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DESP - Environnement spatial

Matériaux en ambiances spatiale et planétaire

Ambiance spatiale

Les propriétés optiques, thermo-optiques, mécaniques et électriques des matériaux constituant les satellites sont dégradées par l'environnement orbital caractérisé par :

  • l’ultravide et les températures extrêmes (permanentes ou cyclées) auxquelles sont soumis les revêtements thermo-optiques de surface.
  • les espèces chimiques présentes de façon naturelle (oxygène atomique en orbite basse terrestre) ou molécules organiques dues au dégazage (contaminations produites par le satellite lui même).
  • les rayonnements ultraviolets solaires très énergétiques de l’espace comme les UVA, UVB et UVC (ce dernier est inconnu sur terre au niveau du sol car bloqué par l’atmosphère).
  • les rayonnements ionisants (électrons et protons) issus :
    • du vent solaire (celui-ci peu énergétique dégrade les surfaces exposées dans la direction du soleil lors de missions interplanétaires).
    • des ceintures de radiation qui sont des "réservoirs" dus au champ magnétique de la planète dans lequel les particules sont piégées puis accélérées. Par exemple les satellites en orbite géostationnaire terrestre traversent les ceintures de radiation et sont par conséquent soumis à l’irradiation des particules piégées.
  • les micrométéorites naturelles et les débris spatiaux dus à des fragments issus de satellites sont des objets très rapides et donc très énergétiques. Ils sont d’autant plus nombreux qu’ils sont petits, dégradent en particulier les panneaux solaires et à partir de tailles proches du millimètre mettent en péril l’intégrité des systèmes spatiaux pressurisés et habités.

Les dégradations qui ont lieu dans l’espace sont reproduites en accéléré au laboratoire à partir d’expériences de simulation de l’environnement spatial. Les études effectuées permettent d’élaborer des modèles semi-empiriques et par exemple de quantifier les dégradations de :

  • l ’absorptance solaire et de l’émissivité infrarouge de revêtements thermo-optiques tels que des peintures, des films métallisés, des miroirs.
  • la transmission optique comme le cas des fenêtres transparentes qui couvrent les cellules solaires.
  • la tenue mécanique de films polymères caractérisée par la mesure du module élastique et l’amortissement.

Des mesures en vol (hier station russe MIR, satellite technologique américain LDEF ou MEDET sur la station internationale ISS) et des analyses de cas sont utilisées pour vérifier le bien fondé des hypothèses simplificatrices qui sont faites lors des évaluations sol : facteurs d’accélération et spectres radiatifs, guérisons, atmosphère (vide/air) et de la température.

Il s'agit donc de maîtriser la compréhension, la mesure et la modélisation des mécanismes physico-chimiques afin d'avoir une meilleure estimation des performances en fin de vie et assurer un meilleur dimensionnement du satellite (voir publications).
 

Les environnements planétaires et terrestres, pour les activités spatiales liées à l'utilisation d'aérostats ou de sondes dans les atmosphères planétaires font également l'objet d'études. Les conditions d'environnement auxquelles sont soumises ces missions doivent être évaluées, reproduites au sol afin de qualifier les matériaux et équipements qui y seront soumis.

Quant aux matériaux des ballons pressurisés stratosphériques, ils sont également sensibles à certains éléments de leur environnement, voir à leur synergie. Cet effet de vieillissement va avoir pour effet de limiter la durée des vols.

Il faut donc en premier lieu définir les conditions rencontrées par le ballon durant son vol pour sélectionner les paramètres influant sur son vieillissement. Entre 18 et 20 km d’altitude la composition gazeuse est quasiment la même que celle de l’atmosphère terrestre. En revanche, il n’y a quasiment pas de vapeur d’eau, la concentration en ozone y atteint un maximum, la pression est de 50mbar de pression et la température de -50°C en moyenne.

Toutefois, l’effet dégradant sur les matériaux est surtout dû au rayonnement solaire correspondant au rayonnement UV.

Les études visent, à partir de modélisations et de simulations de laboratoire, à prédire l'environnement induit et l'évolution des performances sur l'ensemble de la durée de vie du matériau ou système complet.

Ces activités "ballon" concernent également les études de tenue à l'environnement des structures souples ou gonflables (voiles solaires, antennes déployables, structures gonflables…).

Activités
 

  • Qualification de matériaux ballons en environnement stratosphérique (ozone, pression, température, UV) ;
  • Qualification de matériaux et revêtements pour l'environnement spatial (particules, UV-VUV, gamma)
  • Analyse des dégradations et estimation des performances fin de vie (propriétés thermo-optiques et mécaniques)
  • Vers des développements de matériaux résistants à l'environnement (additifs anti-UV, structure chimique, nouveaux catalyseurs…)
  • Evaluation des risques (vieillissement, érosion – oxygène atomique)
  • Expertise d'anomalies en vol
  • Expériences embarquées
     

Moyens associés
 

  • Ballons : Dispositifs de simulation de l'environnement atmosphérique terrestre ou planétaire et de test des matériaux et équipements pour ballons
  • moyens de vieillissement: SAB, SAMBA
  • moyens de test et caractérisation: EDEN, Nirvana, Traction
  • AXEL : Ensemble accélérateurs - enceintes cible du DESP
  • GEODUR: Electrons de haute énergie pour l'étude de la charge interne et effets de vieillissement (matériaux ou composants électroniques)
  • Semiramis : Dispositif d'irradiation combinée - vide, particules chargées ultraviolets– et de test des matériaux à usage spatial
  • MIRAGE: faisceau électrons et protons de haute énergie pour l'irradiation de composants électroniques et cellules solaires
  • Spectro : laboratoire d’analyse et de mesure des propriétés thermo-optiques des matériaux

 

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