L'environnement thermique unique des cratères ombragés

Les cratères spatiaux qui opèrent à l'intérieur de cratères à ombre permanente sur la Lune, Mercure ou d'autres corps aérospatiaux rencontrent l'un des environnements thermiques les plus extrêmes du système solaire. Ces cratères, souvent situés près des pôles, sont protégés de la lumière directe par des jantes de cratères ou des topographies environnantes, créant des régions qui n'ont pas vu la lumière du soleil depuis des milliards d'années. Les températures de surface dans ces zones peuvent plonger en dessous à 230°C (43 K), condition qui gèlerait la plupart des matériaux électroniques, craindrait les matériaux structuraux et rendrait inefficaces les lubrifiants standard. L'absence d'un complexe atmosphérique constitue le défi, car les seuls mécanismes de transfert de chaleur sont la conduction dans l'espace froid.

Techniques clés de régulation thermique

Techniques passives

Isolation multicouche (MLI)

[Les couvertures MLI sont constituées de couches alternantes de minces films polymériques, typiquement Kapton ou Mylar, revêtues d'un métal réfléchissant tel que l'aluminium ou l'argent. Chaque couche agit comme un bouclier de rayonnement, réduisant efficacement le transfert de chaleur par rayonnement à une fraction très petite de celle d'une surface nue. Dans un environnement sous vide où il n'existe pas de convection, le MLI peut limiter la perte de chaleur à moins de 1 % de ce qui se produirait sans isolation. Les couvertures sont adaptées à la géométrie spécifique de l'engin spatial, avec des découpes pour les antennes, les instruments et les propulseurs. Le MLI est léger, idéal pour les missions à masse constante, et il peut être conçu pour résister aux impacts micrométéoroids. Toutefois, dans les cratères à ombre permanente, le MLI seul est insuffisant parce qu'il doit encore disperser la chaleur produite à l'intérieur des installations électroniques et des systèmes de propulsion.

Revêtements thermiques et traitements de surface

En plus des surfaces de la MLI, les surfaces des vaisseaux spatiaux sont délibérément revêtues pour gérer l'absorption et l'émission de chaleur. Les revêtements de commande thermique ont des valeurs spécifiques d'absorption solaire (α) et d'émission infrarouge (ε). Pour un vaisseau spatial qui doit rejeter la chaleur interne tout en restant au chaud, un revêtement avec des surfaces de radiateurs élevées (idéalement proches 1) et basses α est choisi. Dans les cratères à ombre, l'absence de flux solaire direct signifie que α devient moins important; la principale préoccupation est de minimiser la perte de chaleur radiative. Par conséquent, les surfaces sont souvent peintes avec des revêtements blancs ou métalliques qui reflètent le faible rayonnement thermique des parois du cratère et de la Terre (pour les missions lunaires).

Matériaux de changement de phase (PCM)

Les matériaux de changement de phase sont une méthode passive pour amortir les fluctuations de température. Un PCM est une substance – souvent un mélange de cire, d'hydrate de sel ou de paraffine – qui absorbe la chaleur pendant la fusion et la libère pendant la solidification à une température presque constante. En intégrant les conteneurs PCM dans la structure ou l'interface thermique de l'engin spatial, les ingénieurs peuvent stocker l'excès de chaleur pendant les périodes chaudes (p. ex., lorsque l'engin spatial se croise brièvement dans la lumière du soleil ou lorsque l'électronique interne est alimentée) et libérer cette chaleur pendant que l'engin spatial se refroidit, en maintenant les composants dans leur gamme de fonctionnement.

Techniques actives

Unités de chauffage par radioisotopes (UHR)

Lorsque les méthodes passives ne permettent pas d'alimenter suffisamment de chaleur, les engins spatiaux se tournent vers les appareils de chauffage radioisotopes. Les URC sont de petites capsules scellées contenant une granulométrie de plutonium-238 dioxyde[ qui génèrent de la chaleur par décomposition radioactive naturelle. Chaque URC produit environ 1 watt de puissance thermique et pèse environ 40 grammes. Elles sont extrêmement fiables, avec des demi-vies de 87,7 ans, ce qui signifie qu'elles peuvent fournir de la chaleur pendant des décennies. Les URC sont utilisés de façon intensive dans des missions spatiales profondes comme le laboratoire scientifique de Mars, l'engin Voyager et la sonde New Horizons, mais elles sont également précieuses pour les missions de gratte-ciels lunaires.

Chauffe- chaleur et systèmes de commande électriques

Les appareils de chauffage à résistance électrique sont les plus courants. Ils sont légers, faciles à contrôler et peuvent être placés exactement là où la chaleur est nécessaire. Les appareils de chauffage à commande thermique qui s'allument lorsqu'un capteur indique une température inférieure à un point de réglage (généralement autour de -40°C pour la survie) et s'éteignent lorsque la température dépasse un autre seuil. Ces appareils de chauffage sont alimentés par le bus électrique de l'engin spatial, qui, dans les cratères à ombre, est habituellement alimenté par des batteries ou un système d'alimentation en passage à isotopes (comme un MMRTG). Pour conserver l'énergie, les appareils de chauffage sont souvent disposés en zones, avec des composants critiques (vapeurs, batteries, unités de mesure d'inertie) qui reçoivent la priorité.

Cryocoolers pour instruments sensibles

Pour les appareils à température ambiante, [les appareils à température ambiante sont souvent plus froids 10 K à 80 K. Dans les cratères à longue distance, où l'environnement est déjà à des températures cryogéniques, le défi est différent: l'instrument doit être amené à une température encore plus basse et maintenu stable. Les refroidisseurs actifs, tels que , sont utilisés pour atteindre ces températures ultra-faibles. Ces appareils utilisent des compresseurs mécaniques et des cycles d'expansion du gaz pour extraire la chaleur d'une tête froide, mais ils doivent être rejetés pour un radiateur plus chaud. Les refroidisseurs à température ambiante peuvent fournir plusieurs watts de refroidissement à 40 K avec une efficacité de quelques pour cent de Carnot.

Systèmes de transport de chaleur

Tubes de chauffage et tuyaux de chauffage en boucle

Les tuyaux de chaleur sont des tubes scellés chargés d'un fluide de travail qui transfère passivement la chaleur d'une source chaude à un évier froid par évaporation et condensation. Dans un cratère ombragé, un tube de chaleur peut relier une boîte électronique chaude à un panneau de radiateur orienté vers un patch de ciel légèrement moins froid. Comme le plancher du cratère est extrêmement froid, le radiateur peut être très efficace, mais le tuyau doit être conçu pour démarrer et fonctionner à basse température. Les tuyaux de chaleur de conductance variable (VCHPs) peuvent ajuster leur conductance thermique en fonction de la pression de vapeur du gaz non condensable, permettant à l'engin de retenir la chaleur lorsque les charges internes sont faibles.

Interrupteurs thermiques

Dans un cratère à ombre, un interrupteur thermique peut empêcher un radiateur froid de vider la chaleur de l'engin spatial lorsqu'il n'est pas nécessaire. Lorsque l'engin spatial génère de la chaleur résiduelle, l'interrupteur se ferme, permettant au radiateur de passer de la chaleur et de la rejeter. Il existe plusieurs modèles : ]]]]]]]]][FLT:]][F[F][F][F

Contrôle thermique pour des missions spécifiques

Missions lunaires : Shackleton, Faustini et au-delà

Le pôle sud lunaire abrite plusieurs grands cratères à ombre permanente, dont Shackleton, Faustini, Shoemaker et Sverdrup. Les missions prévues comme NASA=VIPER (Volatiles Investigation Polar Exploration Rover) et ]Le programme commercial Lunar Payload Services (CLPS) nécessitera des systèmes thermiques capables de fonctionner à des températures cryogéniques. VIPER portera un mélange de MLI, de chauffages électriques et d'un système d'alimentation en radioisotopes pour maintenir ses batteries et instruments au chaud pendant les longues ombres qu'il traversera. De plus, la conception du rover=]Lunar Reconnaissance Orbiter qui sépare le compartiment électronique chaud de la peau froide, en utilisant des tuyaux de chaleur pour distribuer la chaleur des zones de réchauffement du RHU.

Missions sur le mercure : MESSENGER et BepiColombo

Les cratères à ombres de Mercure connaissent des conditions encore plus extrêmes que la Lune en raison de la proximité de la planète avec le Soleil. Les jantes de cratères à lumière solaire peuvent dépasser 400°C, tandis que les planchers à ombres sont aussi froids que -180°C. MESSENGER (qui a orbiter Mercure de 2011 à 2015) et le BepiColombo européen-japonais (en transit) utilisent tous deux un contrôle thermique sophistiqué. BepiColombo , un Orbiteur planétaire de Mercure (MPO) s'appuie sur un à haute température MLI couche extérieure, pare-soleil recouvert de céramique et un système complexe de tuyaux de chaleur et de radiateurs pour rejeter la chaleur solaire intense.

Missions d'astéroïdes et de comètes

Les petits corps comme les astéroïdes et les comètes peuvent aussi avoir des cratères d'ombre où les températures baissent de façon spectaculaire. La mission OSIRIS-REx à l'astéroïde Bennu a utilisé une combinaison de MLI, de chauffages électriques et d'un radiateur passif pour protéger son bras d'échantillonnage et ses instruments pendant les périodes froides où l'engin spatial était sur le côté sombre de l'astéroïde. La mission Rosetta à la comète 67P/Churyumov‐Gerasimenko a dû gérer les variations de température extrêmes au fur et à mesure que la comète passait sur son orbite; l'atterrisseur Philae, qui a touché une région partiellement ombragée, n'a pas réussi à obtenir suffisamment de lumière pour ses chauffages et est entré en hibernation.

Approches novatrices et développements futurs

Matériaux avancés

Ces matériaux poreux, composés de matrices de silice, de carbone ou de polymères, ont une très faible conductivité thermique, souvent inférieure à 0,02 W/m·K. Lorsqu'ils sont appliqués en mousse ou en couche mince, les aérogels peuvent remplacer les MLI encombrants dans certaines applications, surtout lorsque le support structurel est nécessaire. Pour les cratères houleux, des composites d'aérogel résilients peuvent être utilisés pour ligner l'intérieur des boîtiers des instruments, réduisant ainsi la perte de chaleur par conduction.

Systèmes thermiques régénératifs

Un concept prometteur est de combiner les PCM avec des tuyaux thermiques en un système de régulation thermique régénératrice. Pendant les brèves périodes où un rover est éclairé (par exemple, au bord d'un cratère), l'énergie excédentaire peut être utilisée pour fondre un PCM. Plus tard, lorsque le rover se déplace dans l'ombre profonde, la chaleur latente du PCM est libérée pour garder l'électronique au chaud. Cela peut réduire le besoin de chauffages électriques et prolonger la durée de vie de la mission. NASA=Game Change Development] programme a financé des travaux sur de tels systèmes pour les rovers lunaires. Les prototypes initiaux ont démontré la capacité de stocker plusieurs watt-heures d'énergie thermique par kilogramme de PCM, avec des gains d'efficacité suffisants pour plusieurs cycles diurnes lunaires.

Utilisation des ressources in situ (IRU)

À long terme, les missions de cratères ombreux peuvent être en mesure d'exploiter les ressources locales pour le contrôle thermique. On peut empiler le régolith lunaire pour créer des bermes qui fournissent une isolation passive. Certaines études ont suggéré que le régolith fritté par micro-ondes pourrait former des briques solides ou des plaques qui agissent comme barrières thermiques. La glace d'eau, si elle est accessible, pourrait être fondue et congelée pour créer une masse thermique.

Conclusion

L'exploration de cratères à ombre permanente constitue l'une des frontières les plus exigeantes pour l'ingénierie thermique des engins spatiaux. La combinaison de températures ultra-faibles, de longues durées sans lumière solaire et de la nécessité de préserver des instruments scientifiques sensibles nécessite une approche multiforme et en couches.Les meilleures stratégies de régulation thermique intègrent l'isolation passive, les tampons de changement de phase et le chauffage actif à partir de sources radioisotopes ou de chauffages électriques, soutenus par des systèmes de transport de chaleur qui peuvent s'adapter aux gradients de température extrêmes.Les missions au pôle sud lunaire, les cratères polaires Mercure, et même les surfaces d'astéroïdes glacés, démontrent déjà ces techniques en pratique.