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Oct 17, 2023

Modélisation thermique des petits satellites

Au cours des dernières années, le nombre de satellites en orbite a considérablement augmenté. Une partie importante de cette augmentation est due à la taille réduite des satellites les plus récents. Bien que le

Au cours des dernières années, le nombre de satellites en orbite a considérablement augmenté. Une partie importante de cette augmentation est due à la taille réduite des satellites les plus récents. Bien que la plus grande structure en orbite, la Station spatiale internationale, soit plus grande qu’un terrain de football, la plupart des satellites en orbite aujourd’hui sont beaucoup plus proches d’un terrain de football. Cela est dû en partie à la popularité du facteur de forme CubeSat, avec un satellite dit 1U s'insérant dans une enveloppe de 10 cm x 10 cm x 10 cm. Sa petite taille permet de lancer plusieurs satellites à partir d'une seule fusée. Bien qu’initialement envisagé à des fins principalement académiques, il existe désormais un écosystème commercial robuste proposant des solutions de conception allant de 1U à 24U – et l’utilisation des CubeSats se développe à un rythme remarquable.

L’une des caractéristiques des modèles CubeSat (et d’autres modèles de petits satellites) est qu’ils sont très compacts. De nombreuses caméras, capteurs, instruments, antennes, batteries, systèmes de contrôle d'attitude et autres appareils électroniques miniaturisés sont étroitement emballés et peuvent générer de la chaleur perdue. Concevoir le satellite pour qu'il rayonne correctement cette chaleur vers l'espace environnant est l'une des principales préoccupations techniques. Les ingénieurs doivent s'assurer que les différents composants électroniques restent dans certaines plages de température, mais cela peut s'avérer difficile, car les gradients thermiques peuvent entraîner des déformations structurelles indésirables. Puisqu’il est assez difficile d’effectuer des tests avant vol véritablement réalistes, le processus de conception doit s’appuyer fortement sur la modélisation numérique.

Une fois le satellite en orbite, on pourrait être tenté de penser que le modèle numérique n’est plus nécessaire, mais ce n’est pas vrai. Les composants tomberont en panne, souvent pour des raisons inconnues, et les composants électroniques restants devront peut-être être pilotés selon des combinaisons imprévues. L'opérateur de satellite a toujours besoin du modèle thermique pour prédire le comportement dans de telles circonstances, dans le but d'augmenter la durée de vie opérationnelle (Figure 1).

Tous les modèles numériques impliquent la résolution d’une approximation des équations déterminantes décrivant le transfert de chaleur. Ils peuvent aller de modèles très simples à des modèles presque fidèles qui incluent de nombreux aspects géométriques et physiques. Le modèle numérique le plus simpliste réduirait la complexité géométrique de la structure du satellite et ne calculerait que, de manière globale, une seule température dans le temps pour le satellite. À partir de là, on pourrait travailler à l’introduction de variations de température dans divers sous-systèmes ou composants du satellite. Cela nécessiterait que l'analyste numérique introduise de nombreuses approximations, hypothèses et calculs séparés dans son modèle.

D’un autre côté, un modèle pleine fidélité est basé directement sur la conception CAO et adopte l’approche inverse. En commençant directement par la conception CAO, une grande partie de la validation et de la vérification manuelles fastidieuses de chaque simplification entrant dans un modèle réduit est évitée. Bien entendu, travailler directement avec la CAO entraînera un coût de calcul plus élevé : un modèle numérique basé sur la CAO subdivisera la géométrie du satellite en milliers, voire en millions, d'éléments de calcul différents, il y a donc un compromis.

Historiquement parlant, l’approche de modélisation groupée présentait de nombreux avantages. Les ordinateurs étaient autrefois relativement lents, il était donc important que l'analyste numérique consacre du temps à réduire la complexité des calculs de manière semi-manuelle pour obtenir des résultats rapidement. Cette approche est toujours pertinente pour la modélisation de très grandes structures comme la Station spatiale internationale, mais pour les petits satellites – d’autant plus que les coûts de calcul continuent de baisser – il devient désormais de plus en plus intéressant de commencer à l’autre extrémité du spectre de modélisation.

En pratique, un analyste thermique souhaitera travailler quelque part entre un modèle entièrement simplifié et un modèle totalement fidèle. Par exemple, il pourrait être souhaitable de remplacer la description CAO de chaque vis et fixation par une résistance thermique localisée à la surface entre les composants assemblés. De la même manière, il pourrait être judicieux de réduire un composant électronique tel qu’une puce ou une batterie à un bloc de matériau aux propriétés et à la dissipation interne moyennes.