Space Environment - Part 2

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1 Space Environment - Part 2
PHE354B Mod 4 Module 4 L’environnement Spatial PHF 354 Systèmes Spatiaux Partie 2 L’environnement spatial et les vaisseaux spatiaux

2 L’environnement spatial d’un satellite
Space Environment - Part 2 PHE354B Mod 4 Particules chargées Vide Rayonnement Débris spatiaux Atmosphère Gravité

3 L’environnement spatial d’un satellite
Space Environment - Part 2 L’environnement spatial d’un satellite PHE354B Mod 4 Gravité

4 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. =

5 Gravité Microgravité Le vaisseau spatial et tout dans lui est dans chute libre Aucune force nette Aussi nommé microgravité Le modèle de boule de canon de Newton illustre des orbites de vitesse croissante de A à E A et B sont interrompus C est une orbite circulaire D est une orbite elliptique E a atteint la vitesse de libération Les objets en dehors de l'influence du champ gravitationnel de la terre ou une autre planète subissent une force de la gravité due au soleil

6 Gravité Microgravité 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

7 Gravité Microgravité 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 Astronautes russes, hollandais et américains dans le module “Unité” de l'ISS

8 L’environnement spatiale d’un satellite
Space Environment - Part 2 L’environnement spatiale d’un satellite PHE354B Mod 4 Atmosphère

9 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

10 Atmosphère Drague 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 Pression atmosphérique / altitude

11 Atmosphère Drague 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 Taille Forme Vitesse Orientation

12 Atmosphère Drague L’équation de drague Fd est la force de la drague
Masse du satellite L’équation de drague Coéfficient Ballistique (BC) 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 élevé Cd petit

13 Atmosphère Oxygène atomique 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

14 Atmosphère Oxygène atomique 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

15 Érosion du à l’oxygène atomique
Atmosphère Oxygène atomique Efficacité des réactions entre l'oxygène atomique et les matériaux choisis Érosion du à l’oxygène atomique Efficacité de réaction Taux d’érosion Flux d’oxygène atomique atomes/cm2/s

16 L’environnement spatial d’un satellite
Space Environment - Part 2 L’environnement spatial d’un satellite PHE354B Mod 4 Le vide

17 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 terre Cependant, il reste environ un million de particules par centimètre cubique Un 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

18 Le vide Dégazage Dégazage
Certains matériaux tels que des plastiques peuvent libérer les gaz emprisonnés une fois exposés à un vide La masse est perdu Le 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) Les panneaux solaires d'Anik F1 ont dégradé plus rapidement que prévu, probablement en raison du dégazage

19 Le vide Soudage à froid 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 pièces Exposer 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

20 Space Environment - Part 2
Le vide Space Environment - Part 2 PHE354B Mod 4 Soleil Terre Transfert de chaleur Flux solaire directe Des sources de chaleur dans l'espace Chauffage et rayonnement internes du satellites Énergie solaire réflétée* Émission IR terrestre* Chauffage moléculaire libre* (frottement atmosphérique) Sources identifiées par un astérisque* sont plus important pour des basses orbites terrestres

21 Le vide Transfert de chaleur Transfère de chaleur
La chaleur peut être transférée par : Conduction Convection Rayonnement 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

22 Le vide Avant le vol, le vaisseau spatial subit des essais rigoureux, y compris l'exposition au vide dans un chambre à vide Déterminez des problèmes avec le dégazage, le soudage à froid et le transfert de chaleur Vaisseau spatial Galileo entrant dans un chambre à vide pour l'essai

23 L’environnement spatial d’un satellite
Space Environment - Part 2 L’environnement spatial d’un satellite PHE354B Mod 4 Débris spatiaux

24 Micrométéroroïde découverte dans l’antarctique
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 cosmique Micrométéroroïde découverte dans l’antarctique

25 Débris spatiaux 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 Cerise, un satellite de reconnaissance français a eu une perche d'antenne découpée par un morceau de fusée en 1996 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

26 Débris spatiaux Combien de satellites sont dans l'espace, et qui les possède? Résumé des types et des orbites de mission Physics Today octobre 2007 Nombre de satellites et pays d'origine

27 Débris spatiaux Des objets qui sont suffisamment grands sont suivies par le réseau de surveillance de l'espace des É-U (SSN) Réseau de radars et des capteurs optiques SSN peut suivre des objets > 5-10 cm à LEO et > 1 m à GEO Le catalogue contient actuellement 12,000 objets comprenant environ 850 satellites actifs SSN dépiste également plusieurs milliers d’objets additionnels dont les origines sont inconnues Physics Today octobre 2007

28 Distribution d’ordures spatiaux
Débris spatiaux Les débris entre 1-10 mm peuvent endommager un satellite L'armature augmente le coût d'un satellite donc la plupart des satellites ont une protection minimale Des débris ne sont pas uniformément distribués dans l'espace, mais sont concentrés dans les régions qui sont fortement utilisées par des satellites Des débris sont concentrés à GEO et < 2000 km de la terre Distribution d’ordures spatiaux Physics Today octobre 2007

29 Débris détecté à LEO Physics Today, octobre 2007
Débris spatiaux Le plus grand risque pour la collision se produit en LEO Collision avec un objet > 1 cm est prévu tous les 3 à 4 ans Le risque deviendra plus grave avec l'augmentation de l'ordure spatiale La destruction chinoise de leur propre satellite (Feng Yun 1C) a augmenté le risque de collision considérablement au niveau de 800 kilomètres Débris détecté à LEO Physics Today, octobre 2007

30 Débris spatiaux Après une dissolution d’un satellite en orbite LEO circulaire (p.ex. Feng Yun 1C) les débris dispersent Des vastes zones sont éventuellement affectées La dispersion des morceaux est due à Différentes vitesses orbitales après la dissolution Les anisotropies dans le champ gravitationnel de la terre cause la précession des orbites

31 Débris spatiaux Actuellement il n'y a aucun plan pour nettoyer les débris Quelques accords internationaux visent à diminuer le taux auquel il s'accumule Exigez des opérateurs dans GEO de monter les débris dans des orbites de cimetière Pour LEO, ayez assez de carburant pour une de-orbite commandée Les mesures internationales d'interdire l'utilisation des armes antisatellite d'énergie cinétique devraient devenir une priorité Actuellement il n'y a aucune restriction légale Distribution des débris spatiaux

32 L’environnment spatial d’un satellite
Space Environment - Part 2 L’environnment spatial d’un satellite PHE354B Mod 4 Rayonnement

33 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

34 Rayonnement Chauffage Chauffage des surfaces exposées
Le rayonnement infrarouge ou thermique peut être nocif si l'électronique dans le satellite est surchauffée La plupart des appareils électroniques ont une plage de fonctionnement thermique relativement étroite Les batteries ont généralement une plage de fonctionnement thermique étroite Le système de contrôle thermique doit modérer la température Doit concevoir le système de contrôle thermique du satellite pour adapter à l'équipement le plus thermo-sensible

35 Rayonnement Dommages et pression de rayonnement
Dégradation ou dommages La longue exposition au rayonnement ultra-violet (UV) peut dégrader des enduits du vaisseau spatial L’UV peut également endommager des cellules solaires Pendant les éruptions chromosphériques, les éclats du rayonnement dans le régime radio peuvent interrompre des communications entre / avec des satellites Des capteurs sur des satellites peuvent être brouillées par le bruit excessif des éruptions chromosphériques Le GPS et la télévision par satellite peuvent être entravés par les éruptions chromosphériques

36 Rayonnement Dommages et pression de rayonnement
Pression de rayonnement solaire Les photons peuvent modifier l'orientation du vaisseau spatial Système de commande d'attitude requis pour orienter le vaisseau spatial correctement Les photons peuvent également perturber l'orbite Satellites en GEO sont particulièrement vulnérables Système de propulsion requis pour corriger l'orbite Pour la mission Mercury Messenger, les contrôleurs ont créativement employé la pression de rayonnement solaire au lieu des éjecteurs traditionnels pour modifier la trajectoire du satellite

37 L’environnement spatial d’un satellite
Space Environment - Part 2 L’environnement spatial d’un satellite PHE354B Mod 4 Particules chargées

38 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

39 Particules chargées Ceintures Van Allen
Les ceintures de Van Allen sont un résultat du champ magnétique de la terre Le noyau solide de fer intérieur de la terre est faiblement magnétisé Des courants électriques sont formés dans le noyau externe liquide par le mouvement du noyau solide Le mouvement est dû à la convection, forces Coriolis Le champ magnétique original est renforcé Théorie de Dynamo Noyau: Fer, nickel Manteau: Minerais denses riches en fer Crôute: Minerais moins denses riches en silicium

40 Particules chargées Ceintures Van Allen
Le champ magnétique de la terre produit une magnétosphère qui entoure la terre et bloque le vent solaire de frapper l'atmosphère directement Bow shock Magnétopause Magnétosphère Vent solaire

41 Particules chargées Ceintures Van Allen
En agissant sur le champ magnétique et l'atmosphère de la terre, des particules du vent solaire deviennent emprisonées entre les lignes de champ Ces secteurs de concentration sont les ceintures de Van Allen Découvert par James Van Allen Satellites “Explorer” Les ceintures de Van Allen contiennent des particules chargées Protons et electrons

42 Particules chargées Ceintures Van Allen
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 MeV Les protons de haute énergie de la ceinture intérieure causent la plus grande menace pour des missions spatiales Zone éxtérieur Zone intérieur

43 Particules chargées Ceintures Van Allen
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!

44 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

45 Particules chargées Accumulation de la charge
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

46 Particules chargées Accumulation de la charge
L’accumulation grave se produit dans GEO quand le champ magnétique de la terre comprime et injecte le plasma chaud vers le coté nuit de la terre Accumulation jusqu’à 20,000 volts en GEO

47 Particules chargées Accumulation de la charge
Pour réduire l’accumulation de la charge électrique: Maintenez un conductivité extérieure uniforme Immuniser les systèmes électroniques contre la décharge électrostatique Établir une terre électrique uniforme Protéger contre les champs/ondes É-M Éviter les composants sensibles à la décharge électrostatique Employer un système de décharge actif e.g. Contacteur de plasma Décharge des électrons accumulées L’ISS utilise un contacteur de plasma Dégage des électrons et ions positifs dans l'espace pour réduire l'électricité statique

48 Particules chargées SEP 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 excessif Arrêt et relancement requis Dommages 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)

49 Particules chargées Pulvérisation cathodique (sputtering)
Pulvérisation cathodique, dose cumulative 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

50 Particules chargées Protection Conditions pour la radioprotection
De orbites LEO près du plan équatorial sont légèrement protégées par le champ magnétique Exception 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 terre L'armature est exigée

51 Particules chargées Protection
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 donnée Des énergies au-dessus de la valeur et des ions lourds (GCRs) sont peu déviés L’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

52 Space Environment - Part 2
PHE354B Mod 4 Module 4 L’environnement Spatial PHF 354 Systèmes Spatiaux Partie 2 L’environnement spatial et les vaisseaux spatiaux