Qu'est-ce qu'une chambre à vide et comment fonctionne-t-elle ?
Informations de base sur les tests effectués par nos chambres à vide thermique (TVC), qui reproduisent avec précision les conditions environnementales dans lesquelles les objets fonctionnent dans l'espace.
Qu'est-ce qu'une chambre à vide thermique (TVC)
Les chambres à vide thermique ACS produites par Angelantoni Test Technologies sont des équipements principalement utilisés pour simuler les conditions environnementales de l'espace.
Les applications les plus courantes d'une chambre à vide thermique (TVC) sont liées aux tests de performance des satellites, au contrôle du cycle thermique et aux tests de composants, de sous-systèmes et de satellites complets dans un environnement entièrement contrôlé. Les tests sont capables de reproduire avec précision les conditions de l'espace grâce au contrôle simultané de deux paramètres environnementaux : la pression et la température.
L'importance des essais par satellite
Les conditions de vide simulent le contexte unique dans lequel un échange thermique est possible dans l'espace ambiant : par irradiation et conduction.
Il est essentiel d'effectuer des tests avant le lancement pour permettre aux satellites d'être testés dans toutes les conditions qui pourraient compromettre leurs performances. Si le comportement du satellite dans l'espace n'est pas examiné au préalable, le risque le plus fréquent est le gel ou la surchauffe des composants du satellite eux-mêmes.
De plus, il est bon de garder à l'esprit que les satellites sont soumis à des pressions inférieures à 10-6 mbar.
Les dommages aux composants dans l'espace sont causés, pour la plupart, par le rayonnement solaire non filtré par l'atmosphère (AM0 - Masse d'air 0). Selon l'orbite que les satellites devront parcourir, le taux d'échange thermique peut être plus ou moins élevé. Certains satellites parcourent une orbite d'environ 90 minutes à des températures d'environ + 150 °C lorsqu'ils sont exposés à la lumière du soleil et à des températures d'environ - 190 °C lors d'éclipses.
Des analyses thermiques sont effectuées sur la conception à l'aide de modèles thermiques, qui sont ensuite vérifiés et testés. ACS a développé une large gamme de TVC grâce à sa grande expérience dans plusieurs techniques appliquées à la simulation d'essais environnementaux.
Systèmes thermiques
Cyclage thermique : permet de soumettre le DUT (Device Under Test) à l'alternance de hautes et basses températures dans une plage de température typiquement - 100 °C à + 100 °C, tandis que la pression est maintenue à des valeurs inférieures à 10-6 mbar (vide poussé). Pendant que le satellite est soumis à des cycles thermiques, il est possible que des signaux RF (radiofréquence) soient échangés à travers la chambre via des guides d'ondes dédiés. Ces tests peuvent prendre jusqu'à un mois.
Bilan thermique : réalisé pour la validation du modèle thermo-mathématique du satellite. Les tests sont effectués en créant un environnement avec une plage de température similaire à celle que le satellite rencontrera en orbite (inférieure à -180°C). Certaines parties du satellite sont également soumises à un échauffement par des sources chaudes (lampes ou émetteurs IR) pour simuler l'effet des rayons solaires qui peuvent faire atteindre localement des températures de +150°C. Le satellite est maintenu à une pression constante de 10-6 mbar pendant ces tests.
Une large gamme de systèmes thermiques est disponible en fonction des différents besoins de test, de l'économie et de la flexibilité, tels que :
- Inondation d'azote liquide (mode ébullition)
- Inondation d'azote liquide (mode ébullition) avec éléments chauffants (lampes ou émetteurs IR)
- Inondation partielle d'azote liquide (mode ébullition) avec éléments chauffants (lampes ou émetteurs IR)
- Circuit sous pression d'azote liquide avec éléments chauffants (lampes ou émetteurs IR)
- Circuit d'azote gazeux sous pressionModes combinés d'azote liquide et gazeux
- Refroidissement mécanique avec fluide intermédiaire
Comment fonctionne une chambre à vide thermique ?
1. Le corps externe
Le corps externe du volume d'essai (récipient) est fabriqué en acier inoxydable de haute qualité et sa conception est soutenue par l'analyse FEM (méthode des éléments finis) afin d'optimiser l'épaisseur de l'acier résistant aux différences de pression entre les environnements interne et externe. Le soudage et la finition de surface sont traités pour minimiser les taux de fuite et le dégazage, ce qui permet d'atteindre un vide poussé.
2. Le domaine thermique
Le volume d'essai du TVC est un cylindre en acier inoxydable thermorégulé, appelé shroud, qui transfère la chaleur au DUT par irradiation de sa surface interne. Deux écrans thermiques en forme de disque ferment les deux extrémités du cylindre, afin d'obtenir un champ de température uniforme autour de l'appareil sous test (DUT). Le carénage est constitué de deux feuilles laminées avec un espace de quelques millimètres entre elles. Cet espace est utilisé pour le passage du fluide thermique du système de production d'énergie thermique. Une peinture noire spéciale est appliquée sur cette surface produisant une couche à haute émissivité (> 0,9) et à faible RML (perte de masse récupérée <1% à 150°C), qui maximise les échanges thermiques dans des conditions de vide poussé. Parfois dans le volume d'essai se trouve une « plaque thermique » sur laquelle sont placées des éprouvettes pour réaliser des cycles thermiques avec transfert de chaleur par conduction.
Différents types de systèmes de régulation de température sont disponibles, selon le type d'application :
Temp. plage 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 carénage en boucle fermée. Un avantage de ce système est le faible coût de possession.
Temp. gamme de - 180°C à + 150°C Azote gazeux sous pression
Au moyen d'un ventilateur spécial, de l'azote gazeux sous pression circule dans le carénage en maintenant une densité qui favorise les échanges thermiques et assure une bonne uniformité de température sur toute la surface rayonnante. Le chauffage s'effectue au moyen de résistances électriques, tandis que le refroidissement s'effectue par aspersion d'azote liquide dans le circuit. Ce système permet une excellente régulation de la température dans toute la gamme.
Temp. gamme de - 196 ° C à + 150 ° C Azote Liquide + Irradiateurs
Dans ce cas, le carénage est rempli - totalement ou partiellement - d'azote liquide, atteignant ainsi une température de -90k (entre -196°C et -185°C selon la pression dans le circuit). Cela crée un environnement cryogénique rayonnant autour de l'objet à tester. La circulation du LN2 dans le carénage peut être de type naturel ou forcé au moyen d'une pompe. Le chauffage de l'objet en essai ou le contrôle des températures intermédiaires, s'effectue au moyen d'éléments chauffants (lampes ou émetteurs infrarouges) placés sur des structures spéciales dans le volume d'essai.
Angelantoni Test Technologies a développé une large gamme de chambres à vide thermique standard et personnalisées et de simulateurs spatiaux, construits avec des composants de haute qualité par des fournisseurs de premier ordre.
3. L'usine de génération de vide
L'usine de génération de vide se compose d'un ensemble de pompes à vide de haute qualité et de marque largement connue. La première étape de vide (pompage primaire ou grossier) est réalisée par des pompes sèches, éliminant le risque de retour d'huile et caractérisée par une très faible maintenance. Il permet de passer de la pression ambiante à des valeurs de l'ordre de 10-2 mbar en peu de temps. Le deuxième étage, constitué de pompes plus sophistiquées (pompes cryogéniques), permet la réalisation d'un vide poussé avec une fiabilité élevée sur les performances. Les niveaux typiques de pression finale à l'intérieur de la chambre sont d'environ 1x10-6 mbar, mais ils peuvent chuter à des valeurs de l'ordre de 10-8 mbar en fonction du temps.
4. Le système de contrôle et de gestion
Le système de contrôle et de gestion du TVC consiste en une combinaison entièrement automatisée de composants matériels et logiciels. Le séquençage, les verrouillages de sécurité et les interfaces opérateur sont mis en œuvre via l'automate, le cœur du système de contrôle. En cas de panne des services publics tels que l'alimentation électrique, l'alimentation pneumatique, la circulation de l'eau de refroidissement, etc. L'API fournit des verrouillages intégrés au niveau des sous-systèmes pour assurer la sécurité du personnel d'exploitation, de l'objet à tester et de l'équipement de l'installation. Des appareils IHM sont fournis pour le contrôle local (panneau embarqué) et à distance (logiciel dédié PC) connectés à l'automate.