L’environnement spatial d’un satellite
Atmosphère
Gravité
Rayonnement
Particules chargées Vide
Débris spatiaux
L’environnement spatial d’un satellite
Gravité
Selon Newton, la force de gravité décroit en fonction de la distance de la terre
G = 6.67 x10-11 N·m2·kg-2
• Masse de la terre m1 = 6 x 1024 kg
• Rayon de la terre R = 6378 km• Altitude r = 300 km (LEO)
La force à LEO est toujours 91% de la force à la surface.
=
Gravité
L'environnement de microgravité de l'espace offre un environnement unique pour effectuer la recherche avec le potentiel de mener aux produits et aux technologies• Aucune sédimentation/stratification • Aucune pression hydrostatique• Moins de contact avec le récipient
La microgravité a été un domaine de recherche important• Peut révolutionner des méthodes de fabrication
traditionnelles particulièrement dans les secteurs biomédicaux et de développement des drogues
Astronaute Joe Allen essayant de boire son jus d’orange sur la navette spatiale
Microgravité
Gravité
L'exposition humaine à la microgravité pendant des périodes prolongées peut exercer des effets dangereux sur la santé• En réponse à une période prolongée de l'apesanteur,
les divers systèmes physiologiques commencent à changer tandis que les muscles inutilisés peuvent s'atrophier
• Ce sujet sera discuté dans le prochain module, Vie et fonctionnement dans l'espace
Microgravité
Astronautes russes, hollandais et américains dans le module “Unité” de l'ISS
L’environnement spatiale d’un satellite
Atmosphère
L’atmosphère terrestre ne termine pas abruptement• S’étend des centaines de km au-dessus de la surface
L'atmosphère affecte un vaisseau spatial dans l’orbite basse terrestre (au-dessous d'approximativement 600 kilomètres) de deux manières :
• Drague: raccourcit des vies orbitales en ralentissant la vitesse orbitale du satellite
• Oxygène atomique: dégrade des surfaces du vaisseau spatial
Atmosphère
La pression atmosphérique représente la force par unité de superficie exercée par le poids de l'atmosphère• La pression atmosphérique
diminue exponentiellement avec l'altitude
La densité atmosphérique indique combien de molécules sont trouvés dans un volume spécifique• La densité moléculaire diminue
nettement avec l'altitude, par exemple :
• 100 km: 1 × 1020 molécules/m3
• 300 km: 1.4 × 109 molécules/m3
Drague
Pression atmosphérique / altitude
Atmosphère
En dépit de la diminution de la densité atmosphérique, l'effet de la drague sur des satellites réduit des vies orbitales au-dessous des altitudes d'approximativement 600 kilomètres• Altitude plus bas = plus de drague
La drague est fonction de: • Densité atmosphérique• Paramètres du satellite
TailleFormeVitesseOrientation
Drague
Atmosphère
L’équation dedrague
ACdd2
2
1vF
• Fd est la force de la drague
Opposé à la direction du voyage• ρ est la densité atmosphérique• v est la vitesse de l’objet par rapport
à l’atmosphère• A est l’aire de la section tranversale
présenté à l’atmosphère
• Cd est le coéfficient de drague
Quantité sans dimensions qui décrit la forme de l’objet et son intéraction avec l’atmosphère Cd petit
Cd élevé
Coéfficient Ballistique (BC)
ACmBC
d
Masse du satellite
Drague
Atmosphère
Oxygène atomique
• Au niveau de la mer, l'air se compose d'azote de 78%, d'oxygène de 21% et de 1% d'autres gaz
Normalement l'oxygène est sous forme de O2
• Le rayonnement et les particules chargées à haute altitude font déssocier O2 dans l'atmosphère
Produit oxygène atomique
L'oxygène atomique cause la dégradation des surfaces des satellites
Oxydation
• Une grande partie de l'oxygène atomique combine avec de l'O2 pour former l'ozone (O3)
L'ozone bloque le rayonnement UV
Oxygène atomique
Atmosphère
Effets de l'oxygène atomique
• Peut réagir avec:
Films minces organiques
Composés avancés
Surfaces métalliques
• Les réactions chimiques d'oxygène atomique peuvent produire les constituants lumineuses qui peuvent émettre des quantités significatives de rayonnement
“Lueur de la navette”
• Érosion des matériaux
Lueur de navette
Aurore australe
Lueur de navette
Oxygène atomique
L’environnement spatial d’un satellite
Le vide
La densité atmosphérique diminue nettement avec l'altitude • À 1000 km la densité de l’air est ~1012 fois moins qu’à la
surface de la terreCependant, il reste environ un million de particules
par centimètre cubiqueUn vide pur est presque impossible à obtenir
L'espace s'appelle un vide proche ou le vide dur Le vide proche de l'espace pose trois problèmes potentiels
• Dégazage : dégagement des gaz des matériaux du satellite
• Soudage à froid : fusionnement ensemble des composants en métal
• Transfert de chaleur : Aucune atmosphère pour distribuer l'énergie calorifique
Le vide
La masse est perduLe processus augmentera avec les
températures plus élevées• Habituellement pas un problème
important, toutefois les molécules peuvent enduire les capteurs sensibles ou effectuer les composants
Des lubrifiants dégazent facilement• Des lubrifiants spéciaux sont exigés
Exemple : le molybdène-bisulfure (MoS2)
Dégazage
• Certains matériaux tels que des plastiques peuvent libérer les gaz emprisonnés une fois exposés à un vide
Les panneaux solaires d'Anik F1 ont dégradé plus rapidement que prévu, probablement en raison du dégazage
Dégazage
Le vide
Soudage à froid• Se produit entre les pièces mécaniques qui ont la
séparation très petite entre elles• Dans le vide de l'espace ces pièces peuvent devenir
collés, essentiellement soudés ensemble• Les contrôleurs essayent de diverses techniques à
décoller les piècesExposer une partie au soleil et l'autre à l’ombre de
sorte que le chauffage différentiel puisse faire séparer les pièces
• Les concepteurs essayent d'éviter les pièces mobiles autant que possible pour empêcher le soudage à froid
Soudage à froid
Soleil
Terre
Flux solaire directe
Émission IR terrestre*
Chauffage et rayonnement
internes du satellites
Le vide
Des sources de chaleur dans
l'espace
Énergie solaire réflétée*
Chauffage moléculaire libre*(frottement atmosphérique)
Sources identifiées par un astérisque* sont plus important pour des basses orbites terrestres
Transfert de chaleur
Le vide
Transfère de chaleur• La chaleur peut être transférée par :
ConductionConvectionRayonnement
• L'environnement de vide crée des problèmes avec le transfert de chaleur
• La conduction et la convection exigent un milieu et peuvent être employées dans le vaisseau spatial pour le transfert de chaleur
• Le rayonnement est la méthode primaire pour déplacer la chaleur hors d'un vaisseau spatial
Les portes de la navette contiennent les radiateurs qui rassemblent la chaleur du compartiment
d'équipement et la vident dans l'espace
Transfert de chaleur
L’environnement spatial d’un satellite
Débris spatiaux
20,000 tonnes de matériaux cosmique frappent la terre chaque année• Inclut principalement la poussière cosmique (jusqu'à
0.1 millimètre de taille) et des micrometéoroïdes (< 1 gramme de masse)
Poussière cosmiqueMicrométéroroïde découverte dans
l’antarctique
Débris spatiaux
En 1983 un flocon de peinture 0.2 mm de diamètre a frappé le pare-brise de Challenger, rendant une trou 4 mm de large
Cerise, un satellite de reconnaissance français a eu une perche d'antenne découpée par un morceau de fusée en 1996
Le risque de collision avec les objets naturels est faible Un plus grand problème est l'accumulation des débris
spatiaux synthétiques, ou ordure spatiale• Avec presque chaque mission des pièces des
satellites, les segments de systèmes de propulsion et d'autres morceaux assortis sont laissés dans l’espace géocentrique, posant des risques sérieux
L’environnment spatial d’un satellite
Rayonnement
La lumière visible heurtant le vaisseau spatial peut être convertie en énergie électrique en utilisant des cellules photovoltaïques, ou cellules solaires
• Source de puissance fiable et abondante
Le rayonnement peut également poser des problèmes pour le vaisseau spatial
• Chauffage des surfaces exposées
• Dommages aux surfaces et composants électriques
• Pression de rayonnement
L’environnement spatial d’un satellite
Particules chargées
Peut-être l'aspect le plus dangereux de l'environnement de l'espace est l'influence des particules chargées
Les sources deces particules incluent :• Rayonnements cosmiques galactiques (GCRs)
Particules chargées qui produites en dehors du système solaire
Haute énergie, produite en supernovas, Big Bang• Vent solaire, éruptions chromosphérique, CME
Le vent solaire est un jet des particules chargées qui sont éjectées de l'atmosphère du soleil
Les flares et CMEs augmentent le nombre de particules chargées émanant du Sun
Les ceintures de Van Allen forment en raison du piégeage des particules chargées du vent solaire
Particules chargées
Le champ magnétique de la terre produit une magnétosphère qui entoure la terre et bloque le vent solaire de frapper l'atmosphère directement
MagnétopauseBow shock
MagnétosphèreVent solaire
Ceintures Van Allen
Particules chargées
La ceinture de Van Allen intérieure s'étend d'une altitude d'environ 2,000 à 5,000 km au-dessus de la terre• Contient principalement des protons avec des énergies
dépassant 100 MeV La ceinture de Van Allen externe s'étend d'une altitude
d'environ 13,000 à 19,000 kilomètres• Principalement électrons de haute énergie 0.1-10 MeV
Zone éxtérieur
Zone intérieur
Les protons de haute énergie de la ceinture intérieure causent la plus grande menace pour des missions spatiales
Ceintures Van Allen
Particules chargées
La ceinture de Van Allen intérieure (protons de haute énergie) plonge aussi bas que 200 km près de Brésil, créant un phénomène connu sous le nom d'anomalie magnétique de l’atlantique sud
• Un satellite en LEO reste au-dessous de la ceinture de protons, excepté à l'anomalie atlantique du sud
Les planificateurs de mission doivent se rendre compte
• Éviter si possible!
Ceintures Van Allen
Particules chargées
Tandis que les ceintures de Van Allen nous protègent contre les particules chargées, elles créent un problème pour les vaisseaux spatiaux orbitant la terre
Ces problèmes incluent :
• Accumulation de charge électrique
• Phénomène d’évènement singulier (SEP)
• Pulvérisation cathodique (sputtering)
• Effets de dose cumulative
Particules chargées
Accumulation de charge électrique
• Se produit quand les charges s'accumulent sur les surfaces du vaisseau spatial pendant qu'il se déplace en des régions concentrés des particules chargées
• Une fois que cette charge s'accumule, la décharge peut :
Endommager les enduits extérieurs
Dégrader les panneaux solaires
Réduire la puissance électrique
Endommager les éléments et circuits électroniques
Accumulation de la charge
Particules chargées
Phénomène d’évènement singulier (SEP)• Se produit quand une particule chargée simple
pénètre le vaisseau spatial et cause une rupture Les SEPs possibles incluent :
• Single Event Upset (SEU) - un bit est renversé sans dommages au composant
• Single Event Latchup (SEL) – le composant cesse de fonctionner et demande un courant excessifArrêt et relancement requisDommages d'alimentation possibles
• Single Event Burnout (SEB) - échec permanent• Bruit de fond et faux événements
Capteurs d’étoiles, détecteurs infra-rouges, capteurs électroniques photographiques (CCDs)
SEP
Particules chargées
Pulvérisation cathodique (sputtering)• Dommages faits par des particules à grande vitesse à
la surface du vaisseau spatial• Analogue au sablage• Peut endommager l'enduit thermique et les capteurs
d'un vaisseau spatial Dose cumulative
• Dommages à long terme par des protons et des électrons de haute énergie à la structure cristalline des semi-conducteurs
• L'efficacité du matériel est dégradée avec le temps, posant des problèmes avec les ordinateurs
• Peut être atténué en protégeant des composants et en employant le code informatique rédondant
Pulvérisation cathodique, dose cumulative
Particules chargées
Conditions pour la radioprotection
• De orbites LEO près du plan équatorial sont légèrement protégées par le champ magnétiqueException est l’anomalie magnétique de
l’atlantique du sud• Les orbites polaires sont moins protégées
Les lignes de champ magnétique sont ouvertes aux poles, acheminant des concentrations plus élevées des particules de haute énergie
• Des orbites fortement elliptiques sont exposées aux ceintures de radiations si le périgée est assez bas
• Orbites géosynchrones/géostationnaires sont moins protégées par le champ magnétique de la terreL'armature est exigée
Protection
Particules chargées
La protection contre les particules énergetiques inclue :• L’armature passive
Aluminium, H20 and le polyéthylène sont des bons matériaux de protection
• L’armature magnétique peut dévier des particules avec des énergies au-dessous d'une valeur donnéeDes énergies au-dessus de la valeur et des ions
lourds (GCRs) sont peu déviésL’armature passive, correctement conçu, est plus
efficace que l'armature magnétique• Radioprotection chimique
Les É-U et la Russie ont employé l'acide thiophosporic d'aminopropylin-aminoéthyle (APAETF) qui peut réduire des doses par 3x
Protection