Le défi du contrôle thermique en CubeSats

Les satellites miniatures, de taille réduite et à faible coût, construits autour d'une unité de 10 cm × 10 cm × 10 cm (1U), ont ouvert de l'espace aux universités, aux start-ups et aux instituts de recherche. Leurs dimensions réduites et leur coût peu élevé permettent une itération rapide et des missions diverses, de l'observation de la Terre aux démonstrations technologiques. Cependant, les mêmes contraintes de taille qui rendent CubeSats accessibles créent également de graves défis de gestion thermique.Sans atmosphère convectif, toute chaleur excédentaire doit être rejetée par rayonnement, un processus régi par la loi Stefan-Boltzmann. Un CubeSat 3U typique peut générer de 5 à 15 W de chaleur interne à partir de systèmes avioniques, batteries, charges utiles et de communication, tout en absorbant le rayonnement solaire d'un côté et en faisant face au vide froid de l'autre.

Physique fondamentale du rejet de chaleur dans un vide

Le transfert de chaleur dans l'espace repose entièrement sur le rayonnement et la conduction; la convection est absente.

  • Chaleur interne:[ provenant des processeurs, émetteurs, batteries et capteurs de charge utile.
  • Chaleur extérieure: soleil direct (flux solaire ~1361 W/m2 à 1 UA), albédo de la Terre (soleil réfléchi) et rayonnement infrarouge de la Terre.
  • Évier d'espace profond: en effet 2,7 K, fournissant le dissipateur de chaleur ultime pour le rejet radiatif.

Un petit satellite est une constante thermique de temps courte, souvent quelques minutes plutôt que quelques heures, ce qui signifie que le chauffage inégal peut créer des gradients de température rapides. Les dispositifs de rejet de chaleur doivent donc déplacer l'énergie thermique des composants chauds vers des surfaces rayonnantes efficacement et ensuite émettre cette énergie en tant que photons infrarouges.

Types de dispositifs de rejet de chaleur primaire

Radiateurs à montage corporel

La plupart des CubeSats sont dotés de radiateurs montés sur leur corps : panneaux de matériaux à haute conductivité thermique (habituellement en aluminium 6061 ou 7075) revêtus d'une surface à haute émissivité, tels que l'anodize noir, la peinture blanche Z93 ou les revêtements à base de carbone-nanotube. Ces radiateurs sont placés sur des faces qui ne sont jamais exposées à la lumière directe du soleil, généralement le côté antisolaire ou zénith. Les paramètres clés sont l'émissivité (ε) et l'absorptivité solaire (α). Un bon revêtement radiateur a un haut ε (>0,85) et un faible α (<0,2) pour absorber une énergie solaire minimale tout en rayonnant efficacement la chaleur.

Straps thermiques conducteurs

Pour passer de la chaleur de l'électronique aux panneaux radiateurs, les ingénieurs utilisent des sangles thermiques en feuille de graphite flexible, tresse de cuivre ou rubans en aluminium. Ces sangles ont une conductivité thermique élevée (jusqu'à 500 W/m·K pour le graphite pyrolytique) et peuvent combler les écarts entre les composants et les plaques froides.

Tubes de chauffage et tuyaux de chauffage en boucle

Un tube thermique standard est un tube scellé contenant un fluide de travail (ammoniaque, acétone ou eau) qui s'évapore à l'extrémité chaude et se condense à l'extrémité froide, en utilisant une action capillaire dans une structure de mèche pour retourner le liquide. Les tuyaux thermiques peuvent avoir une conductivité thermique efficace 100 à 1000 fois supérieure à celle du cuivre solide. Pour CubeSats, des tubes thermiques miniatures (3 à 6 mm de diamètre) sont disponibles et ont été effectués sur des missions comme NASA=s CubeSats. Toutefois, les tubes thermiques standards sont limités par la gravité dans les essais au sol et par la distance de transport.

Les tuyaux de chauffage en boucle (LHP) utilisent un évaporateur et un condenseur séparés reliés par des tubes à paroi lisse, avec une mèche uniquement dans l'évaporateur. Ils peuvent supporter des charges thermiques plus grandes (50–200 W) et des distances plus longues (0,5–2 m) tout en étant insensibles à l'orientation. Des LHP compacts pour CubeSats ont été développés par des entreprises telles que Technologies de refroidissement avancées et ont effectué des missions comme la charge utile ECOSTRESS de la NASA.

Matériaux de changement de phase (PCM)

Les PCM communes pour CubeSats comprennent les cires de paraffine (fondation à 40-60°C) et les hydrates de sel (fondation à 20-40°C). Un puits de chaleur PCM peut amortir les charges thermiques transitoires – par exemple, pendant une opération de charge utile de haute puissance de 10 à 20 minutes – sans nécessiter de radiateur plus grand. Enfermés dans un boîtier en aluminium avec des nageoires, les PCM ajoutent une masse (généralement de 10 à 30 g par Wh de stockage thermique) mais peuvent empêcher les pics de température qui pourraient autrement endommager les instruments sensibles.

Refroidisseurs thermoélectriques (TEC)

Pour le refroidissement actif et localisé, certains CubeSats utilisent des refroidisseurs thermoélectriques (dispositifs Peltier).Les TEC sont des pompes à chaleur à l'état solide qui, lorsqu'elles sont alimentées, pompent la chaleur du côté froid au côté chaud. Elles sont compactes, n'ont pas de pièces mobiles et peuvent obtenir des différences de température de 65 à 70 °C. Cependant, elles consomment une puissance électrique importante (souvent de 5 à 15 W) et réduisent l'efficacité globale du système.

Concepts innovants et déployables de rejet de chaleur

Radiateurs déployables

Pour surmonter la limitation de surface, plusieurs missions CubeSat ont déployé des panneaux radiateurs qui se replient après le lancement. Ils peuvent doubler ou tripler la zone radiante.JPL RainCube (2018) a utilisé une antenne Ka déployable qui servait également de radiateur.Un autre concept est le radiateur déployable de style origami, utilisant des panneaux minces et souples en fibre de carbone revêtus de peinture à haute émissivité et déployés par des charnières de ressort ou des alliages de forme-mémoire.

Surfaces d'émissivité variable (chromiques thermiques)

Ces revêtements intelligents utilisent des matériaux comme le dioxyde de vanadium (VO2) ou des polymères électrochromiques. En dessous d'une température seuil (p. ex., 30°C), le revêtement a une faible émissivité, en conservant la chaleur; au-delà de cette température, il devient hautement émissif, en déchargeant la chaleur excédentaire.Cette approche passive autorégulatrice peut réduire la puissance du chauffage de 50 à 70 % et simplifier le contrôle thermique. NASA=Variable Emittance Thermal Control Coatings expérience sur les revêtements à base de VO2 démontrés avec une plage d'émissivité de commutation de 0,3 à 0,7.

Radiateurs fabriqués à partir de micro-fabriqués et additifs

Les progrès de l'impression 3D permettent la création de radiateurs avec des canaux internes complexes pour les tuyaux de chaleur ou les boucles fluides, directement intégrés dans la structure CubeSat. La fabrication additive en aluminium ou en titane permet des conceptions avec des structures en treillis qui maximisent la surface tout en minimisant la masse. Par exemple, une nageoire de radiateur imprimée en 3D avec un remplissage gyroïde peut avoir le même rejet de chaleur qu'une nageoire solide à une masse inférieure de 40 %. Ces pièces réduisent également les étapes de montage et les points de défaillance potentiels.

Loops à deux phases à pompe mécanique

Au-delà des tuyaux de chaleur en boucle, les boucles biphasées à pompe mécanique (comme celles utilisées sur l'ISS) peuvent être miniaturisées pour CubeSats. Une petite pompe circule un réfrigérant (p. ex. R-134a) qui s'évapore aux composants chauds et se condense dans un radiateur. Ces systèmes peuvent supporter des charges de chaleur jusqu'à 200 W et permettre le positionnement à distance du radiateur. Le Pomp-Assisted Loop Heat Pipe (PALHP) ajoute une pompe à une LHP standard pour augmenter la pression capillaire, permettant des lignes de transport plus longues et plus minces.

Considérations et défis pratiques

Taille, masse et facteur de forme

Chaque dispositif de rejet de chaleur doit s'intégrer dans le volume et le budget de masse du CubeSat, qui pour un total de 3U est limité à ~4 kg. Un mécanisme de radiateur déployable ajoute 50 à 100 g et occupe 0,25 U de l'espace intérieur. Les tuyaux de chauffage et les LHP ajoutent de la masse au fluide et à l'enveloppe. Les ingénieurs doivent souvent échanger entre la zone du radiateur, la capacité de changement de phase et la complexité du système.

Intégration avec le bus

Les tuyaux thermiques doivent être orientés de manière à éviter les effets gravitationnels lors des essais au sol (les tuyaux thermiques en mèche ne fonctionnent contre la gravité que sur des distances limitées). Pour les radiateurs déployables, les matériaux d'interface thermique (IMT) comme les tampons thermiques ou les matériaux de changement de phase sont utilisés pour réduire la résistance au contact entre les charnières, souvent la liaison la plus faible.

Fiabilité et coût

Les CubeSats sont souvent construits avec des composants commerciaux hors-sol (COTS) pour maintenir les coûts bas. Cependant, les dispositifs de rejet de chaleur comme les LHP et les PCM nécessitent une conception et une qualification spécialisées, qui peuvent coûter 50 000 $–200 000 $ par unité – une fraction importante du budget total de la mission. Pour réduire les coûts, de nombreuses missions utilisent des solutions passives (radateurs, sangles thermiques, PCM) et ne font appel qu'à des dispositifs actifs lorsque cela est absolument nécessaire.

Études de cas de conceptions thermiques innovantes

Planet Labs Dove CubeSats

Planet Labs exploite des centaines de CubeSats 3U pour l'imagerie terrestre. Leur conception thermique utilise une approche passive : un radiateur monté sur le corps sur la face antisolaire, des revêtements à haute émissivité sur toutes les surfaces internes et un placement stratégique des composants générateurs de chaleur (batterie, spectromètre) pour minimiser les gradients thermiques. Ils utilisent également un matériau de changement de phase (paraffine) intégré dans le pack de batterie pour absorber la chaleur lors des passages d'imagerie de pointe.

NASA MISSE-7 et MISSE-9 Expériences

L'expérience de la station spatiale internationale Materials (MISSE) comprenait des lits d'essai CubeSat pour les revêtements thermiques, les PCM et les tuyaux de chaleur. L'essai MISSE-7 (2009) a permis de tester un tube de chaleur miniature à boucles qui a réussi à transférer 25 W sur 1 m, prouvant que le refroidissement biphasé pourrait fonctionner sous une petite forme.

NASA CubeRRT et RadarCube

Les missions CubeRRT (CubeSat Radiofréquence Interférence) et RadarCube ont toutes deux nécessité des charges utiles de grande puissance (~20 W) qui ont généré des déchets de chaleur. Leurs conceptions thermiques ont utilisé une combinaison de radiateurs montés sur la carrosserie et un panneau de radiateur déployable (1U taille) avec des feuilles de face en fibre de carbone et un revêtement blanc à haute émissivité. Un tuyau de chaleur miniature en boucle a relié la charge utile au panneau déployable. En orbite, le système a maintenu des températures de charge utile inférieures à 45 °C en cours d'exploitation.

Orientations futures et technologies émergentes

Nanomatériaux et métamatériaux

Les nanotubes de carbone (CNT) et les films de graphine offrent une très haute conductivité thermique (jusqu'à 3000 W/m·K pour les CNT individuels) et une forte émissivité. Les chercheurs développent des revêtements à base de CNT qui atteignent ε > 0,98 tout en étant d'une épaisseur de seulement quelques micromètres. Ceux-ci pourraient être appliqués à de petites zones radiatrices pour stimuler le rejet.

Straps thermiques structurels (structures thermoconductrices)

Au lieu de sangles séparées, le futur CubeSats peut utiliser le cadre structural propre du satellite comme un chemin thermique. En fabriquant des pièces de châssis à partir de matériaux à haute conductivité comme des composites carbone-fibre avec fibres de graphite intégrées ou des hybrides métal-polymère, la chaleur peut être effectuée directement des composants aux panneaux radiateurs. Cette intégration permet d'économiser la masse et de simplifier le montage. NASALe programme de technologie de petits engins spatiaux finance le développement de tels panneaux =thermaux-structuraux=.

Refroidissement actif avec micro-compresseurs

Un microcompresseur de 2 à 5 cm de diamètre, alimenté par un petit moteur électrique, pourrait circuler du réfrigérant vers une plaque froide et un radiateur à distance. Les prototypes testés au Laboratoire de recherche sur la Force aérienne (AFRL) montrent un coefficient de performance (COP) de 2 à 3, ce qui signifie que chaque watt d'entrée électrique peut être déplacé de 2 à 3 W de chaleur. Ces systèmes pourraient supporter 100 charges utiles W dans un CubeSat 6U, mais nécessitent une puissance importante pour le compresseur et une isolation par vibration soigneuse.

Systèmes intégrés de commande thermique (ITCS)

Une interface standard – peut-être un rail avec des tuyaux de chaleur intégrés et un connecteur pour une boucle fluide – permettrait aux développeurs de charge utile de se brancher et d'avoir garanti le refroidissement. Le projet de l'Agence spatiale européenne CubeSat Thermal Control Kit vise à créer des panneaux de radiateurs modulaires et des tuyaux de chaleur qui peuvent être mélangés et adaptés. Si cela réussit, cela pourrait réduire considérablement l'effort technique de contrôle thermique, permettant à davantage de missions de voler en toute confiance.

Conclusion

Le rejet de chaleur dans CubeSats est passé de simples radiateurs montés sur le corps à des systèmes biphasés sophistiqués et déployables et des matériaux intelligents. La petite taille de ces satellites exige de la créativité : les ingénieurs doivent maximiser chaque millimètre carré de surface radiante, minimiser la masse et assurer la fiabilité sans le luxe des boucles de refroidissement actives utilisées dans les grands engins spatiaux. Des innovations comme les radiateurs déployables, les matériaux de changement de phase, les revêtements d'émissivité variables et les tubes de chaleur miniatures permettent à CubeSats de prendre des missions une fois réservées aux satellites 10 fois leur taille.