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Qu’est-ce qu’une enceinte à vide thermique et comment fonctionne-t-elle?


Qu’est-ce qu’une enceinte à vide thermique (TVC)?

Les enceintes à vide thermique ACS, produites par Angelantoni Test Technologies, sont des équipements utilisés essentiellement pour la simulation des conditions environnementales dans l’espace. Les applications les plus communes d’une enceinte à vide thermique (TVC) concernent le test de performance du satellite, le contrôle du cycle thermique et l’essai des composants, des sous-systèmes et des satellites complets dans un environnement entièrement contrôlé. Le test est capable de reproduire avec précision les conditions dans l’espace, grâce au contrôle simultané de deux paramètres environnementaux : la Pression et la Température.

 

L’importance du test sur les satellites

Satellites

Les conditions de vide simulées recréent le contexte dans lequel doivent fonctionner les objets dans l’espace, où l’échange de chaleur se fait uniquement par rayonnement et conduction.

Il est essentiel d’effectuer le test avant le lancement, afin de soumettre le satellite à toutes les conditions qui pourraient compromettre ses performances. Si le comportement du satellite dans l’espace n’est pas examiné a priori, les risques les plus fréquents qui pourraient survenir sont le gel et la surchauffe des composants du satellite eux-mêmes. 
De plus, il est bon de garder à l’esprit que le satellite est soumis à des pressions inférieures à 10-6 mbar.

L'endommagement des composants dans l’espace est imputable, pour la plupart, au rayonnement solaire qui n’est pas filtré par l’atmosphère (AM0 - Air Mass 0). Le taux d’échange thermique est plus ou moins élevé en fonction de l’orbite que le satellite doit parcourir. Certains satellites tournent autour de l’orbite de 90 minutes à des températures autour de +150 °C lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil et à des températures d’environ -190 °C lorsqu'ils sont en éclipse.

Thermal analysis is conducted on the design using thermal models, which are then verified and tested. ACS has developed a wide range of TVC thanks to its wide experience in several techniques applied in the environmental testing simulation.

L’analyse thermique est réalisée lors de la conception à travers l’utilisation de modèles thermiques, qui sont vérifiés et ensuite testés. Angelantoni Test Technologies a développé une vaste gamme de enceintes à vide thermique, grâce à la grande expérience accumulée dans les différentes techniques appliquées à la simulation de tests environnementaux.

 

Systèmes thermiques

Systèmes thermiques

Thermal cycling: utilisé pour soumettre le dispositif sous test (Device Under Test ou DUT) à l’alternance de hautes et basses températures dans une plage de température typiquement comprise entre -100 °C et +100 °C, avec une pression maintenue à des valeurs inférieures à 10-6 mbar (vide poussé). Lorsque le satellite est soumis à des cycles thermiques, des signaux RF (radiofréquence) peuvent être échangés à travers l'enceinte au moyen de guides d’ondes spécifiques. Ces tests peuvent prendre jusqu’à un mois.

Grafico
 
Bilan thermique: réalisé pour la validation du modèle thermique et mathématique du satellite. Les tests sont réalisés en recréant un environnement dont la plage de température est similaire à celle que le satellite rencontrera en orbite (en dessous de -180 °C). Certaines parties du satellite sont également soumises à un échauffement provenant de sources de chaleur (telles que lampes ou émetteurs IR) pour simuler l’effet des rayons solaires qui pourraient provoquer des températures de +150 °C. Pendant ces essais, le satellite est maintenu à une pression constante de 10-6 mbar.


Une vaste gamme de systèmes thermiques est disponible selon les tests nécessaires, tels que:

  • Inondation d’azote liquide (ébullition)
  • Inondation d’azote liquide (ébullition) avec éléments chauffants (lampes ou émetteurs IR)
  • Inondation partielle d’azote liquide (ébullition) avec éléments chauffants (lampes ou émetteurs IR)
  • Circuit d’azote liquide sous pression avec éléments chauffants (lampes ou émetteurs IR)
  • Circuit d’azote gazeux sous pression
  • Mode combiné d’azote liquide et gazeux
  • Refroidissement mécanique avec fluides intermédiaires

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Simulateur Spatial ACS

Simulateur Spatial ACS
Cliquez sur le bouton ci-dessous pour en savoir plus sur le simulateur spatial fourni par Angelantoni Test Technologies à l'Agence spatiale européenne (ESA). Lire l'article écrit par l'équipe ACS.

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Comment fonctionne une enceinte à vide thermique

Enceinte à vide thermique

1. Le corps externe

Le corps externe de la zone d’essai (vessel) est en inox de haute qualité et sa conception est supportée par l’analyse FEM (Finite Element Method, méthode des éléments finis) pour optimiser l’épaisseur de l’acier, en tenant compte des différences de pression entre les environnements intérieurs et extérieurs. Le soudage et la finition de surface sont traités afin de minimiser les fuites et le dégazage, ce qui permet d’obtenir un vide poussé.

2. Le champ thermique

La zone d’essai de l'enceinte est un cylindre en inox thermorégulé, connu sous le nom de «shroud», qui transfère la chaleur au DUT par son rayonnement de surface interne. Deux boucliers thermiques en forme de disque ferment les deux extrémités du cylindre, afin d’obtenir une plage de température uniforme autour du dispositif testé (DUT). Le «shroud» est constitué de deux feuilles laminées avec un espace de quelques millimètres entre elles. Cet espace est utilisé par le système de génération d’énergie thermique pour le passage du fluide thermique. Une peinture noire spéciale est appliquée sur cette surface, afin d’obtenir une couche à haute émissivité (> 0,9) et à faible RML (perte de masse relative < 1 % à 150 °C), ce qui maximise les échanges de chaleur dans des conditions de vide poussé. Dans certains cas, la zone d’essai est dotée d’une «plaque thermique» (Thermal Plate) sur laquelle sont placés les dispositifs à tester pour effectuer des cycles thermiques avec transfert de chaleur par conduction.

Vessel

Il existe plusieurs types de systèmes de régulation de la température selon le type d’application:

Plage de température de -70 °C à +150 °C Refroidissement mécanique avec fluide intermédiaire
Le fluide, typiquement une huile diathermique refroidie par un gaz réfrigérant ou chauffé électriquement, est mis en circulation par une pompe à couplage magnétique à travers le «shroud» dans un circuit fermé. Cette solution présente un avantage économique considérable.

Plage de température de -180 °C à + 150 °C Azote gazeux sous pression
Au moyen d’un ventilateur spécial, l’azote gazeux sous pression circule dans le «shroud» en maintenant une densité qui favorise l’échange de chaleur et assure une bonne uniformité de température sur toute la surface rayonnante. L’échauffement se fait au moyen de réchauffeurs électriques, alors que le refroidissant est obtenu en pulvérisant de l’azote liquide dans le circuit. Ce système permet une excellente régulation sur toute la plage de température.

Plage de température de -196 °C à + 150 °C Azote liquide + Émetteurs IR
Dans ce cas, le «shroud» est entièrement ou partiellement rempli d’azote liquide, atteignant ainsi une température inférieure à -90 K (entre -196 °C et -185 °C en fonction de la pression dans le circuit). Cela crée un environnement cryogénique rayonnant autour de l’objet à tester. La circulation de LN2 dans le «shroud» peut être naturelle ou forcée par une pompe. L’échauffement de l’objet à tester ou le contrôle des températures intermédiaires s’effectue au moyen d’éléments chauffants (lampes infrarouges ou émetteurs) placés sur des structures spéciales dans la zone d’essai.

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Applications aérospatiales ACS

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3. L’installation de génération du vide

L’installation de génération du vide comprend un ensemble de pompes à vide de haute qualité, fournies par des partenaires parmi les plus connus au monde. Le premier étage de vide (pompage primaire) est réalisé par des pompes sèches, ce qui élimine le risque de retour d’huile dans l'enceinte et permet le passage de la pression ambiante à des valeurs d’environ 10-2 mbar en peu de temps. Le deuxième étage, composé de pompes plus sophistiquées (pompes cryogéniques), permet l’obtention d’un vide poussé avec un niveau de fiabilité élevé. Typiquement, les niveaux de pression finale dans l'enceinte se situent à environ 1x10-6 mbar ; parfois, ils peuvent descendre à des valeurs d’environ 10-8 mbar.

4. Le système de contrôle et de gestion

Le système de contrôle et de gestion de l'enceinte à vide consiste en une combinaison entièrement automatisée de composants matériels et logiciels. Les séquences, les interverrouillages de sécurité et les interfaces opérateur sont mis en œuvre à travers l’automate PLC, qui est le cœur du système de contrôle. En cas de coupure de courant, d’air comprimé, d’eau de refroidissement, etc., l’automate gère des séquences de sécurité pour garantir l’intégrité du personnel d’exploitation, du DUT d’essai et des équipements de l’installation. Les appareils IHM sont fournis tant pour le contrôle local (panneau intégré) que pour le contrôle à distance (logiciel dédié PC) via une connexion à l’automate.


Le système de contrôle et de gestion


Notre ingénieur d’application

Fabrizio Rinalducci2" Le brand ACS s’est taillé une position de leader dans le secteur aérospatial: le milieu le plus difficile pour les simulations. Après la première enceinte à vide thermique (Thermal Vacuum Chamber, TVC) en 1988, Angelantoni Test Technologies s’est spécialisée dans le développement de solutions standards et personnalisées destinées aux plus importants centres internationaux de recherche aérospatiale, qui testent des satellites, des sous-systèmes et des composant "

Fabrizio Rinalducci
Aerospace Products Application Engineer
Angelantoni Test Technologies
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