de la porte op rations de d contamination du d tecteur etc Les r sultats obtenus ont t analys s et ont permis d tablir certaines constatations propos des choix de conception de l instrument D apr s la mod lisation effectu e en mode op rationnel le contr le thermique envisag ne permet pas d obtenir une temp rature de d tecteur dans la plage sp cifi e entre 20 C et 40 C Si cela se confirme par d autres mod lisations ou par des tests il faudra envisager une am lioration du syst me de refroidissement du d tecteur en particulier au niveau de la conception du radiateur Plusieurs pistes ont t propos es du point de vue thermique sans consid rer en profondeur leur faisabilit technique 107 Concernant les autres l ments de l instrument SWAP les sp cifications voulues semblent tre remplies En particulier la dilatation thermique du banc optique reste largement inf rieure la limite garantissant l alignement des miroirs N anmoins certains points pourraient devenir critiques et devront faire l objet d une v rification ult rieure Outre le cas du filtre d entr e d j voqu la mod lisation effectu e montre que les miroir
99. emp rature d quilibre Ceci est probablement d des effets num riques Enfin la temp rature des autres l ments de l instrument varie peu au cours d une orbite Ils pr sentent en g n ral une capacit calorifique lev e ce qui se traduit par une inertie thermique importante Ainsi les temp ratures du banc optique et du capot ne changent pratiquement pas AT lt 0 05 C autour de la valeur d quilibre Les temp ratures de la porte des miroirs et des autres l ments optiques sont peu modifi es Par contre les l ments pr sentant une faible inertie thermique tels que le MLI ou le filtre voient leur temp rature varier l g rement AT lt 0 5 C Ceci est probablement d des effets num riques la convergence tant plus difficile atteindre pour des l ments de faible masse En conclusion la l g re variation des flux externes absorb s par le radiateur a peu d in fluence sur le comportement thermique des diff rents l ments y compris pour le d tecteur 75 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique 5 1 2 Mode op rationnel cas froid Le cas froid correspond des propri t s thermo optiques des rev tements en d but de vie et une constante solaire minimale de 1320 W m La temp rature d quilibre ra diatif de la Terre est alors de 252 6 K pour un alb do de 0 3 La temp rature locale de la structure du satellite est de 19 0 C sous le pied avant et 0 5 C
100. en applica tion spatiale et adapt l imagerie en extr me ultraviolet Ce domaine de longueur d onde permet d observer l atmosph re du Soleil dont les perturbations temporelles suivant un cycle de onze ans provoquent les changements de la m t orologie spatiale pouvant affecter les activit s humaines sur Terre et dans l espace Le deuxi me chapitre constitue une synth se des principes th oriques n cessaires la mod lisation thermique des instruments spatiaux Les tapes successives sont abord es de la d finition de la g om trie de l instrument la r solution des quations de bilan ther mique Finalement les enjeux de la mod lisation thermique de l instrument SWAP sont d finis poursuivant un objectif de validation de la conception de l instrument en simulant les diff rentes phases de la mission Une premi re illustration des principes g n raux d une mod lisation thermique est r alis e au troisi me chapitre dans lequel le filtre d entr e de l instrument SWAP fait l objet d une attention particuli re Diff rentes hypoth ses sont pos es pour la mod lisation de cette feuille d aluminium renforc e par une grille de nickel Par ailleurs les mesures des pro pri t s thermo optiques du filtre effectu es CSL sont exploit es Enfin un test devant un simulateur solaire est pr vu prochainement l ESTEC en vue de lever certaines in certitudes concernant les propri t s du filtre Dans
101. ennent un temps similaire changer les paisseurs relancer le calcul automatique et r unir les r sultats dans un m me fichier Les paragraphes suivants donnent quelques exemples de calculs de conductances rassem blant les r sultats sous forme de tableaux Conductances entre noeuds du banc optique Les conductances entre les diff rents noeuds du banc optique sont calcul es en utilisant les paisseurs quivalentes du tableau 4 1 et la formule 2 12 des conductances en s rie Calculons par exemple la conductance entre les noeuds 1 et 2 Pour les deux l ments en Invar Si So leontact y 1 et 2 274 36 107 m 4 4 d o z r C 1 2 _ 7 6 357 107 W K 4 6 kinv Si kinv S2 Des calculs similaires sont effectu s pour les conductances entre les diff rents noeuds Le tableau 4 6 regroupe les diff rents r sultats Par rapport un banc optique sans raidisseurs les liens conductifs sont am lior s 4 4 3 Conductances du capot Les conductances entre les diff rents l ments du capot faces de gauche de droite arri re et d entr e sont calcul es correctement par Thermica ces l ments tant des plaques se pr sentant ar te contre ar te La v rification manuelle donne exactement les m mes r sul tats Comme expliqu ci dessus la conductance du banc optique avec les faces d entr e 60 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 C Valeur W K C 1
102. ent mais mod lis es par une conductance directe entre le miroir et le banc optique Les miroirs sont mod lis s par des disques de diam tre appropri 4 1 6 Ensemble filtre arri re Le filtre arri re plac devant le bloc focal emp che les rayons visibles r siduels d atteindre le d tecteur Comme pour le filtre avant le filtre arri re est pos sur un support d alumi nium lui m me plac sur une plaque fix e au banc optique figure 4 6 Le diam tre du filtre est de 28 48 mm et celui du support de 42 16 mm La mod lisation de l ensemble est en tout point similaire celle du filtre d entr e effectu e au chapitre 8 49 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP Flight hood fixation screw FPA filter mount Primary baflle fixation screws FPA filter FPA filter clamping ring FPA labyrinth OB fixation screws Fic 4 6 Ensemble du filtre arri re 4 1 7 Ensemble FPA et doigt froid Le design de l ensemble FPA tudi et fabriqu par l entreprise OIP est pr sent la figure 4 7 Radiator mount Interface structure to Copper the flight hood Baffle cold cup Thermal link Clamp Fic 4 7 Vue g n rale du bloc focal et d tails Sous Thermica l ensemble FPA est fortement simplifi figure 4 8 et comporte unique ment les l ments suivants Le d tecteur CMOS La cold cup baffle ent
103. eous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous Annexe C Fichiers n cessaires a la r solution par le solveur Esatan Les fichiers d entr es pour la r solution des quations de bilans thermiques r capitul s a la section 4 8 sont reproduits dans cette annexe Le fichier r capitulatif des conductances entre les diff rents l ments a t reproduit l annexe B C 1 Fichier N TAN description des noeuds Le fichier N TAN reproduit ci dessous correspond aux temp ratures aux limites en cas chaud NODES D 1 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 1696E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 2 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 1696E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 3 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 2325E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 4 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 2325E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 5 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 2954E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 6 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 2954E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 7 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02 A 1 3583E 02 ALP 0 960 EPS 0 880 D 8 lt 1 gt BANC OPTIQUE Quadran0 T 0 000E 00 3518E 02
104. es non op rationnels d con tamination mode survie proprement dit porte ferm e sont reprises dans les tableaux 5 9 5 14 Rappelons que le mode d contamination a t mod lis en cas chaud et le mode survie correspond une structure de satellite 40 C Mode d contamination et porte ferm e Le banc optique a une temp rature moyenne de 26 7 C en mode d contamination et de 8 1 C en mode porte ferm e avant l op ration de d contamination Les extr mes de temp ratures du banc optique restent l int rieur de l intervalle 40 C 70 C La dila tation et ou contraction thermique de ce banc est calcul e la section 5 3 3 Les conclu sions sont les m mes concernant le capot La temp rature de la face d entr e lors des op rations de d contamination est d environ 37 C La temp rature de la porte reste lar gement inf rieure 70 C pour des estimations raisonnables de la valeur de la conductance avec la face d entr e y compris lors de l op ration de d contamination juste avant le d clenchement du m canisme d ouverture Les temp ratures des miroirs primaires lors des op rations de d contamination sont de 15 9 C et de 33 1 C 7 6 C et 13 9 C avec la porte ferm e sans d contamination Cela reste bien l int rieur de la plage sp cifique de 40 C 60 C impos e par les colles en mode survie Les autres l ments optiques y compris le filtre d entr e dont la temp rature aug
105. est particuli rement critique pour le banc optique d Invar sur lequel sont fix s les diff rents l ments optiques du t lescope pour maintenir l alignement des miroirs primaire et secondaire la dilatation thermique du banc doit rester inf rieure 50 um Contrairement la premi re intuition ce n est pas le gradient de temp rature existant entre l avant et l arri re du banc optique qui importe mais bien la diff rence entre la temp rature moyenne du banc en orbite et la temp rature laquelle les l ments ont t align s lors de l int gration de l instrument au sol soit 20 C Le tableau 5 17 indique les dilatations AL du banc optique en um pour les diff rentes phases de la mission Le coefficient a de dilatation thermique du type d Invar utilis pour Vinstrument SWAP est de 1 3 ym m K la longueur L du banc optique est de 542 mm et AT est l cart de temp rature par rapport 20 C Le signe indique une contraction du banc optique 93 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Mode Tmoyen BO AT AL AL CC CC um Op rationnel chaud 19 3 0 7 9 1 10 77 0 493 Op rationnel froid 8 6 11 4 1 48 1075 8 032 D contamination 26 7 6 7 8 711076 4 721 Porte ferm e 8 1 11 9 1 57 1075 8 385 TAB 5 17 Dilatation thermique du banc optique pour les diff rentes phases de la mission En conclusion les dilatations et contr
106. ette conductance est appliqu e entre les noeuds 1 et 2 du banc optique et le noeud 800 de la structure du satellite sur lequel repose le pied avant Pied arri re Le pied arri re en Invar conductivit thermique k 12 5 W m K est repr sent la figure 4 17 Platform fixation screws Fic 4 17 Pied arri re 63 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP Selon le m me principe de calcul annexe B section B 5 la conductance du pied arri re pour un contact parfait avec le banc optique est de Cpied AR Inv 3 303 107 W K 4 11 Cette conductance est appliqu e cette fois entre les noeuds 9 et 10 du banc optique et le noeud 803 de la structure du satellite Un pied arri re en titane approximativement deux fois plus isolant que l Invar conducti vit thermique k 6 7 W m K aurait une conductance de Cpied AR Ti 1 770 107 W K 4 12 D autre part la valeur de cette conductance varie selon la qualit du contact avec le banc optique Le tableau 4 8 indique selon la valeur de la conductivit surfacique de contact kcontact quation 2 15 la conductance du pied arri re Kontact W m K Car Inv W K Car ritW K 100 7 699 107 6 406 107 500 1 992 1071 1 309 1071 1000 2 485 107 1 505 1071 TAB 4 8 Influence de la conductivit surfacique de contact pour le pied arri re L influence du mat riau du pied arri re et de la variation de conductance selon la qualit d
107. f 1500 1 2578 107 14 75 Autres 4 35 Total 8 5296 10 8 5296 10 TAB A 15 Equilibre du bloc contact interm diaire 116 R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Annexe MLI i e noeud 1400 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 1 5558 100 Cuve 1600 8 3531 10 1 53 69 Plaque 1500 6 0446 107 38 85 Espace froid 999 1 0475 1071 6 73 Autres 0 73 Total 1 5558 1 5558 TAB A 16 Equilibre du MLI contact interm diaire A 3 Mauvais contact Filtre noeud 100 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Filtre conductif 110 9 6143 107 60 17 Soleil 6 3601 1072 39 80 Autres 0 03 Support conductif 200 1 4827 107 92 79 Bloc 600 8 8035 1073 5 51 Autres 1 70 Total 1 5979 1071 1 5979 107 100 TAB A 17 Equilibre du noeud 100 mauvais contact 117 Annexe A R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Filtre noeud 110 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W wW Soleil 6 5111 10 2 57 38 Filtre conductif 120 4 8336 107 42 60 Autres 0 02 Filtre conductif 100 9 6143 107 84 73 Bloc 600 1 2180 107 10 73 Autres 1500et1600 4 54 Total 1 1348 1071 1 1348 107 100 TAB A 18 Equilibre du noeud 110 mauvais contact Filtre noeud 120 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 4 6506 107 70 82 Filtre conductif 130 1 9145 107 29 16 Autre
108. franchir de ce param tre en rendant la conduction entre deux l ments tr s faible par interposition de rondelles isolantes Lorsqu un bon contact est n cessaire au contraire des conducteurs de contact or graisse conductrice etc peuvent tre utilis s L application de la formule 2 12 des conductances en s rie donne 1 1 1 1 2 14 Ci_2 Ci s Cs Cs_2 ou C est la conductance de contact calcul e par Cs kcontact Scontact 2 15 avec kcontact la conductivit surfacique de contact en W m K et Scontact la surface de contact La conductivit surfacique peut varier de 100 W m K pour un contact m tal m tal sec sous vide et peu soign 50 000 W m K pour de tr s bons assemblages sur de petites surfaces avec un joint ou une graisse de contact r f rences 7 et 8 2 2 3 Les flux externes Le flux solaire QS Le spectre du rayonnement lectromagn tique solaire s tend sur presque toute la gamme des longueurs d onde La quasi totalit de l nergie est r partie dans le proche UV 0 12 0 3 um dans le spectre visible 0 3 0 75 um et dans l infrarouge 0 75 10 um Ce spectre correspond approximativement au rayonnement d un corps noir 5800 K En p riode de forte activit solaire la zone des rayonnements nerg tiques du spectre UV et au del est fortement amplifi e Le flux solaire moyen au voisinage de la Terre est de 1365 W m Cette valeur appel e constante solaire e
109. froid est Q5 1 285 W Les conditions aux limites impos es sont de 19 0 C pour le noeud 800 0 5 C pour le noeud 803 et 5 4 C pour le noeud 6 repr sentant l environnement Le tableau 5 22 indique les temp ratures du mod le r duit El ment Noeud Temp rature C Banc avant 1 15 45 Banc arri re 2 0 56 Bo te FPA 3 6 22 Ensemble d tecteur 4 21 87 Radiateur 5 36 48 TAB 5 22 Temp ratures des noeuds du mod le r duit mode op rationnel froid Les temp ratures du mod le complet tableaux 5 5 et 5 8 sont galement retrouv es moins de 0 5 C Par exemple la temp rature du noeud 1 est de 15 93 C dans le mod le com plet et 15 45 C dans le mod le r duit Les flux sont similaires ceux du mod le complet notamment pour l avant du banc optique qui re oit un apport de chaleur non n gligeable de la structure du satellite par l interm diaire du pied avant Mode survie Enfin v rifions la validit du mod le r duit dans le mode survie o les temp ratures des noeuds aux limites sont de 40 0 C Les flux inject s sont cette fois 0 652 W 1 478 W Qi Q 5 30 5 31 Il n y a pas d autres puissances dissip es puisque les lectroniques ne fonctionnent pas 9 dans le mode survie Q2 Q3 Q4 0 Les temp ratures des noeuds du mod le r duit sont list es dans le tableau 5 23 104 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 El
110. fs Les bilans de flux pour les autres l ments se trouvent en annexe A la section A 1 39 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e El ment Noeud thermique Temp rature Filtre 100 5 29 C Filtre 110 29 08 C Filtre 120 45 87 C Filtre 130 57 25 C Filtre 140 74 17 C Support 200 8 55 C Face Filtre 300 9 42 C Bloc 600 9 12 C Face MLI 1400 90 68 C TAB 3 9 Temp ratures des diff rents l ments pour un contact parfait Fic 3 12 Carte de temp rature du filtre d entr e Bilan de flux du filtre noeud 100 El ment Noeud thermique Fluxin W Fluxout W Filtre conductif T10 1 0813 10 62 88 Soleil 6 3601 107 36 99 Autres 0 13 Support conductif 200 1 6688 107 97 05 Bloc 600 3 8592 107 2 24 Autres 0 71 Total 1 7196 107 1 7196 107 TAB 3 10 Equilibre du noeud 100 contact parfait 40 Mod lisation du filtre d entr e Chapitre 3 Bilan de flux du support noeud 200 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Filtre conductif 100 1 6688 107 98 66 Autres 1 34 Face filtre conductif 300 1 6446 107 97 22 Bloc 600 3 0685 1078 1 81 Autres 0 97 Total 1 6916 1071 1 6916 1071 TAB 3 11 Equilibre du support contact parfait Le filtre expos au flux solaire incident vacue ainsi la quasi totalit de sa chaleur par conduction vers son support d aluminium La perte de chaleur par rayonnement est n gligeable en ra
111. geneous GL 1 15602 4 904E 03 Edge coupling homogeneous GL 2 15602 4 904E 03 Edge coupling homogeneous GL 15025 15602 3 053E 03 Edge coupling homogeneous GL 15030 15602 3 053E 03 Edge coupling homogeneous 128 D tails de calculs des conductances thermiques Annexe B GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL GL 25000 25000 25000 25000 25001 25001 25001 25002 25002 25002 25003 25004 55000 55000 55001 55001 55002 55003 55004 10 15100 10 65000 55002 55002 9 15100 15601 15601 15601 15601 15601 15601 15601 15601 15600 15015 15020 15200 15200 25001 25003 25004 25500 25002 25003 25004 25003 25004 25500 25500 25500 55001 55003 55002 55004 55005 55004 55005 800 800 803 803 50000 35500 35000 66000 65000 66000 65000 BR NN NN BB NN N N N H NH N O1 O1 amp ANNAN N NO N NO N Be H CO OO BWR N WN 337E 02 757E 02 153E 02 050E 02 868E 02 123E 02 076E 02 155E 03 155E 03 376E 02 805E 03 805E 03 902E 02 444E 02 062E 05 585E 04 585E 04 405E 05 064E 05 556E 05 556E 05 578E 04 578E 04
112. gradient d une dizaine de degr s entre l avant et l arri re Le comportement thermique du capot est similaire en termes de temp rature moyenne et de gradient entre l avant et l arri re Les temp ratures des l ments optiques descendent galement largement en dessous de 0 C Le tableau 5 12 indique les temp ratures de survie du radiateur et de l ensemble FPA Le d tecteur est une temp rature de 52 5 C Le radiateur est une temp rature moyenne de 58 4 C El ment Noeud Temp C Bo te FPA 65000 45 45 D tecteur CMOS 66000 52 52 Cold cup 66000 52 52 Doigt froid 66000 52 52 Radiateur 55000 59 03 55001 58 60 55002 57 24 55003 59 05 55004 58 67 55005 57 76 TAB 5 12 Mode survie temp ratures du FPA et du radiateur Il sera v rifi la section 5 3 que les temp ratures des l ments de l instrument res tent bien dans leur plage de temp ratures non op rationnelles en particulier concernant le d tecteur CMOS et les miroirs primaire et secondaire 5 1 6 Mode porte ferm e Le mode porte ferm e correspond au d but de la vie de l instrument en orbite avant le d clenchement du m canisme d ouverture de la porte Le lancement est pr vu en f vrier 2007 c est dire lorsque la constante solaire est proche du maximum Les rev tements pr sentent des caract ristiques thermo optiques non d grad es Les conditions aux limites impos es
113. gradient de 17 C est observ entre l avant et l arri re du capot La dissym trie entre la gauche et la droite en raison de la puissance dissip e dans la boite de connecteurs est toujours pr sente La porte recouverte de peinture blanche non d grad e expos e au flux solaire et reli e conductivement la face d entr e de l ins trument est une temp rature de 16 8 C pour 34 0 C en mode op rationnel chaud Enfin le tableau 5 8 indique les temp ratures de l ensemble FPA et du radiateur La temp rature du noeud 66000 est de 21 33 C correspondant approximativement celle du d tecteur La temp rature moyenne du radiateur est de 36 6 C D autre part comme en mode op rationnel chaud les temp ratures du radiateur varient d environ 0 5 C autour de la valeur stationnaire du tableau 5 8 en fonction des flux infrarouge et alb do terrestres absorb s El ment Noeud Temp C Bo te FPA 65000 5 44 D tecteur CMOS 66000 21 33 Cold cup 66000 21 33 Doigt froid 66000 21 33 Radiateur 55000 38 43 55001 37 08 55002 33 57 55003 38 45 55004 37 24 55005 34 85 TAB 5 8 Mode op rationnel froid temp ratures du FPA et du radiateur 5 1 3 Simulation des clipses Les clipses alternances jour nuit d une orbite de noeud ascendant 18 h ont lieu en p riodes de solstices Dans ce qui suit les clipses sont simul es en mode op rationnel froid et au jour du solstice d
114. gt Face_Filtre Exte lt 1 10 gt FiltreAR Disc3 lt 1 10 1 gt FiltreAR Disc lt 1 10 2 gt FiltreAR Disc lt 1 10 3 gt FiltreAR Disc lt 1 10 4 gt FiltreAR Disc lt 1 12 gt SupportAR Disc3 lt 1 11 gt Face_FF_AR Exte SC_Mount1 SC_Mount2 SPACE lt 5 3 gt Devant RectangO lt 5 4 gt Dessus RectangO lt 5 gt cote Rectang0 lt 8 gt Pyramide_MLI Quadr lt 7 gt Jupe_MLI Extern 1 lt 6 gt Plaque_Cu Rectangi lt 6 1 gt Plaque_Cu Rectan lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 1 gt SWAP_Gauche Rect lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang lt 2 3 gt SWAP_Arr Rectang lt 2 2 gt SWAP_Droite Rect lt 2 2 gt SWAP_Droite Rect 142 72 51 14 03 64 95 00 22 28 68 69 59 52 46 37 TT 82 00 54 00 76 38 38 70 07 17 54 13 13 72 10 64 16 52 16 59 27 49 46 00 82 23 12 oooooo0oco0oeo0qoqoq0q0qco0o coo 0o0o0o0ooo0ooooo0o0o0o0o0o0o0o0o0o0oooooooo of 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0
115. haque noeud doit repr senter un l ment dont la temp rature est suffisamment homog ne pour tre mod lis par une valeur de temp rature unique Par cons quent les zones pr sentant des gradients thermiques importants sont d coup es fi 13 Chapitre 2 La mod lisation thermique des instruments spatiaux nement tandis que les quipements homog nes fortement li s peuvent constituer un seul noeud thermique Le mod le d taill de l instrument SWAP est form par l assemblage de mod les locaux comportant un petit nombre de noeuds comme celui du filtre d entr e voir chapitre 3 ou du bloc focal de l instrument Enfin un mod le r duit comportant entre 3 et 10 noeuds est labor partir du mod le complet de l instrument et r sume son comportement thermique Le mod le r duit permet d effectuer ais ment une boucle d interaction entre les mod les thermiques des diff rentes parties du satellite lors de leurs laborations en parall le Enfin ce mod le r duit est utilis pour repr senter SWAP dans le mod le thermique complet du satellite Proba 2 2 2 Constitution d un mod le thermique Un mod le thermique est constitu de N noeuds thermiques chacun caract ris par un certain nombre de propri t s La temp rature T exprim e en degr s Celsius ou Kelvin La capacit calorifique C en Joule par Kelvin La puissance thermique dissip e Q en Watt Ces param tres peu
116. i OT ad hie 4 oT rad sink Fic 5 12 D finition de la temp rature de puits et de l missivit quivalente L missivit quivalente er est d finie partir de la temp rature de puits de la fa on suivante 1 R qi o ee Takma 5 6 i l Ee 1 ISe z s 5 7 419 SFisink ef fSi o S et e1 sont la surface et l missivit du radiateur Le radiateur ne se voyant pas lui m me Fisink est gal l unit En appliquant cette quation avec qi le flux provenant de l instrument et Trad la temp rature moyenne du radiateur en mode op rationnel chaud il vient Eef f 0 98 5 8 Enfin la temp rature imposer la face sup rieure de la tente pour obtenir un flux quivalent est d termin e de mani re similaire la formule 5 2 Il vient Thon 67 40 5 9 5 4 3 R sultats Les quations de bilan thermique du dispositif du test de balance thermique tel que mod lis la figure 5 11 avec les conditions aux limites impos es sont r solues par le solveur Esatan 97 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Le tableau 5 18 indique les temp ratures du radiateur et de l ensemble FPA obtenues La liste compl te des temp ratures pour les diff rents noeuds de l instrument ainsi que celles de la jupe et de la pyramide de MLI est reproduite l annexe D El ment Noeud Temp C Bo te FPA 65000 3 92 D tecteur CMOS 66000 13
117. ience de la mission EIT Bien que SWAP ne dispose que d un seul canal d observation 17 4 nm la t l m trie de Proba 2 et le syst me de traitement d images visera l objectif d une image toutes les deux minutes contre une image toutes les 15 minutes pour EIT Cette cadence plus lev e permettra de mieux cerner les ph nom nes dynamique lev e accompagnant les ph nom nes coronaux en particulier les CME SWAP compl tera galement les mesures de la mission STEREO SECCHI de la NASA dans laquelle deux satellites quip s d ima geurs EUV permettront de reconstruire partir de deux sites d observation diff rents des images tridimensionnelles des CME Le programme de m t orologie spatiale de la NASA pr voit galement le lancement de l observatoire solaire SDO en 2008 quip de plusieurs instruments compl mentaires tant par les domaines de longueurs d onde dans lesquels ils op rent que par la r gion du Soleil qu ils observent pour une meilleure compr hension globale de la dynamique du Soleil 12 Chapitre 2 La mod lisation thermique des instruments spatiaux L objectif du contr le thermique est d assurer chaque l ment d un instrument spatial tel que SWAP et pendant toutes les phases de la mission un environnement thermique per mettant son fonctionnement nominal Pour d finir et estimer les performances du controle thermique l instrument SWAP est mod lis avec le logiciel THERMICA d
118. ieux des capteurs de temp rature lors des tests Ces si mulations s adaptent aussi bien pour des tests sur les mod les de qualification que sur le mod le de vol de l instrument Enfin le mod le r duit est labor partir du mod le thermique complet de l ins trument SWAP et permet d interagir entre les diff rents mod les labor s pour les sous syst mes du satellite chacun constituant les conditions aux limites impos es l autre Ce mod le r duit est galement utilis pour repr senter SWAP dans le mod le final complet du satellite Proba 2 21 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e Une des principales difficult s dans la mod lisation thermique de l instrument SWAP est de pr voir le comportement du premier filtre d aluminium expos en permanence au flux solaire incident Apr s une premi re section d crivant ce filtre sa courbe de BRDF me sur e CSL est exploit e afin d en d terminer certaines propri t s thermo optiques Sont ensuite abord es les hypoth ses associ es la mod lisation thermique du filtre illustrant les principes th oriques abord s au chapitre pr c dent Enfin une simulation du compor tement du filtre devant un soleil artificiel est effectu e afin de pr parer le test pr vu VESTEC en juin 2005 3 1 Description du filtre L observation du Soleil dans l extr me ultraviolet 17 4 nm requiert d liminer l entr e de l instrument les rayons visi
119. igure 4 5 montre les miroirs primaire et secondaire plac s sur leur monture en Invar Les miroirs sont recouverts d un rev tement multi couches s lectionnant une troite bande de longueur d onde de 1 5 nm de largeur mi hauteur centr e sur 17 4 nm et permettant la r flexion en incidence normale d une telle longueur d onde EUV ordinairement absorb e par les mat riaux Le mat riau substrat des miroirs est le Z rodur verre c ramique tr s homog ne dont les caract ristiques m canique et thermique sont tr s stables sur une large gamme de temp ratures Les miroirs sont coll s sur une cellule d interface pour transmettre un minimum de contraintes la surface optique Cette interface est viss e la monture proprement dite 48 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 Capture de R ALB96 SWAP 2837_02_02_00 CATPat CATProduct 21 03 2005 Fic 4 5 Miroirs et montures elle m me fix e sur le banc optique de SWAP et fournissant la rigidit et la stabilit n cessaire l ensemble L inclinaison des miroirs par rapport leur position de r f rence ne peut d passer 15 arcsecondes Les colles sont critiques du point de vue thermique en dehors de leur plage de temp rature limite 40 C 60 C section 2 5 la perte des performances m caniques pourraient en tra ner un d salignement irr versible des miroirs Dans le mod le Thermica les montures ne sont pas repr sent es directem
120. ille de renfort en nickel sont repr sent s de mani re unique avec un mat riau quivalent alliage de nickel et d aluminium Pour la conduction une paisseur quivalente est prise en compte Les d tails du montage du filtre sur son support fin anneau d inter face vis etc ne sont pas repr sent s directement mais mod lis s par une conductance de contact entre le filtre et son support Enfin cet ensemble est plac en retrait de 12 mm de l entr e de l instrument Cette dis tance a son importance pour la faible composante de r flexion diffuse du filtre vers la face d entr e de SWAP et vers le banc optique 4 1 3 Baffles optiques Deux baffles optiques montr s la figure 4 3 prot gent le bloc focal et le d tecteur d une vue directe avec le filtre d entr e en emp chant la dispersion des rayons parasites Le baffle primaire est situ entre le miroir primaire et l ensemble FPA tandis que le baffle secon daire est plac entre le filtre d entr e et le miroir secondaire L Invar est choisi comme mat riau pour viter d introduire des contraintes sur le banc optique induites par le gra dient thermique des baffles Une peinture noire est appliqu e pour emp cher la r flexion des rayons lumineux Les baffles optiques pr sentent une forme en U assurant la conduction avec le banc optique et la face sup rieure du capot Des petits raidisseurs renforcent la rigidit du baffle pri maire tandis que les rebord
121. iltre est de 50 1 C 15 93 12 72 9 15 5 58 2 01 1 56 21 33 Fic 5 5 Cartes des temp ratures du banc et des l ments optiques cas froid 77 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Le tableau 5 7 liste les temp ratures des diff rents noeuds du capot de la face d entr e de la feuille de MLI enveloppant l instrument et de la porte La figure 5 6 montre la carte des temp ratures du capot El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C Capot 15001 15 94 Capot 15015 15 71 Capot 15025 15 80 gauche 15002 16 95 droite 15016 13 76 haut 15026 14 95 15003 12 39 15017 9 35 15027 9 76 15004 8 14 15018 5 48 15028 6 22 15005 0 96 15019 1 95 15029 0 81 15006 15 92 15020 15 67 15030 15 70 15007 17 37 15021 13 67 15031 13 81 15008 12 87 15022 9 31 15032 9 37 15009 8 66 15023 5 59 15033 5 73 15010 0 32 15024 2 43 15034 2 43 Capot 15011 1 15 MLI 25000 5 25 arri re 15012 1 46 bo te Entr e 15100 16 64 15013 0 62 MLI 25500 61 51 Porte 50000 16 82 15014 1 84 entr e TAB 5 7 Mode op rationnel froid temp ratures du capot du MLI et de la porte 17 37 13 97 10 19 6 41 2 63 1 15 78 Fic 5 6 Carte des temp ratures du capot cas froid R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 Comme pour le banc optique un
122. impos e par l utilisateur Sa valeur est calcul e comme la moyenne arithm tique des temp ratures des noeuds de la structure et de la charge utile de Proba 2 entourant l instrument SWAP Enfin les surfaces internes du satellite en aluminium sont anodis es noires missivit proche de celle de la peinture noire 4 2 3 Panneaux solaires Il y a deux types de panneaux solaires pour le satellite correspondant deux modes d observation Le principal divis en deux panneaux de chaque c t est actif lorsque les instruments d observation du Soleil SWAP LYRA etc fonctionnent Le panneau unique arri re est utilis lors de l activation des instruments d observation de la Terre La confi guration mod lis e ici est celle correspondant l observation du Soleil 59 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP Direction du Soleil Fic 4 13 Vue g n rale du satellite Proba 2 Dans le mod le g om trique les deux types de panneaux sont repr sent s comme le montre la figure 4 14 ele System System Fic 4 14 Mod lisation de Proba 2 et des panneaux solaires Les temp ratures de ces panneaux dont les valeurs sont fournies par Verhaert sont galement impos es par l utilisateur Seules les faces voyant le radiateur sont actives et leur missivit est celle de la peinture blanche Le flux provenant de ces panneaux solaires constitue une part importante environ 30 du flux total recu pa
123. infrarouge n est pas pr vue 3 3 Mod lisation g om trique La mod lisation du filtre est r alis e dans l environnement Modeler du logiciel Ther mica La figure 3 7 montre la mod lisation g om trique du filtre et de son support pos sur la plaque fix e au banc optique Face filtre n ud 300 Support n ud 200 Filtre n uds 100 140 k x System Fic 3 7 Filtre support et plaque 29 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e La figure 3 8 indique la mod lisation de l entr e de l instrument dont la face avant est recouverte d une feuille de MLI en jaune Le diam tre de l ouverture d entr e est de 37 mm correspondant un clairement de 93 de la surface du filtre ax System Fic 3 8 Vue de devant du bloc d entr e Le tableau 3 2 explicite les diff rents l ments de ce bloc d entr e avec leurs mat riaux rev tements et paisseurs El ment Noeud thermique Mat riau Coating Coating Epaisseur mm Filtre 100 140 Bulk Filtre Filtre elani Support 200 Alu6061 Chemz306 Chemz306 2 54 Face_filtre 300 Invar Chemz306 Chemz306 4 Basl 400 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Bas2 500 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Haut1 600 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Haut2 700 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Cot l 800 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Cot 2 900 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Cot 3 1000 Invar Chemz306 Chemz306 1 5 Cot 4 1100 Invar Chemz306 Chemz306 1
124. ion r elle la porte est reli e conductivement de mani re complexe la face d entr e de Vinstrument Il faudrait tenir compte du passage de la chaleur au tra vers des charni res ensuite des charni res la structure d attache verticale fix e la face d entr e en plus de l effet des vis d assemblage En mod lisant de fa on extr mement simplifi e la conductance de cette structure d at tache de la porte la face d entr e sera celle d un barreau en invar de longueur gale la hauteur de l attache et de section constante gale la section moyenne sur la hauteur de l attache Apr s calculs dont les d tails sont donn s l annexe B section B 4 il vient C 15100 50000 1 014 W K 4 9 Il s agit bien entendu d une approximation assez grossi re dont l influence sera tudi e lors d une tude de sensibilit la section 5 2 62 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 4 4 6 Liaison SWAP PROBA introduction des pieds Pied avant Le pied avant en titane conductivit thermique k 6 7 W m K est repr sent la figure 4 16 OB fixation screws M4 Front feet Titanium Platform fixation screws M5 Fic 4 16 Pied avant Assimilant la structure verticale 4 des barreaux de section variable la conductance totale pour le pied avant d tails du calcul en annexe B la section B 5 est Cpiea AV 1 772 10 W K 4 10 Dans le mod le c
125. ion thermique proche de celle en orbite cherchant obtenir des flux quivalents ceux de la structure du satellite es 0 86 en mode op rationnel chaud Les parois internes de la tente sont recouvertes de peinture noire panneau 0 9 Les flux mis par la structure du satellite en orbite et par les panneaux de la tente dans la configuration de balance thermique sont re us dans les deux cas par l enveloppe de MLI entourant l instru ment Ainsi pour mod liser des flux quivalents il faut imposer une temp rature Ty au panneau telle que Ysat MLI O Tia A Ypanneau mi1 O Th Th 5 2 sat Les radiosit s Ysat MLI t Ypanneau MLI et la temp rature T1 correspondant Tsat sont issues d une mod lisation sous Thermica 94 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 a IT at Fic 5 10 Configuration du test de balance thermique dans Focal 2 vue de face Fic 5 11 Mod lisation du test de balance thermique 95 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique La temp rature du panneau avant de la tente face l entr e de l instrument est fix e de mani re obtenir le m me flux que celui de la structure du satellite sous le pied avant une temp rature de 29 0 C L quation 5 2 permet ainsi de d
126. isant exception et n a pas de limitation thermique impos e par Verhaert Le centre du filtre peut avoisiner les 100 C en cas chaud pour une temp rature moyenne de 63 8 C dans l hypoth se d un contact interm diaire entre le filtre et son support Le comportement thermique aux hautes temp ratures du filtre d alumi nium et sa grille de renfort de nickel n tant pas connu priori le meilleur contact possible entre le filtre et son support sera recherch D autre part amplitude de la variation de temp rature lors du passage en clipse est d environ quarante degr s L endurance du filtre face de tels chocs thermiques sera prochainement test e PESTEC lors du test devant un simulateur solaire Concernant les l ments optiques supports baffles diaphragme etc l exception des miroirs les temp ratures sont approximativement celles de l endroit du banc optique ot sont fix s les l ments et restent bien dans la plage op rationnelle sp cifi e En ce qui concerne les miroirs rappelons que la plage de temp ratures op rationnelles est de 5 C 35 C impos es par la r sistance m canique des colles Cette plage est bien respect e tant en cas chaud avec un miroir primaire M1 11 0 C et un miroir secondaire M2 28 6 C qu en cas froid avec des temp ratures de M1 et M2 respectivement de 1 0 C et 15 9 C D autre part rappelons que les temp ratures des miroirs sont peu pr s celles de l
127. ison de sa tr s faible missivit Enfin la chaleur du support est transmise la face d Invar noeud 300 et vacu e vers la plaque maintenue a 10 C 3 6 5 R sultats pour un contact interm diaire Le tableau 3 12 donne les temp ratures des diff rents l ments pour un contact interm diaire 500 W m K entre le filtre et son support El ment Noeud thermique Temp rature Filtre 100 8 75 C Filtre 110 31 98 C Filtre 120 48 34 C Filtre 130 59 40C Filtre 140 75 81 C Support 200 8 58 C Face Filtre 300 9 43 C Bloc 600 9 11 C Face MLI 1400 90 68 C TAB 3 12 Temp ratures des diff rents l ments pour un contact interm diaire La temp rature moyenne du filtre est _ Too 4100 T1104110 T120A120 71304130 T140 A140 Atotal Tmoy 31 93 C 3 34 soit trois degr s plus chaud que dans le cas d un contact parfait Les bilans de flux pour les diff rents l ments sont donn s en annexe la section A 2 La chaleur transmise par conduction du filtre vers le support est l g rement inf rieure au cas d un contact parfait Al Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e 3 6 6 R sultats pour un mauvais contact Le tableau 3 13 donne les temp ratures des diff rents l ments pour un mauvais contact 100 W m K El ment Noeud thermique Temp rature Filtre 100 21 01 C Filtre 110 42 16 C Filtre 120 56 95 C Filtre 130 66 87 C Filtre 140 81 45 C Suppo
128. ivit solaire sont l origine des changements de la m t orologie de l environnement spatial Au voisinage de la Terre les flux observables de rayonnements aux hautes nergies et de particules d pendent de l intensit et de la position de l v nement sur le Soleil Tr s nerg tiques ces flux peuvent perturber l activit humaine dans l espace et la vie sur Terre Chapitre 1 L instrument SWAP pour l observation du Soleil Du point de vue terrestre La magn tosph re peut tre vue comme une cavit naturelle au sein du milieu inter plan taire dans laquelle la Terre est relativement prot g e des influences ext rieures Lors d un orage magn tique ou d une ruption solaire une partie des particules parvient tout de m me p n trer dans la magn tosph re terrestre par les cornets polaires Certaines de ces particules vont pr cipiter dans la haute atmosph re ionisant les atomes d oxyg ne et d azote pr sents ces altitudes Ces atomes vont ensuite se recombiner en mettant dans le visible principalement dans le rouge et dans le vert Ce ph nom ne porte le nom d aurores polaires observables habituellement aux hautes latitudes En p riode d intense activit solaire les aurores peuvent exceptionnellement tre visibles jusqu nos latitudes D autre part les particules p n trant dans l atmosph re g n rent de puissants courants lectriques dans l ionosph re Ces courants lectriq
129. l avant jusque 9 et 10 l arri re La face inf rieure du banc optique comporte une s rie de barreaux raidis seurs en Invar visibles la figure 4 2 Cela permet d augmenter la rigidit m canique du banc en vitant un accroissement consid rable de sa masse L paisseur du banc optique FIG 4 2 Banc optique hors raidisseurs est de 1 5 mm Outre l augmentation de rigidit ces raidisseurs ont une influence importante sur le comportement conductif du banc optique De plus le transport de chaleur par conduction est modifi diff remment selon le sens de la longueur direction y ou le sens de la largeur direction x Pour viter une mod lisation complexe de ces raidisseurs deux paisseurs quivalentes ex et ey sont calcul es dans les directions x et y respectivement pour chaque paire de noeuds du banc optique Comme pour la grille du filtre les raidisseurs sont aplatis sur 45 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP toute la surface disponible Ainsi les paisseurs quivalentes sont d finies de la mani re suivante ee M E 4 1 o Vz et Vy sont les volumes des raidisseurs dans les deux directions et A laire de chaque paire de noeuds Pour illustrer le principe de calcul des paisseurs quivalentes prenons l exemple des noeuds 3 et 4 Dans la direction y les trois raidisseurs principaux sont a prendre en compte ainsi que les rebords Sous les noeuds 8 et 4 ils repr se
130. l orbite et de l attitude du sa tellite Les donn es n cessaires au calcul des coefficients de couplage radiatifs internes sont contenues dans le mod le g om trique des surfaces de l instrument et par leurs propri t s thermo optiques La m thode de calcul des flux externes absorb s et des couplages radiatifs internes utilis e par le logiciel Thermica est du type Monte Carlo l nergie rayonn e par les sources So leil Terre ou surface mettrice est d compos e en rayons unitaires portant une fraction de l nergie totale La r partition de la direction de ces rayons ainsi que l nergie trans port e est d termin e de mani re al atoire Le logiciel simule ensuite le parcours de ces rayons travers le mod le g om trique avec les absorptions et les r flexions sur les surfaces rencontr es Cette m thode du suivi des rayons est appel e ray tracing Des m thodes statistiques interviennent toutes les tapes dans la simulation de ce parcours D autre part les conductances entre l ments sont galement calcul es manuellement ou automatiquement par le logiciel Thermica Les dissipations internes sont pr cis es La derni re tape le calcul des temp ratures consiste r soudre le syst me de N quations N inconnues 2 16 ou 2 17 selon le r gime stationnaire ou transitoire Les donn es sont constitu es par le mod le thermique et par les r sultats des tapes pr c dentes Les quatio
131. la r solution par le solveur Esatan D25003 lt 3 gt MLI Quadran2 T 0 000E 00 C 0 0000E 00 A 1 3755E 01 ALP 0 525 EPS 0 400 D25004 lt 3 gt MLI Quadran3 T 0 000E 00 C 0 0000E 00 A 1 3755E 01 ALP 0 525 EPS 0 400 D25500 lt 3 1 gt MLI_Entree Extern 3 T 0 000E 00 C 0 0000E 00 A 1 3647E 02 ALP 0 525 EPS 0 400 B30000 lt 4 gt SC Rectang0 T 1 526E 01 C 0 0000E 00 A 3 3222E 01 ALP 0 960 EPS 0 880 B31000 lt 6 gt Solar_Panel _Front Rec T 5 980E 01 C 0 0000E 00 A 3 7440E 01 ALP 0 400 EPS 0 860 B32000 lt 7 gt Solar_Panel_Back Recta T 2 887E 01 C 0 0000E 00 A 4 6800E 02 ALP 0 400 EPS 0 860 D35000 lt 1 3 gt M1 Disci 0 T 0 000E 00 C 3 2804E 01 A 1 2566E 03 ALP 0 010 EPS 0 990 D35500 lt 1 4 gt M2 Disc2 0 T 0 000E 00 C 7 3412E 00 A 7 0686E 04 ALP 0 010 EPS 0 990 D50000 lt 5 gt Porte DiscO 3 T O 000E 00 C 3 6751E 02 A 2 2682E 03 ALP 0 400 EPS 0 860 D55000 lt 2 5 gt Radiateur Rectang4 T 0 000E 00 C 3 0000E 01 A 4 5000E 03 ALP 0 400 EPS 0 860 D55001 lt 2 5 gt Radiateur Rectang4 T 0 000E 00 C 3 0000E 01 A 4 5000E 03 ALP 0 400 EPS 0 860 D55002 lt 2 5 gt Radiateur Rectang4 T 0 000E 00 C 3 0000E 01 A 4 5000E 03 ALP 0 400 EPS 0 860 D55003 lt 2 5 gt Radiateur Rectang4 T 0 000E 0
132. libre des l ments de l instrument SWAP sont pr sent s dans le paragraphe suivant Calcul stationnaire temp ratures l quilibre Les tableaux 5 1 et 5 2 indiquent les temp ratures du banc et des l ments optiques El ment Noeud Temp C Banc optique 1 28 64 28 55 25 90 25 19 19 94 19 77 15 62 15 41 8 07 11 00 1 OANDOK WNW 1 j TAB 5 1 Mode op rationnel chaud temp ratures du banc optique El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C Filtre 100 44 89 Grand baffle 15601 14 97 110 64 26 Petit baffle 15600 28 40 120 77 35 Connecteur 15602 29 72 130 85 90 M1 35000 11 03 140 97 98 M2 35500 28 62 Support 200 29 96 FiltreAR 500 15 50 Face_filtre 300 29 56 SupportAR 600 15 68 Diaphragme 15200 28 45 FacefiltreAR 700 15 73 TAB 5 2 Mode op rationnel chaud temp ratures des l ments optiques 70 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 La temp rature moyenne du banc optique dans le cas chaud est de 19 3 C avec un gra dient d une vingtaine de degr s entre l avant et l arri re comme l indique la figure 5 1 Cette moyenne est calcul e en pond rant par les aires des diff rents noeuds Le flux re u par les noeuds 1 et 2 du banc optique vient principalement de la face d entr e alors que le flux re u de la structure du satellite par l interm diaire du pied avant de titane est n gligeable ces l ments
133. libre thermique elle r met l nergie absorb e du flux solaire vers l espace La temp rature moyenne d quilibre radiatif de la Terre est de 255 K ce qui correspond un flux solaire de 1365 W m et un alb do de 0 3 Le spectre du rayon nement terrestre est donc situ dans l infrarouge autour de 11 um avec galement des bandes d absorption dues la travers e de l atmosph re Le flux terrestre est diffus et quasiment constant quel que soit le point survol par le satellite en dehors ou non des p riodes d clipses 2 3 Les quations de bilan thermique 2 3 1 Equilibre thermique L quilibre thermique global d un satellite est r gi par la dissipation Q des quipements internes par les flux solaire alb do et infrarouge terrestres absorb s par les surfaces ex ternes et par le flux infrarouge rayonn par ces surfaces vers le fond du ciel 3 K Il faut ainsi r soudre pour chaque noeud l quation suivante Qi QS QA QE S Ciz G T gt Yi o Tf T 0 2 6 o i variant de 1 N est le nombre de noeuds thermiques du mod le Un syst me de N quations non lin aires N inconnues les temp ratures des noeuds thermiques est ainsi obtenu La r solution num rique d un tel syst me n cessite l usage d un solveur ther mique comme par exemple le solveur ESATAN de l Agence Spatiale Europ enne utilis par le logiciel Thermica Lay L quilibre thermique est encore ap
134. lique de son activit Celle ci pr sente une p riodicit de l ordre de 11 ans r partis approxi mativement en sept ans de maximum et quatre de minimum Le champ magn tique so laire s inversant tous les onze ans le cycle r el probablement associ la rotation solaire diff rentielle est de 22 ans Alors que la puissance rayonn e par le Soleil dans le domaine visible et IR est prati quement constante la modulation aux faibles longueurs d ondes UV et au del est tr s importante Ces rayonnements aux courtes longueurs d onde originaires principalement de la couronne solaire transf rent leur nergie aux atomes et mol cules de la haute at mosph re terrestre En p riode de maximum solaire l augmentation des flux nerg tiques se traduit par une expansion de l atmosph re et par des hausses de concentrations en hydrog ne et oxyg ne atomique dissociation de H2 et de O2 et en esp ces ionis es Chapitre 1 L instrument SWAP pour l observation du Soleil Le vent solaire Le vent solaire est un plasma de protons et d lectrons d nergies inf rieures quelques keV et dont la densit d croit comme l inverse du carr de la distance au Soleil L ori gine de ces particules est localis e dans deux r gions la surface du Soleil La premi re situ e dans la zone quatoriale l o le champ magn tique est le plus faible produit un flux continu des vitesses de l ordre de 400 km s appel
135. loppement des centres actifs des trous coronaux l origine du vent solaire rapide et des ph nom nes affectant la couronne solaire tels que les jections de masse co ronale CME Un des objectifs de la mission est d observer l volution des EIT waves associ es aux premi res phases de d veloppement des CME pour aboutir une meilleure compr hension globale de la physique de la couronne solaire La figure 1 5 pr sente une vue par EIT du Soleil 17 1 nm correspondant des structures 8 10 K Les boucles de champ y sont particuli rement visibles Fic 1 5 Vue du Soleil 17 1 nm Ondes d couvertes avec le t lescope EIT se propageant travers le disque solaire 11 Chapitre 1 L instrument SWAP pour l observation du Soleil D autre part observation en continu des ph nom nes coronaux permettra de pr venir les temp tes g omagn tiques avec une anticipation de quelques jours correspondant au temps d arriv e des particules sur Terre Ce d lai autorisera la mise en place des moyens de protection face aux cons quences des temp tes g omagn tiques tant pour les satellites mise hors tension temporaire changement d attitude que pour les activit s humaines activation des syst mes anti GIC etc L instrument SWAP s inscrit ainsi dans le programme de m t orologie de l environnement spatial poursuivi actuellement par le satellite SOHO h ritant en particulier de l exp r
136. m d paisseur du banc optique de 2 531 mm ey let2 1 031 mm B 1 Dans la direction x la structure d attache du pied avant ainsi que le rebord pr sentent un volume de 15 563 mm L paisseur quivalente dans la direction x est ainsi 15563 _ 1 331 mm B 2 11696 Ex 1let2 d o une paisseur totale de 2 831 mm Noeuds 5 et 6 L aire des noeuds 5 et 6 est de 12 954 mm Dans la direction y les raidisseurs ont un volume de 20 244 mm d o une paisseur quivalente de 20244 Ey 5et6 donnant au total pour le banc optique entier une paisseur de 3 063 mm Dans la direction x deux petits et deux gros raidisseurs trap zo daux ont un volume de 5036 mm Cela donne 5036 0 B 4 12084 0 389 mm B 4 Ex 5et6 pour une paisseur totale en ajoutant les 1 5 mm du banc optique de 1 889 mm Noeuds 7 et 8 L aire des noeuds 7 et 8 est de 13 583 mm Dans la direction y comme pour les noeuds 5 et 6 les trois raidisseurs principaux et les rebords sont prendre en compte Ils occupent un volume de 20 244 mm d o une paisseur quivalente de 20244 ey 7 et8 13583 1 490 mm B 5 d o une paisseur totale de 2 990 mm 122 D tails de calculs des conductances thermiques Annexe B Dans la direction x quatre petits et quatre gros raidisseurs trap zoidaux pr sentent un volume de 10 071 mm donnant une paisseur quivalente de 10071 2 0 742
137. mente l g rement lors des op rations de d contamination sont toujours dans l intervalle de temp rature sp cifi Enfin le d tecteur est port une temp rature d environ 46 C lors des op rations permet tant de volatiliser les contaminants La limite sup rieure de 60 C au del de laquelle il pourrait subir des d gradations irr versibles est respect e En d finitive les temp ratures atteintes lors des op rations de d contamination sont ac ceptables elles restent bien dans l intervalle 40 C 70 C Le mode porte ferm e sans dissipation proche d un mode op rationnel nominal ne pr sente aucun point critique Mode survie Dans le mode survie avec une structure du satellite la temp rature minimale de 40 C le banc optique a une temp rature moyenne de 36 9 C Les temp ratures de l arri re du banc optique et du capot sont l g rement inf rieures la limite de 40 C De mani re g n rale c est tout l arri re de l instrument qui est l g rement plus froid que 40 C Le miroir pri maire est galement sensiblement plus froid que la limite inf rieure de 40 C impos e par la r sistance m canique des colles Il faudra examiner pr cis ment les cons quences de cette constatation avec AMOS responsable des miroirs et de leurs montures 92 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 La temp rature du d tecteur est de 52 5 C ce qui est au dela de la limi
138. ments du mod le g om trique 4 3 1 Propri t s des mat riaux et des rev tements utilis s Mat riau Conductivit Chaleur sp cifique Densit W K m J K kg kg m Invar 12 5 514 8100 Alu6061 167 940 2700 MLI 0 1 60 5 Bulk 68 78 472 9 8698 9 Zerodur 1 64 821 2530 Ceramic 2 670 2600 TAB 4 3 Propri t s des mat riaux utilis s 57 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP L indication BOL resp EOL pour Beginning Of Life resp End Of Life in dique les propri t s thermo optiques des rev tements en d but de vie resp en fin de vie de la mission Le vieillissement des rev tements par l effet des rayons UV solaires se traduit principalement par une augmentation de l absorptivit visible a Coating a BOL a EOL pspec a BOL EOL Pipec Chemz306 Peinture noire 0 95 0 96 0 0 9 0 88 0 MLI Ext 0 4 0 55 0 0 77 0 77 0 MLI_Equi 0 4 0 5 0 0 05 0 05 0 Filtre 0 147 0 147 0 965 0 095 0 095 1 Mirror 0 01 0 01 1 0 99 0 99 1 Peinture Blanche 0 22 0 42 0 0 86 0 86 0 Alodine 0 09 0 09 0 Inox 0 4 0 4 0 0 4 0 4 0 TAB 4 4 Propri t s des rev tements utilis s 4 3 2 Conditions aux limites noeuds fix s La premi re partie du tableau 4 2 correspond aux noeuds dont les temp ratures constituent les inconnues du probl me Ils pr sentent l attribut D pour diffusion Les noeuds de la deuxi me partie du tableau 4 2 ceux de la struc
139. ments restent dans les limites sp cifi es Les deux derni res sections du chapitre abordent l exploitation de la mod lisation effectu e Les r sultats issus de la mod lisation de lins trument permettent de pr parer le test de balance thermique pr vu CSL en janvier 2006 afin de simuler un environnement thermique proche de la configuration r elle de Vinstrument en orbite Par ailleurs un mod le r duit de quelques noeuds r sumant le comportement thermique de l instrument SWAP est labor et pourra tre utilis dans l tablissement du bilan thermique complet de l ensemble du satellite Proba 2 Enfin quelques mots de conclusion sont donn s quant l accomplissement des objec tifs de ce travail et les perspectives concernant les d veloppements thermiques futurs du projet SWAP sont trac es Chapitre 1 L instrument SWAP pour Vobservation du Soleil L instrument SWAP Sun Watcher using APS detector and image Processing est un t lescope d observation du Soleil dans l extr me ultraviolet h ritant principalement de Vinstrument EIT Extreme UV Imaging Telescope actuellement bord de la mission SOHO SWAP est un l ment essentiel de la charge utile scientifique de Proba 2 micro satellite technologique de PESA qui sera lanc en f vrier 2007 par le lanceur russe Eurokot Une pr sentation g n rale de l instrument SWAP et des innovations de la mission est expos e la premi re section de ce chapitre
140. mples et pr d finies L exemple le plus simple est le cas de plaques ar te contre ar te Thermica reconnait le lien conductif entre les deux l ments et en calcule la conductance en s rie dans le cadre de l approximation barreau Les conductances entre les diff rents noeuds d un m me l ment sont galement correctement calcul es Dans tous les cas une v rification manuelle a tout de m me t effectu e et a men a des r sultats identiques Un exemple est donn l annexe B section B 2 Un cas particulier concerne la conductance d un l ment perc d un trou comme la face d entr e du capot la face supportant le filtre ou encore le diaphragme La m thode uti lis e par Thermica consiste a diviser la plaque perc e en plusieurs facettes polygonales comme le montre la figure 4 15 Chacune de ces facettes se voit attribuer un num ro de kx System Fic 4 15 Plaque perc e noeud et les conductances entre ces diff rents noeuds ainsi qu avec les autres l ments banc optique capot etc sont calcul es Une r duction de mod le est ensuite effectu e ramenant le nombre de noeuds de la plaque au nombre d fini par l utilisateur dans le mod le de SWAP un noeud unique est toujours attribu une plaque perc e La valeur num rique de la conductance est sensiblement inf rieure et en fonction du diam tre du trou celle d une plaque pleine de m mes dimensions Les r sultats
141. nce pour le calcul des facteurs de vue http www me utexas edu howell index html 110 Annexe A R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Cette annexe pr sente les r sultats complets pour la mod lisation du test de l ESTEC r alis e au chapitre 3 Les bilans de flux sont pr sent s pour chaque noeud thermique Sauf mentionn explicitement les liens sont des liens radiatifs A 1 Contact Parfait Filtre noeud 110 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 6 5111 10 2 54 23 Filtre conductif 120 5 4919 107 45 77 Autres 0 03 Filtre conductif 100 1 0813 10 17 90 06 Bloc 600 8 4485 107 9 94 Autres 2 9 Total 1 2006 10 1 1 2006 107 TAB A 1 Equilibre du noeud 110 contact parfait 111 Annexe A R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Filtre noeud 120 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 4 6506 107 67 92 Filtre conductif 130 2 1944 107 32 08 Autres 0 03 Filtre conductif 110 5 4919 10 2 80 21 Bloc 600 9 0325 107 13 19 Autres 6 6 Total 6 8468 107 6 8468 107 TAB A 2 Equilibre du noeud 120 contact parfait Filtre noeud 130 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 2 7900 10 2 86 06 Filtre conductif 140 4 5112 1078 13 92 Autres 0 02 Filtre conductif 120 2 194410 2 67 69 Bloc 600 6 6787 107 20 60 Autres 1400et1500 11 71 Total 3 2420 10
142. ne simulation o le lien conductif entre le banc optique et la bo te FPA est sup prim montre que le reste de l instrument est plus chaud de seulement 2 C environ La chaleur de l instrument apr s s tre coul e de l avant vers l arri re s vacue principale ment par le pied arri re et dans une moindre mesure radiativement vers le MLI Enfin une derni re solution serait d annuler le facteur de vue du radiateur avec le pan neau solaire principal en intercalant une plaque de dimensions ad quates Cette plaque r fl chirait l espace froid comme ce qui avait t r alis pour l instrument EIT Une si mulation simplifi e de cette solution en annulant le lien radiatif entre le radiateur et le panneau indique que la temp rature du d tecteur est de 21 0 C en cas chaud Une telle solution est donc viable thermiquement En conclusion en mode op rationnel et d apr s la mod lisation effectu e un effort im portant doit encore tre fourni afin d amener la temp rature du d tecteur dans la plage sp cifi e Concernant les autres l ments de l instrument SWAP le contr le thermique envisag remplit les sp cifications voulues 3Les liens radiatifs sont conserv s et issus du mod le r duit du FPA fourni par OIP 91 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique 5 3 2 Plages de temp ratures non op rationnelles Les temp ratures des diff rents l ments pour les diff rents mod
143. noeuds du mod le r duit 100 5 20 Liens radiatifs Y _ entre les diff rents noeuds du mod le r duit 102 5 21 Temp ratures des noeuds du mod le r duit mode op rationnel chaud 104 5 22 Temp ratures des noeuds du mod le r duit mode op rationnel froid 104 5 23 Temp ratures des noeuds du mod le r duit mode survie 105 A 1 Equilibre du noeud 110 contact parfait 111 A 2 Equilibre du noeud 120 contact parfait 112 A 3 Equilibre du noeud 130 contact parfait 112 A 4 Equilibre du noeud 140 contact parfait 112 A 5 Equilibre de la face filtre contact parfait 113 A 6 Equilibre du bloc contact parfait 113 A 7 Equilibre du MLI contact parfait 114 A 8 Equilibre du noeud 100 contact interm diaire 114 A 9 Equilibre du noeud 110 contact interm diaire 114 A 10 Equilibre du noeud 120 contact interm diaire 115 A 11 Equilibre du noeud 130 contact interm diaire 115 A 12 Equilibre du noeud 140 contact interm diaire 115 A 13 Equilibre du support contact interm diaire 116 A 14 Equilibre de la face filtre contact interm diaire 116 A 15 Equilibre du bloc contact interm diaire 1
144. nque il faudrait attendre un nombre relativement important d orbites pour que les l ments atteignent leur temp rature d quilibre ce qui alourdit inutilement le calcul L amplitude de la variation de temp rature du radiateur est d environ 1 5 C La figure 5 3 illustre cette conclusion pour le noeud 55000 du radiateur sur une p riode de cing orbites soit 30 000 secondes La temp rature varie entre 32 9 C et 31 4 C autour de la valeur stationnaire de 32 4 C 31 0 32 5 32 0 31 5 Temp55000 Celsius 33 0 33 5 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 TIME s FIG 5 3 Variation de la temp rature du radiateur noeud 55000 Le temps de calcul est d environ cinq minutes sur un ordinateur Pentium IV 1 4 GHz Entre une et dix orbites selon l inertie thermique de l l ment 74 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 Cette variation de temp rature du radiateur a une influence directe sur la temp rature de l ensemble d tecteur cold cup doigt froid noeud 66000 dont l amplitude de variation est de quelques dixi mes de degr s au cours d une orbite comme l illustre la figure 5 4 13 40 13 68 13 82 Temp 66000 Celsius 13 96 14 10 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 TIME s FIG 5 4 Variation de la temp rature du d tecteur noeud 66000 Dans ce cas la variation se fait autour d une valeur l g rement sup rieure la t
145. ns non lin aires sont r solues par des m thodes num riques it ratives tout en contr lant la convergence jusqu un seuil pr d termin Dans le cas transitoire la m thode Crank Nicholson est utilis e pour r soudre le syst me d quations diff rentielles 19 Chapitre 2 La mod lisation thermique des instruments spatiaux Finalement le bilan thermique obtenu peut alors tre exploit Outre l acc s aux temp ra tures le bilan d nergie chang e par chaque noeud thermique avec ses voisins permet de comprendre le comportement physique du contr le thermique envisag Il est possible par exemple de comparer les bilans radiatifs et conductifs de chaque l ment du mod le Les chemins de circulation de la puissance sont galement accessibles avec les zones de fuite et les zones d accumulation 2 5 Objectifs de la mod lisation thermique de l instrument SWAP La mod lisation thermique de l instrument SWAP poursuit plusieurs objectifs e Les diff rents l ments du t lescope doivent se trouver dans leur plage de temp rature de qualification l quilibre et en transitoire Lorsque l instrument est en fonction nement et prend des images du Soleil i e en mode op rationnel on parle de plage de temp ratures op rationnelles En mode non op rationnel lors des op rations de d contamination par exemple et en mode survie lors d une perte de contr le du satellite il s agit de la
146. nt SWAP La masse de la boite de connecteurs est r partie sur une partie de la face gauche du capot noeuds 15002 15004 et 15007 15009 La masse de l ensemble filtre est essentiellement r partie entre le support et la plaque Les capacit s calorifiques du filtre d aluminium ont t calcul es a la section 3 5 du chapitre 3 Les capacit s calorifiques calcul es sont introduites dans le fichier de description des pro pri t s des noeuds de Thermica N TAN reproduit la section C 1 de l annexe C 4 6 Orbite et pointage L ensemble de l instrument tel que mod lis ci dessus est plac sur une orbite h liosynchrone de noeud ascendant 18h une altitude de 755 km correspondant une inclinaison de 98 4 Il s agit donc d une orbite quasi polaire et r trograde L attitude est celle d un pointage inertiel solaire changeant d orientation tous les quarts d orbite comme repr sent la figure 4 18 L axe y de l instrument pointe en permanence vers le Soleil tandis que la direction verticale axe x ou axe z de l instrument selon l orien tation est celle du P le Nord g ographique terrestre L chelle de la figure 4 18 est en unit de flux solaire incident Notons que les faces ther miquement inactives dans le mod le apparaissent bleues Les flux alb do et infrarouge terrestres re us par le radiateur varient au cours de l or bite d o la n cessit d un calcul transitoire Par co
147. ntent un volume de 20 244 mm L aire des noeuds 3 et 4 tant de 12 325 mm l paisseur quivalente des raidisseurs dans la direction y est 20244 ey 3et4 12325 1 642 mm 4 2 Ajout au 1 5 mm d paisseur du banc optique une paisseur totale de 3 142 mm est obtenue pour les noeuds 3 et 4 du point de vue conductif Dans la direction x le volume des raidisseurs est de 10 071 mm L paisseur quivalente est donc 10071 12325 donnant une paisseur totale pour le calcul conductif des noeuds 3 et 4 de 2 317 mm Ex 3 et 4 0 817 mm 4 3 Des calculs similaires sont faits pour toutes les paires de noeuds du banc optique et pour chaque direction Annexe B section B 1 Le tableau 4 1 indique les r sultats obtenus Noeuds Ex totale mm y totale mm let 2 2 831 2 531 3 et 4 2 317 3 142 5 et 6 1 889 3 063 Tet 8 2 242 2 990 9 et 10 3 872 2 750 TAB 4 1 Epaisseurs quivalentes du banc optique Les paisseurs quivalentes seront utilis es dans le calcul des conductances thermiques a la section 4 4 4 1 2 Ensemble du filtre d entr e L ensemble du filtre d entr e comprend le filtre de 38 4 mm de diam tre mont sur un support en aluminium pos sur une plaque fix e au banc optique La mod lisation de cet ensemble est d taill e dans le chapitre 3 Les principales hypoth ses sont rappel es ici 46 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 Le filtre et sa gr
148. ntr e de l instrument 3 4 Propri t s des rev tements de l entr e de l instrument 3 5 Propri t s de l aluminium et du nickel 3 6 Propri t s du mat riau quivalent pour le filtre d entr e 3 7 Conductances entre les noeuds du filtre 3 8 Capacit s calorifiques des diff rents noeuds du filtre 3 9 Temp ratures des diff rents l ments pour un contact parfait 3 10 Equilibre du noeud 100 contact parfait 3 11 Equilibre du support contact parfait 3 12 Temp ratures des diff rents l ments pour un contact interm diaire 3 13 Temp ratures des diff rents l ments pour un mauvais contact 4 1 Epaisseurs quivalentes du banc optique 4 2 Caract ristiques des l ments du mod le g om trique 4 3 Propri t s des mat riaux utilis s 4 4 Propri t s des rev tements utilis s 4 5 Temp ratures impos es en cas chaud 4 6 Conductances du banc optique 4 7 Conductances du EPA 4 8 Influence de la conductivit surfacique de contact pour le pied arri re 4 9 Bilan de masse de l instrument SWAP 5 1 Mode op rationnel chaud temp ratures du banc optique 5 2 Mode op ra
149. ntre le radiateur est prot g du flux solaire incident par le panneau principal la puissance solaire directe absorb e par le radiateur est nulle 65 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP 9286 sO CL 7857 7143 6429 5714 0088 4286 3961 2857 2143 1429 0714 B O gt B SUNLIGHT Fic 4 18 Attitude du satellite Proba 2 4 7 Calculs radiatifs 4 7 1 Calcul des couplages radiatifs Le calcul des couplages radiatifs internes bas sur la d finition g om trique du mod le et des propri t s thermo optiques des surfaces utilise une m thode de type Monte Carlo appel e ray tracing Le principe de cette m thode de suivi des rayons a t expliqu au chapitre 2 section 2 4 Dans le mod le 10 000 rayons sont tir s partir de chacune des faces La pr cision de la m thode de ray tracing d pend du nombre de rayons tir s par facette l exp rience montre qu avec 10 000 rayons ce qui n cessite des ressources de calcul relativement importantes la pr cision atteint environ 5 Le calcul des coefficients de couplage radiatif entre les surfaces externes du mod le avec le fond du ciel 3 K est galement effectu selon la m thode de ray tracing Les coefficients de couplage radiatif calcul s par Thermica sont indiqu s dans le fichier R TAN reproduit partiellement en annexe C section C 3 3Un peu plus de dix minutes sur un ordinateur Pentium IV 1 4 GHz 66 Mo
150. on permet de pr voir les temp ratures et les flux chang s entre les diff rents l ments et d en d duire le place ment judicieux des capteurs de temp rature Pour ce test l ensemble de l entr e tel que mod lis ci dessus est fix sur une plaque de dimensions 500 mm 390 mm plac e dans une cuve a vide Cette cuve de 0 85 m de diam tre pour 1 7 m en longueur est munie d un hublot une extr mit d un diam tre de 0 35 m devant lequel est plac le simulateur solaire Les temp ratures de la plaque et de la cuve sont impos es 10 C System System F1G 3 11 Mod lisation du dispositif du test l ESTEC plaque et cuve Pour la mod lisation sous Thermica la plaque est repr sent e par le noeud thermique 1500 et la cuve par le noeud 1600 Ces deux noeuds constituent les noeuds aux limites du mod le L int rieur de la cuve et les faces de la plaque sont recouverts de peinture noire 3 6 1 Mesure de la temp rature et de l absorptivit a du filtre Pour mesurer la temp rature du filtre une goutte de peinture noire ne perturbant pas le comportement thermique g n ral sera d pos e au centre du filtre Le flux mis par cette goutte d missivit connue et lev e sera mesur avec une cam ra infrarouge ce qui per mettra de d terminer la temp rature au centre du filtre L absorptivit a est d termin e en mesurant le flux sortant de tout le bloc d entr e enti rement
151. onductance tait alors 1 014 W K ce qui constitue une valeur raisonnable de la conductance Dans cette hypoth se la porte et la face d entr e sont approximativement la m me temp rature plus de 80 du flux total recu par la face d entr e vient du lien conductif avec la porte En abaissant progressivement la valeur de la liaison conductive la face d entr e se re froidit tandis que la temp rature de la porte augmente consid rablement Par exemple 88 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 en mode op rationnel chaud avec une conductance dix fois inf rieure au cas nominal la temp rature de la face d entr e diminue de 33 8 C 33 0 C tandis que la temp rature de la porte augmente de 34 3 C 37 5 C soit une l vation de trois degr s L cart gran dit ainsi au fur et mesure que la valeur de la conductance entre la porte et la face d entr e diminue A la limite la temp rature de la porte isol e conductivement de la face d entr e ce qui n est videmment pas le cas dans la configuration r elle est de 69 5 C en mode op rationnel chaud c est a dire avec un rev tement d grad par les UV et avec une constante solaire maximale de 1410 W m L influence sur les autres l ments tels que le banc optique et le capot est minime dans le cas d une conductance dix fois moindre l avant du banc optique et du capot perd environ un demi degr mais cette perte se r
152. orc e par une grille opaque de nickel de 70 barreaux pouce Ce renforcement par une grille se fait au d triment de la transmis sion diminuant le flux d environ 20 et introduit des artefacts dus la diffraction de la lumi re par les barreaux de nickel Le motif de la grille appara tra galement sur les images du Soleil prises par l instrument SWAP et devra tre minimis par un traitement d images appropri La figure 3 3 montre la courbe de transmission totale d un tel filtre d aluminium de 150 nm d paisseur avec les deux couches d ALO et la grille de nickel Transmission Fic 3 3 Transmission totale de la feuille de 150 nm d aluminium et de la grille 3 2 Mesure de la fonction BRDF du filtre Les propri t s thermo optiques d un filtre d aluminium oxyd s par de l alumine sur ses deux faces et renforc par une grille de nickel sont priori inconnues et doivent tre mesur es exp rimentalement L objectif de la mesure de la courbe de BRDF est ainsi de d terminer dans le visible les proportions sp culaire et diffuse de la r flexion du filtre En th orie la mesure de la BRDF conduit galement la d termination du coefficient de r flexion total p et par suite l absorptivit a du filtre par application de l quation 2 1 2Les mesures ont t r alis es avec un laser 805 nm 25 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e 3 2 1 D finition de la BRDF La
153. ourant le d tecteur La bo te FPA Cover entourant ces l ments fix e sur le banc optique Un doigt froid reliant conductivement le radiateur la bo te et au d tecteur La cold cup cr e une cavit prot geant le d tecteur permettant son blindage et le pr servant de rayons lumineux parasites en jouant le r le de baffle La cold cup a galement un role 50 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 al System FIG 4 8 Mod lisation du bloc focal primordial dans la contamination du d tecteur CMOS condensant pr f rentiellement les particules provenant du d gazage des l ments sous vide sur ses surfaces plus froides Cette sp cification est indispensable et d termine les caract ristiques de conception de la cold cup du point de vue thermique D autre part la cold cup est en Invar pour viter des contraintes et d formations thermo lastiques trop importantes La bo te FPA fix e au banc optique entoure les l ments du bloc focal Elle les prot ge des radiations des rayons parasites et de la contamination Le mat riau choisi est l Invar pour des raisons de stabilit thermique et m canique afin de garder le d tecteur dans le plan focal du t lescope La face avant externe est recouverte de peinture noire Les autres faces et les faces internes sont alodin es En fonctionnement le d tecteur dissipe environ 150 mW Cette puissance est vacu e vers le radiateur par l
154. pace Administration Etats Unis Optronic Instruments and Products S A Oudenaarde Belgique PRoject for On Board Autonomy Solar Dynamics Observatory Sun Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation SOlar and Heliospheric Observatory Sun Watcher using APS detector and image Processing XI Introduction Ce travail de fin d tudes effectu au Centre Spatial de Li ge est consacr la mod lisation thermique de l instrument SWAP t lescope spatial observant le Soleil en extr me ultra violet et embarqu bord du satellite Proba 2 Ce microsatellite de l Agence Spatiale Europ enne dont le lancement est pr vu en f vrier 2007 poursuit un objectif de valida tion de nouvelles technologies appliqu es au domaine spatial L instrument SWAP h rite de instrument EIT actuellement bord du satellite SOHO et s inscrit dans le programme de surveillance de la m t orologie de l environnement spatial poursuivi actuellement par la plupart des grandes agences spatiales Ce rapport comporte cinq chapitres et constitue la synth se de ce travail de fin d tudes Le premier chapitre est consacr la pr sentation de l instrument SWAP dans sa globa lit tant au niveau des innovations technologiques de la mission qu au niveau des objectifs scientifiques d observation du Soleil SWAP permettra notamment de valider un concept innovant de t lescope hors axe et un nouveau type de d tecteur CMOS in dit
155. pel r gime permanent ou r gime stationnaire 18 La mod lisation thermique des instruments spatiaux Chapitre 2 2 3 2 R gime transitoire Lorsqu un des param tres de l quation 2 16 varie en fonction du temps l quilibre ne peut pas s tablir La variation de temp rature d un l ment s crit alors aT 4 Aer a Qi O58 QAi QE Y Cr Tj T Yi o T T7 Ci di 2 17 o C est la capacit calorifique du noeud i Ce syst me de N quations diff rentielles non lin aires N inconnues peut galement tre r solu par le solveur ESATAN 2 4 Etapes de r solution du probl me thermique La premi re tape consiste d finir la g om trie du mod le et appliquer les mat riaux et les caract ristiques thermo optiques appropri es telles que l absorptivit solaire a et l missivit infrarouge Le taux de sp cularit visible et infrarouge des surfaces est galement pr cis ainsi que leur ventuelle transmission L tape suivante consiste calculer les flux externes absorb s par les surfaces Soleil alb do et infrarouge terrestres ainsi que les coefficients de couplage radiatifs entre ces surfaces Ceci constitue un probl me extr mement complexe qui ne peut tre r solu qu avec des ou tils informatiques puissants Les donn es n cessaires au calcul des flux externes absorb s sont constitu es de la d finition de la g om trie externe de
156. prendre en compte est 2 771 um et la conductivit thermique est 68 78 e Pour le noeud 100 Ry 15 36 mm Ro q 5362 17 4 mm e Pour le noeud 110 Ry 15 36 mm Ry 15241536 13 6 mm En appliquant la formule 3 23 il vient C 100 110 4 841 10 W K 3 24 Des calculs similaires sont effectu s pour les conductances entre les diff rentes couronnes Les r sultats sont rassembl s dans le tableau 3 7 39 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e C Valeur W K C 100 110 4 841 1073 C 110 120 3 270 10 8 C 120 130 1 929 10 8 C 130 140 2 665 1074 TAB 3 7 Conductances entre les noeuds du filtre 3 4 2 Conductances entre l anneau externe et le support du filtre Le filtre est pos sur un fin anneau d interface appel inner ring lui m me mont sur le support d aluminium proprement dit Du point de vue thermique ce montage se traduit par une certaine conductance de contact entre le filtre et le support Puisque celle ci n est pas connue priori c est l pr cis ment l un des objectifs du test de l ESTEC plusieurs hypoth ses sont consid r es celle d un contact parfait celle d un mauvais contact et celle d un contact interm diaire entre les deux situations pr c dentes La conductance de contact est donn e par la formule 2 15 Dans le cas de l inner ring la surface de contact bande annulaire en p riph rie du filtre est exprim e par
157. r Radiateur Radiateur Radiateur Radiateur Radiateur Rectan Rectan Rectan Rectan Rectan Rectan FPA Rectang7 lt 1 6 1 gt CMOS Rectang1 143 19 15 11 28 25 19 15 46 28 26 20 16 10 28 25 19 15 12 78 28 27 15 28 14 57 13 14 17 26 11 28 29 92 30 26 32 30 28 92 13 12 29 10 86 64 99 25 04 83 75 11 18 13 24 48 22 15 87 87 40 10 98 08 97 23 53 76 16 73 06 04 90 28 61 73 30 77 11 44 oooooocooooo0coqo0oqo0qo0qq0q coo 0oo0oo0oooooooo oo e E o E o E o E a a a E o E o 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
158. r une surface un seul noeud avec deux rev tements diff rents MLI Ext pour la face tourn e vers le satellite MLI_Equi pour la face tourn e vers l instrument La valeur de l missivit quivalente pour 20 couches est de 0 0025 Fic 4 11 Mod lisation de l enveloppe de MLI et de la porte 4 2 Environnement thermique de l instrument SWAP le satellite Proba 2 Dans le mod le thermique il est indispensable de tenir compte de l environnement de Vinstrument SWAP constitu du satellite Proba 2 et des autres instruments de la charge utile La fixation de SWAP sur la plateforme du satellite se fait au moyen de pieds montr s la figure 4 12 dont les effets conductifs sont consid r s dans la mod lisation D autre part le radiateur de SWAP voit directement les panneaux solaires du satellite 4 2 1 Pieds Le pied avant en titane est fix sous le filtre d entr e et le miroir secondaire Le titane est choisi en raison de ses limites lastique et plastique lev es pour une valeur relativement faible du module de Young Cette flexibilit du titane vite de transmettre au banc optique les perturbations de la structure du satellite En particulier elle permet de reprendre la diff rence de contraction entre la structure d aluminium de Proba 2 et le banc optique d Invar aux extr mes des plages de temp rature Le titane permet galement d isoler ther miquement l instrument SWAP de la plateform
159. r externes Soleil alb do et infrarouge terrestres et internes puissances dissip es ne sont pas consid r s 99 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Ensuite il suffit d imposer la temp rature de deux noeuds du mod le r duit et d exa miner le flux Q chang La temp rature des autres noeuds peut varier librement Le lien conductif est alors d apr s l quation 2 13 du chapitre 2 Qi Ci 5 10 Pour illustrer le principe de cette m thode calculons le lien conductif Cy_2 entre les noeuds 1 et 2 du mod le r duit Les temp ratures impos es dans le mod le complet sont par exemple de 10 C pour le noeud 1 i e le noeud 1 du mod le r duit et de 20 C pour le noeud 10 i e le noeud 2 du mod le r duit Tous les autres noeuds du mod le complet sont flottants La puissance chang e entre les noeuds 1 et 10 est de 1 6421 107 W r sultat issu de la simulation sous Thermica D ot _ 1 6421 1071 _o 1 6421 10 W K 5 11 1 2 20 10 La m thode est similaire pour les changes conductifs avec les noeuds 800 et 803 repr sentant la structure du satellite Le tableau 5 19 reprend les valeurs des liens conductifs C _ entre les diff rents noeuds du mod le r duit y compris pour le mod le r duit du FPA Ci Valeur W K Ci 2 1 6421 107 C1800 1 6928 107 C2_ 803 2 2016 1071 Co_3 2 200 1071 C3_4 7 000 10 2 C3 3 000 10 2 Ca 5 1 100 107
160. r le radiateur les autres apports de chaleur tant constitu s de la puissance dissip e par l instrument et des flux alb do et infrarouge terrestres 56 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 4 3 D coupage en noeuds thermiques Le tableau 4 2 reprend la liste des diff rents l ments du mod le de l instrument SWAP les mat riaux et rev tements appliqu s ainsi que les num ros des noeuds associ s dans le mod le thermique El ment Noeud Mat riau Coating Coating Banc optique 1 10 Invar Chemz306 Chemz306 Filtre 100 140 Bulk Filtre Filtre Support 200 Alu6061 Chemz306 Chemz306 Face filtre 300 Invar Chemz306 Chemz306 FiltreAR 500 Bulk Filtre Filtre SupportAR 600 Alu6061 Chemz306 Chemz306 Face_filtreAR 700 Invar Chemz306 Chemz306 Capot 15001 a 15034 Invar Chemz306 Chemz306 Face d entr e 15100 Invar Chemz306 Chemz306 Baffles optiques 15600 a 15602 Invar Chemz306 Chemz306 M1 35000 Zerodur Mirror Mirror M2 35500 Zerodur Mirror Mirror Porte 50000 Invar Blanc Blanc Boite FPA 65000 Invar Chemz306 Alodine D tecteur CMOS 66000 Ceramic Inox Cold cup 66000 Invar Alodine Chemz306 Doigt froid 66000 Alu6061 Alodine Chemz306 Radiateur 55000 55005 Alu6061 Blanc Bo te MLI 25000 25004 MLI MLI Ext MLI Equ MLI Entree 25500 MLI MLI Ext MLI Equ Satellite 30000 Chemz306 Panneau solaire avant 31000 Blanc Panneau solaire arri re 32000 Blanc TAB 4 2 Caract ristiques des l
161. re l instrument de survivre une telle ventualit Enfin il est signaler que la mod lisation effectu e dans le cadre de ce travail de fin d tudes n a pu encore tre confront e aux r sultats exp rimentaux Dans les prochains mois plusieurs tests thermiques seront effectu s en particulier celui du filtre devant un si mulateur solaire l ESTEC et le test de balance thermique pour l ensemble de l instrument dans la cuve vide Focal 2 CSL Ces tests ont pour but de caract riser certaines pro pri t s difficilement mod lisables et de lever certaines incertitudes li es la mod lisation thermique L analyse et l exploitation des r sultats exp rimentaux permettront d ajuster le mod le thermique labor et enfin de valider l ensemble des moyens de contr le ther mique envisag s pour l instrument SWAP Finalement l instrument SWAP pourra tre int gr sur le satellite Proba 2 pour d ultimes v rifications avant le lancement pr vu en f vrier 2007 108 Bibliographie Articles J M DEFISE ET AL Sun watcher using APS detector on board PROBA 2 a new EUV off axis telescope on a technology demonstration platform Proc SPIE Vol 5171 143 154 2005 D BERGHMANS ET AL SWAP onboard PROBA 2 a new EUV imager for solar monitoring Advances in Space Research In press 2005 P ROCHUS ET AL PROBA II Payload A Belgian mini space Weather Observatory IAC 2004 IAA 4 11 2 Sm
162. re visible la figure 4 5 est mod lis e de fa on extr mement simplifi e en assimilant la cellule d interface un cylindre num ro 1 de la figure B 1 et la monture proprement dite par des plaques num ro 2 5 22 Fic B 1 Mod lisation de la monture de M1 La conductance de la cellule d interface en Invar est de kS 12 5 x ar L 2 et celle de la plaque verticale dont la longueur dans la troisi me dimension est de 54 mm 12 5 x 30 5 x 54 107 0 547 W K B 13 C2 107 4 117 W K B 14 ce qui donne une conductance de s rie entre ces deux l ments de Cmonture m 4 826 1071 W K B 15 La plaque horizontale assure quant elle une bonne conductance de contact avec le banc optique Pour la monture du miroir secondaire la mod lisation et le principe de calcul sont iden tiques Le diam tre de la cellule est cette fois de 25 mm pour une longueur de 18 mm Les dimensions de la plaque sont de 54 par 44 mm Apr s calculs on obtient Cmonture M2 3 058 1077 W K B 16 B 4 Calcul de la conductance de la porte La g om trie compliqu e des structures d attaches de la porte a la face d entr e est mod lis e par un simple barreau vertical d Invar de 73 mm de hauteur 10 mm de lar geur et 18 mm d paisseur Ainsi il vient kS 12 5730 L 9 Grau 107 1 014 W K B 17 124 D tails de calculs des conductances thermiques Annexe B B 5 Calcul de la conduct
163. re 3 temp rature uniforme mod lisant physiquement une isotherme Aucun flux de chaleur ne circule dans les barreaux horizontaux quel que soit leur nombre Il ne faut d s lors pas les prendre en compte du point de vue conductif Le volume des barreaux de nickel est donn par V nteL 3 8 o n est le nombre de barreaux de la grille t leur largeur e leur paisseur et L leur longueur L paisseur quivalente de nickel est d finie de la mani re suivante V n eequi Ld 3 9 Physiquement cette paisseur quivalente est l paisseur de nickel obtenue en aplatissant les barreaux jusqu ce qu ils se touchent En galisant les deux expressions pr c dentes il vient te n a 2 621 um 3 10 L paisseur du filtre d aluminium tant de 0 15 um l paisseur quivalente pour la conduc tion du filtre complet est de cond 9 771 um 3 11 equi Epaisseur quivalente calorifique Dans les calculs de masse volumique et de capacit calorifique les barreaux dans les deux sens sont consid rer En tenant compte des sections communes n intersections les barreaux de nickel occupent un volume V 2nteL n te 3 12 De la m me mani re que pr c demment l paisseur quivalente est d finie par V n eequi L d 3 13 d o l paisseur quivalente de nickel en galisant les quations 3 12 et 3 13 2teL nt _ 4 968 um 3 14 Par cons quent l paisseur quivalen
164. re suffisante lors des op rations de d contamination de l ordre de 50 C D autre part la structure de l instrument SWAP est en principe d coupl e du ra diateur et doit vacuer sa chaleur d une autre mani re Enfin le radiateur en aluminium re oit les flux alb do et infrarouge terrestres et se trouve en vue des panneaux solaires de Proba 2 Ces sp cifications d terminent la surface du radiateur le rev tement appliqu et le lien conductif imposer avec le FPA par l interm diaire du doigt froid Les caract ristiques de conception du radiateur actuellement propos es sont les suivantes La taille du radiateur est de 270 mm sur 100 mm pour une paisseur de 2 5 mm ce qui cor respond la taille maximale autoris e par le satellite Proba 2 Le radiateur est recouvert de peinture blanche Un rev tement froid faible absorptivit solaire a et missivit infrarouge lev e est en effet indispensable en raison de la pr sence des panneaux solaires et des flux alb do et infrarouge terrestres D autre part la face interne du radiateur est isol e du satellite par une feuille de MLI Dans le mod le cette face est inactive L ensemble de ces caract ristiques devront satisfaire les sp cifications de temp rature du d tecteur ce qui constitue pr cis ment un des objectifs du calcul thermique 4 1 9 Capot Le capot illustr la figure 4 9 entoure le banc et les l ments optiques Il s agit d une bo t
165. res de ces l ments correspondent approximati vement celle du banc optique l endroit o ils sont fix s La temp rature moyenne du filtre d entr e dans le mode op rationnel chaud est de 63 8 C 71 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Le tableau 5 3 indique les temp ratures des diff rents noeuds du capot de la face d entr e de la feuille de MLI enveloppant l instrument et de la porte La carte des temp ratures du capot est montr e a la figure 5 2 El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C Capot 15001 28 86 Capot 15015 28 55 Capot 15025 28 81 gauche 15002 28 00 droite 15016 24 94 haut 15026 26 01 15003 22 53 15017 19 67 15027 19 93 15004 17 99 15018 15 54 15028 16 14 15005 8 66 15019 12 00 15029 10 51 15006 28 94 15020 28 56 15030 28 61 15007 28 37 15021 24 84 15031 24 95 15008 22 96 15022 19 63 15032 19 66 15009 18 50 15023 15 65 15033 15 77 15010 9 32 15024 12 48 15034 12 43 Capot 15011 8 51 MLI 25000 15 45 arri re 15012 11 47 boite Entr e 15100 33 46 15013 9 05 MLI 25500 87 46 Porte 50000 33 95 15014 11 85 entr e TAB 5 3 Mode op rationnel chaud temp ratures du capot du MLI et de la porte 33 46 8 51 F1G 5 2 Carte des temp ratures du capot cas chaud 72 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5
166. ris en compte dans le calcul des capacit s calorifiques 4 1 10 Porte La porte prot ge les l ments optiques de la contamination externe lors de l int gration au sol et du lancement Le m canisme d ouverture est d clench une fois le satellite en orbite sans possibilit de refermeture ult rieure Repr sent e la figure 4 10 la porte est maintenue au travers de charni res une structure d attache verticale fix e a la face d entr e Fic 4 10 Porte et m canisme d ouverture Sous Thermica la porte est mod lis e par un disque de surface quivalente dans le cas porte ouverte comme l indique la figure 4 11 Ce disque est reli conductivement la 53 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP face d entr e de l instrument en tenant compte de l effet des charni res et des vis d assem blage La porte expos e directement au flux solaire incident est recouverte de peinture blanche rev tement froid faible absorptivit visible a et missivit infrarouge lev e 4 1 11 Enveloppe de MLI L instrument SWAP est enti rement envelopp dans une feuille de MLI 20 couches comme illustr la figure 4 11 pour minimiser les changes radiatifs avec la structure du satellite et les autres instruments de la charge utile Le MLI est fix par des pi ces isolantes circulaires coll es sur le capot Cette couverture de MLI est mod lis e selon la section 3 3 1 pa
167. rm daire Edge coupling Edge coupling Edge coupling Support FF Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling C intermidiaire Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling Edge coupling 127 homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous homogeneous Annexe B D tails de calculs des conductances thermiques GL 15009 15028 2 85
168. roduction 1 L instrument SWAP pour l observation du Soleil 1 1 Pr sentation g n rale de l instrument SWAP 1 2 Enjeux de l observation du Soleil 1 2 1 Structure et composition du Soleil 1 22 L activit Solaire o 5 ae eae LE ane Deseo ae a ye A 1 2 3 Cons quences de l activit solaire 1 3 Objectifs scientifiques de l instrument SWAP 2 La mod lisation thermique des instruments spatiaux 2 1 Principe du d coupage en noeuds thermiques 2 2 Constitution d un mod le thermique 2 2 1 Les changes radiatifs 2 2 2 Les couplages conductifs 2 2 3 Les flux externes 20 24 23 44 0 42 Bade ae 4 a 2 3 Les quations de bilan thermique 2 3 1 Equilibre thermique 2 3 2 R gime transitoire 2 4 Etapes de r solution du probl me thermique 2 5 Objectifs de la mod lisation thermique de l instrument SWAP 3 Mod lisation du filtre d entr e 3 1 Description du filtre 3 2 Mesure de la fonction BRDF du filtre 3 2 1 D finition de la BRDF 3 2 2 Description du test 3 2 3 Exploitation des r sultats 3 3 Mod lisation g om trique 3 3
169. rs En se r f rant la figure 4 2 nous avons dans la direction y longueur Deux raidisseurs de 462 mm en longueur 31 5 mm de hauteur et 1 5 mm d paisseur Un raidisseur de 390 mm en longueur 31 5 mm de hauteur et 1 5 mm d paisseur Deux rebords de dimensions 570 15 1 5 mm Deux paires de fins raidisseurs diagonaux assimil s la direction y l avant et a Varri re du banc et dans la direction x largeur Douze raidisseurs de dimensions 40 31 5 1 5 mm Douze raidisseurs trap zoidaux plus petits assurant les jonctions avec les rebords La grande base du trap ze fait 31 5 mm la petite base 15 mm pour une paisseur de 1 5 mm La hauteur moyenne du trap ze est de 18 mm Les structures d attache des pieds dont deux gros raidisseurs de m me dimensions que les raidisseurs trap zoidaux mais de 12 mm d paisseur Deux rebords de dimensions 116 15 1 5 et 150 15 1 5 mm 121 Annexe B D tails de calculs des conductances thermiques B 1 2 Epaisseurs quivalentes Noeuds 1 et 2 Dans la direction y les petits raidisseurs diagonaux le d but des trois raidisseurs prin cipaux et les rebords sont prendre en compte Ils repr sentent sous les noeuds 1 et 2 un volume de 12 054 mm L aire des noeuds 1 et 2 tant de 11 696 mm l paisseur quivalente dans la direction y est 12054 11696 donnant une paisseur totale en rajoutant les 1 5 m
170. rt 200 8 66 C Face Filtre 300 9 44 C Bloc 600 9 07 C Face MLI 1400 90 68 C TAB 3 13 Temp ratures des diff rents l ments pour un mauvais contact La temp rature moyenne du filtre est T Ti004100 Ti10 A110 T1204120 T130A130 Ti40A140 moy 42 04 C 3 35 Atotal Dans le cas d un mauvais contact le filtre est 13 C plus chaud que le cas d un contact parfait L influence de la temp rature moyenne du filtre sur les autres l ments de SWAP banc optique diaphragme etc sera tudi e au chapitre 5 a la section concernant les tudes de sensibilit Enfin les bilans de flux pour les diff rents l ments sont donn s en annexe la section A 3 3 6 7 Conclusion de la mod lisation du test sous Thermica Les r sultats de cette mod lisation montrent que la temp rature moyenne du filtre varie assez consid rablement en fonction de la qualit du contact avec son support d aluminium En effet vacuation de la chaleur re ue par le filtre tr s faiblement missif s effectue principalement par conduction avec le support Ainsi il est potentiellement int ressant de placer un capteur de temp rature sur le support dont la temp rature est relativement homog ne en raison de la conductivit thermique lev e de l aluminium Ceci permettra partir de la mesure des temp ratures du filtre et du support de caract riser la qualit du contact entre ces deux l ments Enfin des capte
171. s 0 02 Filtre conductif 110 4 8336 107 73 61 Bloc 600 1 1516 1072 17 54 Autres 1500et1600 8 85 Total 6 5666 107 6 5666 107 TAB A 19 Equilibre du noeud 120 mauvais contact Filtre noeud 130 El ment Noeud thermique Fluxin Flux_out W W Soleil 2 7900 107 87 76 Filtre conductif 140 3 8856 10 3 12 22 Autres 0 02 Filtre conductif 120 1 9145 10 7 60 22 Bloc 600 8 0483 10 3 25 32 Autres 1500et1600 14 46 Total 3 1792 107 3 1792 107 TAB A 20 Equilibre du noeud 130 mauvais contact 118 R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Annexe A Filtre noeud 140 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 9 3018 10 3 100 Filtre conductif 130 3 8856 107 41 77 Bloc 600 3 4017 1078 36 57 Autres 1500et1600 21 66 Total 9 3018 107 9 3018 1073 TAB A 21 Equilibre du noeud 140 mauvais contact Support i e noeud 200 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Filtre conductif 100 1 4827 1071 98 32 Autres 1 68 Facefiltre conductif 300 1 4707 107 97 53 Autres 2 47 Total 1 5080 10 7 1 5080 1077 TAB A 22 Equilibre du support mauvais contact Face Filtre i e noeud 300 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Support conductif 200 1 4707 107 69 82 Bloc conductif 600 5 6914 107 29 06 Autres 1 12 Plaque conductif 1500 2 0960 107 99 92 Autres 0 08 Total 2 1065 107 2 1065 107
172. s 100 kg dont le premier exemplaire a t lanc en octobre 2001 Chapitre 1 L instrument SWAP pour l observation du Soleil Fic 1 1 Vue g n rale de l instrument SWAP Apr s le passage du diaphragme le faisceau subit une premi re r flexion en incidence nor male sur le miroir primaire dont le rev tement multi couches s lectionne une troite bande de longueur d onde centr e sur 17 4 nm Une deuxi me r flexion sur le miroir secondaire de rev tement identique raffine cette s lection permettant d observer les raies du Fe IX 17 1 nm et du Fe X 17 4 nm et 17 5 nm Le faisceau traverse ensuite le deuxi me filtre d aluminium plac devant le bloc focal de l instrument afin d liminer la lumi re visible r siduelle L image se forme alors dans le plan focal pour tre recueillie par le d tecteur avant num risation et traitement bord du satellite Le d tecteur est de type APS CMOS adapt gr ce une technique novatrice l imagerie en extr me ultraviolet Ces d tecteurs in dits en application spatiale pr sentent plusieurs am liorations par rapport aux capteurs CCD classiques ils offrent une r sistance plus im portante aux conditions spatiales n cessitent une tension d alimentation plus faible et dissipent moins de puissance De plus une zone quelconque de la surface du d tecteur est directement accessible la lecture sans devoir examiner les autres pixels 3Fer ionis ne
173. s du baffle secondaire sont creus s de grands trous circulaires afin d all ger au maximum l ensemble Sous Thermica les baffles optiques sont mod lis s par de simples plaques verticales comme sur la figure 4 4 Elles sont reli es conductivement au banc optique et la face sup rieure du capot en prenant en consid ration la forme en U SB front entension Secondary baffle Diaphragm Fic 4 3 Baffles optiques primaire droite et secondaire gauche Focal Plane Assembly 47 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP Un connecteur en rouge sur la figure 4 3 permet de relier conductivement le petit baffle la face d entr e Dans le mod le le baffle et le connecteur sont repr sent s par deux plaques verticales figure 4 4 Le baffle primaire est galement reli conductivement a la face arri re du capot par un connecteur en noir sur la figure 4 3 Ce lien conductif est galement introduit dans le mod le en prolongeant simplement le baffle jusqu la face arri re FIG 4 4 Mod lisation des baffles optiques et du diaphragme 4 1 4 Diaphragme Le diaphragme ouverture circulaire de 33 mm de diam tre repr sent la figure 4 3 permet de limiter la taille du faisceau incident La mod lisation sous Thermica du diaphragme est visible la figure 4 4 Comme pour les baffles le mat riau choisi est l Invar recouvert de peinture noire 4 1 5 Miroirs La f
174. s le pied arri re noeud 803 est de 10 5 C Avec un pied en titane l arri re du banc optique est davantage isol de la structure du satellite il re oit environ 10 de flux en moins et sa temp rature est inf rieure celle d un pied en Invar La cons quence sur la temp rature du d tecteur n est pas n gligeable celle ci est de 13 76 C dans le cas d un pied en Invar et 14 30 C dans le cas du titane Les constatations sur les variations de temp ratures des l ments sont identiques en mode op rationnel froid D autre part le gradient thermique entre l avant tr s peu influenc par la nature du pied arri re et l arri re du banc augmente d environ un demi degr N anmoins cet in 87 Chapitre 5 R sultats et exploitation du bilan thermique Pied Invar Temp C Fluxin W Flux out W de 803 vers 803 noeud 9 8 07 3 99 107 noeud 10 11 00 8 36 107 Total 3 15 107 Pied titane Temp C Fluxin W Flux out W de 803 vers 803 noeud 9 7 17 2 95 107 noeud 10 10 77 2 39 107 Total 2 71 107 TAB 5 16 Comparaison entre un pied arri re en Invar et en titane cas chaud conv nient ne pr sente pas de risque suppl mentaire majeur pour les l ments optiques en particulier concernant les inclinaisons des miroirs D apr s la mod lisation effectu e et dans l objectif d obtenir un d tecteur aussi froid que possible le titane appara t
175. s prennent approximativement la m me temp rature que les l ments environnants ce qui pourrait poser un probl me au niveau de la contamination des surfaces optiques Ceci est parti culi rement pr judiciable pour l observation en extr me ultraviolet Enfin un pied arri re isolant davantage l instrument de la structure du satellite pourrait para tre plus indiqu cela permettrait d obtenir des temp ratures plus froides pour l arri re du banc optique et par suite pour le d tecteur En mode non op rationnel l instrument semble ne pas pr senter de points critiques Au d but de la vie en orbite la porte se trouve une temp rature acceptable qui devrait permettre au m canisme d ouverture de fonctionner correctement Lors des op rations de d contamination du d tecteur les chaufferettes permettent d atteindre une temp rature de 46 C n cessaire pour vaporer les contaminants d pos s sur les surfaces froides du d tecteur D autre part un mode survie particulier a galement t simul correspon dant une temp rature minimale de la structure du satellite ce qui peut arriver par exemple lors d une perte totale du contr le d attitude comme lors de l accident arriv SOHO en 1998 Dans ce cas certaines parties de l instrument descendent en de de la limite inf rieure de temp rature acceptable Il pourrait n anmoins tre int ressant moyen nant quelques dispositions particuli res de permett
176. s que la taille du radiateur son rev tement le lien conductif avec le bloc focal etc Toujours au point de vue design de l instru ment le mod le thermique d termine les endroits o une feuille isolante de MLI est n cessaire 20 La mod lisation thermique des instruments spatiaux Chapitre 2 Le mod le thermique constitue une base pour le calcul thermo m canique v rifiant que les d formations des l ments restent dans des limites admissibles Cela concerne en particulier la dilatation thermique du banc optique qui doit tre inf rieure 50 um pour maintenir l alignement des miroirs C est la diff rence entre la temp rature moyenne du banc en orbite et la temp rature de l alignement au sol 20 C qui importe La mod lisation thermique permet de pr voir le comportement thermique de l ins trument lors de certaines phases critiques de la mission telles que le d clenchement du m canisme d ouverture de la porte en orbite ou les op rations de d contamination par chauffage du d tecteur Leurs cons quences au point de vue thermique sont si mul es autorisant au besoin une adaptation de l instrument et ou du d roulement de ces phases D autre part la mod lisation thermique permet de pr parer les tests au sol comme le test devant un simulateur solaire l ESTEC en juin 2005 ou le test de balance thermique CSL en janvier 2006 Les r sultats des simulations d terminent par exemple le placement judic
177. sont celles du mode op rationnel chaud 29 0 C sous le pied avant 10 5 C sous le pied arri re Dans un premier temps aucune lectronique ne dissipe de puissance Ensuite avant louverture de la porte une premi re op ration de d contamination du d tecteur est d clench e Ces deux configurations sont mod lis es Il s agit donc de v rifier que la porte se trouve bien dans la plage de temp rature autorisant le bon fonctionnement de son m canisme d ouverture Enfin indiquons que cette ouverture s effectue en d pointant l en semble du satellite de quelques degr s pour viter un flux solaire direct sur les l ments 84 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 optiques Ceci polym riserait tr s rapidement les contaminants sur les surfaces optiques sans possibilit de d contamination ult rieure Sans dissipation Le tableau 5 13 pr sente les temp ratures atteintes par les principaux l ments de l ins trument SWAP banc optique entr e porte et l ments optiques Les temp ratures du capot sont peu pr s identiques celles du banc optique El ment Noeud Temp C El ment Noeud Temp C Banc optique 1 13 90 Filtre 100 13 12 2 13 71 110 12 85 3 10 26 120 12 60 4 10 29 130 12 40 5 6 72 140 12 09 6 7 13 Support 200 13 27 7 5 02 Face filtre 300 13 29 8 5 89 Grand baffle 15601 4 84 9 3 08 Petit baffle 15600 12 93 10 7 67 FiltreAR 5
178. sorb e par le radiateur noeud 55000 Puissance solaire absorb e par la porte Cartes des temp ratures du banc et des l ments optiques cas chaud Carte des temp ratures du capot cas chaud Variation de la temp rature du radiateur noeud 55000 Variation de la temp rature du d tecteur noeud 66000 Cartes des temp ratures du banc et des l ments optiques cas froid Carte des temp ratures du capot cas froid Flux solaire absorb au cours d une orbite noeud 110 Variation de la temp rature du filtre au cours de trois orbites noeud 110 Variation de la temp rature de la porte au cours de trois orbites Configuration du test de balance thermique dans Focal 2 vue de face Mod lisation du test de balance thermique D finition de la temp rature de puits et de l missivit quivalente Sch ma du mod le r duit de l instrument SWAP Calcul du lien radiatif Fisi Mod lisation de la monture de M1 Mod lisation du pied avant Section du pied arri re VIII Liste des tableaux 3 1 Propri t s thermo optiques du filtre 3 2 Mod le g om trique de l entr e de instrument 3 3 Propri t s des mat riaux de l e
179. st modul e annuellement par la variation de la distance Terre Soleil la valeur maximale est d environ 1410 W m au p rih lie et la valeur minimale est de 1320 W m l aph lie Le flux alb do terrestre QA Le flux alb do est le flux solaire r fl chi vers l espace par la Terre et son atmosph re La quantit d nergie r fl chie est tr s variable en fonction de la surface survol e la neige Le 2 janvier c est dire approximativement au solstice d hiver de l h misph re nord 17 Chapitre 2 La mod lisation thermique des instruments spatiaux ou les nuages renvoient jusqu 80 de l nergie solaire incidente tandis que les oc ans et les for ts n en r fl chissent que 10 Pour l ensemble de la Terre le coefficient moyen d alb do est de 0 3 Le spectre du rayonnement alb do est semblable au spectre solaire UV visible et IR La travers e partielle ou totale de l atmosph re terrestre entra ne la pr sence de bandes d absorption dans le spectre alb do CO2 H20 etc En raison de la nature des surfaces r fl chissantes le flux alb do est diffus et non plus parall le comme c tait le cas du flux solaire QS Le flux alb do total tombant sur une surface externe du satellite d pend de la nature de la surface survol e de la position relative Soleil Terre satellite et de orientation de la surface par rapport la Terre Le flux infrarouge terrestre QE La Terre tant en qui
180. t crire S Q k T AT 2 9 o Q est la puissance transport e entre les deux extr mit s W L la longueur de la barre i e la distance entre les noeuds extr mes m et AT la diff rence de temp rature entre les deux extr mit s K La formule 2 9 peut tre crite sous la forme Q C AT 2 10 ou ES C 2 11 est la conductance thermique de la barre s exprimant en W K Lorsque les conduc tances sont plac es en s rie la conductance globale est donn e par la loi de combinaison des conductances 1 1 1 1 eet eee teow ee Crt C1 Co C3 2 12 Par g n ralisation on appelle conductance le coefficient d change thermique par conduc tion entre deux noeuds thermiques des temp ratures respectives T1 et T2 La puissance chang e par conduction entre ces deux noeuds s crit ainsi Qi 2 Ci 2 Te Ti 2 13 16 La mod lisation thermique des instruments spatiaux Chapitre 2 Conductances de contact Un satellite ou un instrument est compos d l ments assembl s par des vis par collage par soudure etc Les r sistances de contact dans les liaisons entre les pi ces localisant le gradient thermique l interface plut t que dans les pi ces elles m mes sont tr s difficiles mod liser et sont souvent peu reproductibles d un assemblage l autre Id alement les conductances de contact sont valu es lors d essais sur des maquettes Une autre solu tion consiste s af
181. t de nouveau le flux solaire Pour le MLI recouvrant la face d entr e dont la capacit calorifique est pratiquement nulle la temp rature passe instantan ment de 62 8 C 47 9 C soit une amplitude de plus de 100 C La porte passe d une temp rature de 14 1 C 12 6 C comme le montre la figure 5 9 sur trois orbites L amplitude et la rapidit de la variation de temp rature sont nettement moins importantes tant donn la valeur lev e de la capacit calorifique de la porte L amplitude de la variation de temp rature du banc du capot et des l ments optiques est de quelques dixiemes de degr s l avant tandis que celle ci est n gligeable l arri re de l instrument Cependant il faut remarquer que les temp ratures des l ments sont l g rement inf rieures au mode op rationnel froid sans clipses Enfin il est noter que la variation de temp rature de quelques dixi mes de degr du radiateur au cours d une orbite est toujours observ e le flux infrarouge de la Terre ne change pas selon la nuit ou le jour en raison de l inertie thermique de l atmosph re 80 R sultats et exploitation du bilan thermique Chapitre 5 35 Temp110 Celsius Le 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 TIME s FIG 5 8 Variation de la temp rature du filtre au cours de trois orbites noeud 110 14 7 15 0 14 1 144 13 8 Temp 50000 Celsius 13 2 135 12 9 12 6 12 0 12 3
182. t et le banc optique Les valeurs des conductances sont indiqu es dans le fichier r capitulatif la section B 6 de l annexe B Miroirs et montures Les montures des miroirs ne sont pas repr sent es dans le mod le g om trique mais leur effet du point de vue conductif est pris en compte Une conductance directe entre le miroir et le banc optique est introduite dans le mod le 61 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP En mod lisant les montures de fa on simplifi e cellule d interface assimil e un cylindre et monture proprement dite mod lis e par des plaques il vient Cmonture m1 4 826 107 W K 4 7 Cmonture M2 3 058 107 W K 4 8 Les d tails du calcul sont fournis en annexe B la section B 3 Une tude de sensibilit de la valeur de ces conductances sur la temp rature des miroirs sera men e la section 5 2 Bloc focal FPA Le mod le simplifi du FPA comporte deux noeuds la bo te FPA fix e sur le banc optique se voit attribuer le noeud 65000 tandis que le d tecteur la cold cup et le doigt froid ont le noeud unique 66000 Ces noeuds sont reli s conductivement au radiateur Les valeurs des conductances tableau 4 7 sont issues du mod le r duit fourni par OIP C Valeur W K C 9 65000 2 200 1071 C 65000 66000 7 000 107 C 65000 55002 3 000 107 C 66000 55002 1 100 1071 TAB 4 7 Conductances du FPA 4 4 5 Conductance de la porte Dans la configurat
183. tant approximativement la m me temp rature Le flux de chaleur s coule ensuite de l avant vers l arri re du banc optique essentiellement par conduction D autre part comme le montre la figure 5 1 une l g re dissym trie est observ e entre la gauche et la droite l arri re du banc la chaleur du banc s chappe vers le FPA pos sur le noeud 9 pour tre vacu e finalement vers l espace par le radiateur Le banc optique est donc loin d tre d coupl du radiateur comme cela est initialement pr vu dans les sp cifications Cette constatation importante sera analys e la section 5 3 28 64 97 98 24 86 77 46 20 66 54 65 16 46 31 85 12 26 9 04 6 07 13 76 Fic 5 1 Cartes des temp ratures du banc et des l ments optiques cas chaud L coulement de la chaleur entre l arri re du banc optique noeuds 9 et 10 et la structure du satellite au travers du pied d Invar s effectue de mani re complexe La temp rature de la structure est interm diaire entre celles des noeuds 9 et 10 le noeud 10 vacue une partie de sa chaleur 0 1 W vers le pied tandis que le noeud 9 en re oit 0 4 W Au final le banc optique recoit de la chaleur en provenance de la structure du satellite Les cons quences importantes de cette constatation seront examin es la section 5 2 La carte des temp ratures des l ments optiques est illustr e la vue de droite de la figure 5 1 Elle montre que les temp ratu
184. te calorifique pour le filtre complet est ec 5 118 um 3 15 H equi 3 3 3 Notion de mat riau quivalent Il est possible pr sent d finir un mat riau quivalent pour le filtre complet alliage d aluminium et de nickel au prorata des volumes respectifs de la feuille d aluminium et de la grille 33 Chapitre 3 Mod lisation du filtre d entr e Les propri t s de ces deux mat riaux sont rappel es dans le tableau 3 5 Mat riau Conductivit Chaleur sp cifique Densit W K m J K kg kg m Aluminium 210 900 2699 Nickel 60 7 460 8880 TAB 3 5 Propri t s de l aluminium et du nickel Pour la conduction il a t obtenu la section pr c dente une paisseur quivalente de nickel de 2 621 um pour une paisseur d aluminium de 0 15 um Il est donc quivalent de consid rer un filtre d un mat riau unique constitu d un pourcentage d aluminium gal 1 Vou _ ea Lo Ee E 3 16 Viota eon 0 15 2 621 ce qui revient un pourcentage de nickel de 94 59 La conductivit thermique de l alliage est ainsi kputk kalu 0 0541 ky 0 9459 68 78 W K m 3 17 Pour la chaleur sp cifique il faut consid rer l paisseur quivalente de nickel calorifique c est dire 4 968 um Suivant le m me raisonnement le pourcentage d aluminium du mat riau quivalent est gal Valu _ Calu 0 15 2 93 3 18 Viota ec 0 15 4 968 3 18
185. te externe de la zone convective est consid r e par convention comme la surface du Soleil altitude z ro Au del de la zone convective se trouve la photo sph re r gion paisse de quelques centaines de kilom tres et constituant la surface visible du Soleil La temp rature moyenne de la photosph re est de 5800 K C est galement la r gion o apparaissent les granules et les taches dont le nombre est un indicateur de l ac tivit solaire La premi re couche de l atmosph re solaire imm diatement au dessus de la photosph re se nomme la chromosph re Dans cette r gion d une paisseur de quelques milliers de kilom tres la temp rature est de l ordre de 104 K Elle augmente ensuite tr s rapidement pour atteindre la zone de la couronne caract ris e par des temp ratures de l ordre de 106 K Il s agit d une immense r gion de plasma tr s t nu et tr s chaud mettant peu de lumi re visible et observable uniquement lors d une clipse En revanche les temp ratures lev es de la couronne en font une source importante de rayons nerg tiques des ultra violets aux rayons X La couronne n a pas de limite pr cise un flux de mati re chaude appel vent solaire s en chappe continuellement 1 2 2 L activit solaire L observation de la surface du Soleil met en vidence sa rotation variable avec la latitude 26 jours l quateur et plus de trente au niveau des p les et la modification cyc
186. te inf rieure indiqu e par le fournisseur N anmoins les derni res mesures effectu es CSL tendent prouver qu il n y a pas de limite physique inf rieure pour la temp rature du d tecteur hors fonctionnement Par contre les l ments de l lectronique de proximit situ es dans l environnement du d tecteur ne supportent pas priori des temp ratures aussi basses En conclusion un mod le plus pr cis du mode survie devra tre labor avec des temp ra tures pour le satellite plus r alistes et issues d un calcul de Verhaert Les conclusions devront alors tre tir es en cons quence A priori une structure de satellite 40 C est envisageable uniquement lors d une perte totale de contr le du satellite Proba 2 comme l accident arriv SOHO en juin 1998 N anmoins il serait int ressant que SWAP puisse survivre une telle ventualit 5 3 3 Dilatation thermique du banc optique De mani re g n rale la dilatation thermique d un l ment est donn e par l quation AL 77e AT 5 1 o e L est la dimension de l l ment dans la direction consid r e m e AL l cart entre la dimension finale et la dimension initiale m e a le coefficient de dilatation thermique s exprimant habituellement en um m K e AT V cart de temp rature K Tous les l ments de l instrument SWAP se dilatent et se contractent sous l effet des va riations de temp rature au cours de la mission Ceci
187. tionnel chaud temp ratures des l ments optiques 5 3 Mode op rationnel chaud temp ratures du capot du MLI et de la porte 5 4 Mode op rationnel chaud temp ratures du FPA et du radiateur 5 5 Mode op rationnel froid temp ratures du banc optique 5 6 Mode op rationnel froid temp ratures des l ments optiques 5 7 Mode op rationnel froid temp ratures du capot du MLI et de la porte 5 8 Mode op rationnel froid temp ratures du FPA et du radiateur 5 9 Mode d contamination temp ratures du FPA et du radiateur 5 10 Mode d contamination temp ratures des l ments de l instrument SWAP IX 70 70 72 73 76 76 78 79 82 83 5 11 Mode survie temp ratures des l ments de l instrument SWAP 83 5 12 Mode survie temp ratures du FPA et du radiateur 84 5 13 Mode porte ferm e sans dissipation temp ratures de quelques l ments 85 5 14 Mode porte ferm e sans dissipation temp ratures du FPA et du radiateur 85 5 15 Temp ratures stationnaires de l ensemble filtre pour diff rents contacts 86 5 16 Comparaison entre un pied arri re en Invar et en titane cas chaud 88 5 17 Dilatation thermique du banc optique pour les diff rentes phases de la mission 94 5 18 Test de balance thermique temp ratures de l ensemble FPA et du radiateur 98 5 19 Liens conductifs C _ entre les diff rents
188. trument dont les r sultats ont t donn s a la section 5 1 4 Les chaufferettes dissipant une puissance moyenne de 6 W augmentent la temp rature du d tecteur jusqu une temp rature d environ 46 C L influence sur la temp rature des autres l ments est similaire aux r sultats de la section 5 1 4 hormis l absence de gradient thermique dans le filtre d entr e En particulier la porte est amp une temp rature de 29 2 C ce qui devrait permettre au m canisme d ouverture de fonctionner correctement 5 2 Etudes de sensibilit 5 2 1 Influence de la qualit du contact du filtre Il a t vu au chapitre 3 que la temp rature du filtre tait fonction de la qualit du montage du filtre sur son support Trois cas ont t consid r s la section 3 4 pour la conductance de contact contact parfait interm diaire et mauvais Jusqu ici les r sultats ont t donn s dans l hypoth se d un contact interm diaire Il s agit maintenant d examiner la variation de cette temp rature du filtre dans le mod le complet et son influence ventuelle sur les autres l ments en particulier l endroit du banc optique o est fix la plaque supportant le filtre noeud 2 ou pour la face d entr e recevant la r flexion diffuse du filtre Le tableau 5 15 indique pour les diff rents contacts les temp ratures de l ensemble du filtre du banc optique noeud 2 et de la face d entr e partir du mode op rationn
189. ture du satellite et des panneaux solaires impos s une temp rature donn e correspondent aux noeuds aux limites du mod le et sont introduits en tant que noeuds B pour boundary dans le mod le Le tableau 4 5 indique les valeurs des temp ratures impos es fournies par Verhaert en cas chaud Le cas froid suppose des temp ratures inf rieures de dix degr s Les noeuds 800 et 803 correspondent aux endroits de la structure du satellite o sont fix s les pieds El ment Noeud Temp rature Satellite 30000 15 3 C Panneau avant 31000 59 8 C Panneau arri re 32000 28 9 C Base du pied avant 800 29 0 C Base du pied arri re 803 10 5 C TAB 4 5 Temp ratures impos es en cas chaud 4 4 Calcul des conductances thermiques Dans cette section les hypoth ses faites au chapitre pr c dent en vue du calcul conductif sont exploit es et les conductances entre les l ments sont calcul es Les principes de ces calculs tant analogues seuls quelques exemples typiques sont rapport s ici Les r sultats sont rassembl s sous forme de tableaux Les d tails des calculs se trouvent en annexe B Le 58 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 fichier de conduction complet introduit dans Thermica est galement reproduit en annexe B a la section B 6 4 4 1 Conductances calcul es par Thermica Le logiciel Thermica est capable de calculer certaines conductances dans le cas de g om tries si
190. u contact sera tudi e au chapitre 5 lors des tudes de sensibilit 4 5 Calcul des capacit s calorifiques Rappelons la d finition de la capacit calorifique exprim e en J K Ci M cp 4 13 o M est la masse de l l ment en kg et cp la chaleur sp cifique en J kg K Les capacit s calorifiques sont utilis es dans un calcul transitoire selon l quation 2 17 du chapitre 2 Le tableau 4 9 pr sente le bilan de masse de l instrument SWAP Les capacit s calori fiques sont calcul es partir de ce bilan de masse pour chaque l ment en tenant compte des chaleurs sp cifiques des mat riaux indiqu es au tableau 4 3 Les capacit s calorifiques sont r parties entre les diff rents noeuds d un l ment le cas ch ant La capacit calorifique du radiateur noeud 55000 55004 de la bo te FPA noeud 65000 et de l ensemble d tecteur cold cup doigt froid noeud 66000 sont fournies par le mod le r duit calcul par OIP 64 Mod lisation de l instrument SWAP Chapitre 4 Element Masse g Structure dont Banc optique 2630 Capot 1241 Baffle optique primaire 300 Baffle optique secondaire 161 Porte et m canisme d ouverture 715 Ensemble filtre entr e 76 Ensemble filtre arri re 81 Ensemble miroir primaire 400 Ensemble miroir secondaire 250 FPA et radiateur 1180 Connector Box 770 Diaphragme 200 Total 9 de marge 9590 TAB 4 9 Bilan de masse de l instrume
191. ue 1500 6 0445 107 38 85 Espace froid 999 1 047510 6 73 Autres 0 73 Total 1 5558 1 5558 TAB A 7 Equilibre du MLI contact parfait A 2 Contact interm diaire Filtre noeud 100 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Filtre conductif 110 1 0557 1071 62 33 Soleil 6 3601 107 37 55 Autres 0 12 Support conductif 200 1 6296 10 1 96 22 Bloc 600 4 8792 107 2 88 Autres 0 9 Total 1 6936 101 1 6936 1071 TAB A 8 Equilibre du noeud 100 contact interm diaire Filtre noeud 110 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 6 5111 107 54 88 Filtre conductif 120 5 3502 107 45 09 Autres 0 03 Filtre conductif 100 1 0557 107 88 98 Bloc 600 9 2353 1078 7 78 Autres 3 24 Total 1 1864 107 1 1864 107 TAB A 9 Equilibre du noeud 110 contact interm diaire 114 R sultats complets de la mod lisation du filtre d entr e Annexe A Filtre noeud 120 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 4 6506 107 68 53 Filtre conductif 130 2 1336 107 31 44 Autres 0 03 Filtre conductif 110 5 3502 1077 78 84 Bloc 600 9 5642 107 14 09 Autres 7 07 Total 6 7859 1077 6 7859 1077 TAB A 10 Equilibre du noeud 120 contact interm diaire Filtre noeud 130 El ment Noeud thermique Flux_in Flux_out W W Soleil 2 7900 107 86 43 Filtre conductif 140 4 3738 1078 13 55 Autres 0 02 Filtre conductif 120 2 1336
192. ue de l instrument SWAP t lescope d observation du Soleil en extr me ultraviolet embarqu bord du microsatellite Proba 2 L objectif principal tait de v rifier que la conception propos e de l instrument respectait les limites de temp ratures impos es au cours des diff rentes phases de la mis sion D autre part le mod le labor a pu tre exploit afin de simuler et de pr parer certains tests pr vus dans les mois venir Enfin un mod le r duit de quelques noeuds r sumant le comportement thermique l instrument a t labor et pourra tre utilis pour des analyses thermiques compl mentaires au niveau de l ensemble du satellite Proba 2 Dans un premier temps une attention particuli re a t port e au filtre d entr e de l ins trument constitu d une feuille d aluminium de 150 nm d paisseur renforc e par une grille de nickel La mod lisation effectu e montre que des temp ratures lev es peuvent tre atteintes par le filtre Sa r sistance aux hautes temp ratures et aux chocs thermiques lors des passages en clipses devra donc tre test e Au besoin une am lioration de la qualit du contact du filtre avec son support devra tre utilis e lui permettant d vacuer davantage de chaleur par conduction et de pr senter ainsi une temp rature moyenne plus basse Ensuite le mod le complet a t labor en introduisant les l ments de l instrument ayant un impact sur le comport
193. ues induisent dans la cro te terrestre des courants g omagn tiques appel s GIC Geomagnetically Induced Current circulant dans tout bon conducteur rails de chemin de fer pipelines c bles transoc aniques lignes lectriques etc L exemple le plus connu de panne g n ralis e due aux GIC s est produit au Qu bec le 13 mars 1989 Le Qu bec fut plong dans le noir pendant plus de neuf heures Dans l espace Les orbites de la plupart des satellites sont situ es l int rieur de la magn tosph re dont la fronti re c t Soleil se situe aux environs de 10 rayons terrestres Tr s exceptionnel lement la compression de la magn tosph re peut tre suffisante pour qu un satellite en orbite g ostationnaire environ 6 rayons terrestres se trouve au del de la magn topause Les cons quences peuvent alors tre d sastreuses En p riode normale les principales d gradations craindre pour les satellites sont des bruits de fond proportionnels aux flux en particulier sur les d tecteurs des exp riences scientifiques des d rives des caract ristiques pouvant long terme entra ner une perte de fonc tionnalit par effet de dose cumul e exemple d gradation des cellules solaires des anomalies instantan es par d charges lectrostatiques des v nements singuliers associ s aux ions lourds dans les circuits lectroniques etc De plus le rayonnement ultraviolet peut d grader de f
194. uf fois L instrument SWAP pour l observation du Soleil Chapitre 1 Une autre innovation concerne les algorithmes de traitement d images embarqu s a bord du satellite L am lioration de la m thode de compression entraine une r duction du flot de t l mesures envoy vers les stations au sol permettant d atteindre une cadence d mission d une image toutes les deux minutes La figure 1 2 pr sente la position de SWAP parmi la charge utile du satellite Proba 2 a cot du radiom tre LYRA Direction du Soleil LYRA SWAP N Fic 1 2 Charge utile du satellite Proba 2 L instrument SWAP est fix a la structure de Proba 2 par deux pieds sous l avant et l arri re du banc optique D autre part le radiateur de SWAP vacuant vers l espace froid la puissance dissip e par le d tecteur se trouve partiellement en vue des panneaux solaires du satellite Ces deux aspects entraineront des cons quences importantes au point de vue thermique Enfin le satellite se trouvera sur une orbite circulaire h liosynchrone de noeud ascendant 18h une altitude de 755 km ce qui correspond une inclinaison de 98 4 Une telle orbite ne pr sente pas d alternance jour nuit en dehors des p riodes de solstices environ trois mois par an Une clipse dure alors au maximum vingt minutes pour une p riode orbitale de cent minutes L attitude du satellite est celle d un pointage inertiel solaire avec un changement
195. uissances inject es sur la moiti arri re sans consid rer l ensemble FPA et le radiateur Elle se r duit donc l autre moiti de la puissance dissip e dans la bo te de connecteurs En mode op rationnel chaud constante solaire de 1410 W m et rev tements en fin de vie il vient Q Qnet filtre F Qnet porte 7 1 226 W 5 25 Q2 1 550 mW 5 26 Concernant les noeuds de la bo te FPA et du d tecteur il s agit simplement des puissances dissip es par les l ments lectroniques Q3 525 mW 5 27 Qs 150 mW 5 28 Enfin la puissance sur le radiateur est la somme des flux incidents flux infrarouge et alb do terrestres et flux en provenance des panneaux solaires du satellite en cas chaud Il s agit cette fois du flux r ellement absorb un lien radiatif calcul par Thermica avec Vespace froid est en m me temps introduit Qs 1 456 W 5 29 Les puissances inject es sont galement calcul es pour le mode op rationnel froid et pour le mode survie 5 5 4 V rification du mod le r duit Il s agit maintenant de v rifier que le mod le r duit permet de retrouver les temp ratures de l instrument dans les modes op rationnels chaud et froid et dans le mode survie Les liens conductifs et les liens radiatifs entr s dans le mod le r duit sont ceux des tableaux 5 19 et 5 20 Mode op rationnel chaud En mode op rationnel chaud les puissances inject es sont indiqu es ci dessus Les
196. urs de temp rature peuvent tre plac s sur la plaque d Invar et un endroit quelconque du bloc permettant de v rifier le comportement thermique de l entr e de l instrument 42 Chapitre 4 Mod lisation de l instrument SWAP Ce chapitre traite des diff rentes tapes de la mod lisation thermique de l instrument SWAP Les concepts th oriques vus au chapitre 2 sont appliqu s de la d finition de la g om trie de l instrument la r solution des quations de bilan thermique Dans un premier temps les l ments de l instrument SWAP prendre en compte du point de vue thermique sont d crits et introduits dans le mod le g om trique L accent est mis sur les hypoth ses faites tant du point de vue des simplifications de la configu ration g om trique r elle que des approximations pr parant le calcul des conductances thermiques Ensuite l environnement de l instrument est consid r concernant son interface avec le satellite L influence du satellite se fait sentir aussi bien sur le plan radiatif au niveau du flux re u par le radiateur en provenance des panneaux solaires que sur le plan conductif par l interm diaire des pieds reliant SWAP la plateforme du satellite Cet environnement constitue les conditions aux limites impos es au mod le La troisi me section expose le d coupage en noeuds thermiques du mod le de l instru ment SWAP pr cisant les propri t s des mat riaux et des rev
197. vent tre variables en fonction du temps ou de la temp rature Cer tains noeuds appel s noeuds aux limites ont une temp rature impos e fixe ou variable dans le temps constituant les conditions aux limites impos es au mod le Par exemple l espace froid est mod lis par un noeud 3 K Le mod le doit en outre comporter tous les couplages thermiques reliant les diff rents noeuds Il faut donc d finir deux matrices de dimensions N x N Matrice des couplages radiatifs Y _ en m gt Matrice des couplages conductifs C _ en W K Le mod le thermique doit aussi inclure les flux radiatifs solaire alb do et infrarouge terrestres absorb s par les noeuds comportant des surfaces expos es ces flux Puissance solaire absorb e QS Puissance alb do terrestre absorb e Q Puissance infrarouge terrestre absorb e QE 14 La mod lisation thermique des instruments spatiaux Chapitre 2 2 2 1 Les changes radiatifs Les changes thermiques radiatifs sont li s au ph nom ne d absorption et d mission des rayonnements lectromagn tiques par les surfaces On peut crire pour une surface quel conque et une longueur d onde a p T l 2 1 o a pet T sont respectivement les coefficients d absorption de r flexion et de transmission de la surface consid r e d pendant de la longueur d onde Un corps opaque est caract ris par 7 0 Selon la loi de Kirchhoff il

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