FR2957453A1 - RADIANT SCREEN FOR RADIANT COLLECTOR TUBES - Google Patents
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Abstract
Le tube à onde progressive (5) du type à collecteur rayonnant, ledit tube (5) comportant un collecteur (6) dépassant à l'extérieur des parois (2, 3) d'un engin placé dans un environnement de vide poussé, le collecteur (6) étant solidarisé à un refroidisseur rayonnant (7) vers l'extérieur de l'engin, comporte un écran émissif (8') amovible, fixé sur le refroidisseur rayonnant (7) du collecteur, sensiblement au niveau de sa partie destinée à être la plus proche de la paroi de l'engin après installation du tube à collecteur rayonnant au sein dudit engin, ledit écran comportant sur sa face externe un revêtement présentant un ratio d'émissivité dans le domaine infrarouge / absorptivité solaire suffisamment important pour apporter une contribution au refroidissement du radiateur supérieure à une valeur prédéterminée.The traveling wave tube (5) of the radiant collector type, said tube (5) having a collector (6) protruding outside the walls (2, 3) of a machine placed in a high vacuum environment, the manifold (6) being secured to a radiator cooler (7) towards the outside of the machine, comprises a removable emissive screen (8 '), fixed on the radiator cooler (7) of the collector, substantially at its portion intended to be the closest to the wall of the machine after installation of the collector tube radiating within said machine, said screen having on its outer face a coating having an emissivity ratio in the infrared range / solar absorptivity large enough to bring a contribution to the cooling of the radiator greater than a predetermined value.
Description
L'invention relève du domaine du contrôle thermique. Elle concerne plus particulièrement le contrôle thermique actif d'un équipement en environnement spatial, et vise notamment une application dans le cas d'un satellite de télécommunications stabilisé sur trois axes, et doté de tubes à ondes progressives à collecteur rayonnant. The invention relates to the field of thermal control. It relates more particularly to the active thermal control of a device in a space environment, and aims in particular at an application in the case of a telecommunications satellite stabilized on three axes, and equipped with traveling wave tubes with radiant collector.
Contexte de l'invention et problème posé Il est connu que l'un des problèmes des charges utiles de type électronique embarquées sur des satellites en environnement spatial est la dissipation de la chaleur produite par ladite charge utile. En effet, dans le cas, par exemple, d'un satellite de télécommunications, la charge utile comporte fréquemment des tubes à ondes progressives ("TOP" ou "TWT" pour Traveling-Wave Tube, en langue anglaise), destinés à une amplification du signal à transmettre avec un très faible bruit de fond. Or ces tubes à ondes progressives dégagent une grande quantité de chaleur, qui doit être dissipée vers l'espace, pour éviter une élévation de chaleur de la charge utile mettant en danger son fonctionnement correct. Le collecteur de ces tubes à ondes progressives à collecteur rayonnant fonctionne fréquemment à une température d'environ 200°C, alors que le tube lui-même est porté à quelques dizaines de degrés C. A titre purement informatif, la chaleur dégagée sur un satellite de télécommunications actuel atteint plusieurs kilowatts, et il est clair que la capacité de dissipation thermique est alors un élément dimensionnant de la puissance de la charge utile. On considère ici le cas de satellites de télécommunications stabilisés en attitude sur trois axes, c'est-à-dire pointant une direction fixe au cours du temps. C'est typiquement le cas de satellites géostationnaires. Il est alors classique de définir pour ces satellites des faces dites Terre et anti-Terre, orientées vers la Terre ou à l'opposé de celle-ci, et des faces Est et Ouest, perpendiculaires à cette direction de la Terre, et des faces Nord et Sud, perpendiculaire à l'axe des pôles terrestres, et donc peu éclairées par le soleil par comparaison aux autres faces du satellite. On définit pour la suite de la description le cas "chaud" comme la situation dans laquelle un tube rayonnant est soumis au rayonnement solaire. Au contraire, on définit le cas "froid" comme le cas où le collecteur rayonnant est dans l'ombre du satellite. On comprend que la différence de température entre ces deux cas se chiffre en dizaines de degrés. Comme on le sait, la dissipation de chaleur ne peut, dans l'environnement spatial, être obtenue que par rayonnement. Divers dispositifs de dissipation de chaleur vers l'espace ont alors été envisagés pour les charges utiles de ces satellites stabilisés. Background of the Invention and Problem It is known that one of the problems of electronic payloads embedded on satellites in a space environment is the dissipation of the heat produced by said payload. Indeed, in the case, for example, of a telecommunications satellite, the payload often includes traveling wave tubes ("TOP" or "TWT" for Traveling-Wave Tube, in English), intended for amplification of the signal to be transmitted with a very low background noise. Now these traveling wave tubes release a large amount of heat, which must be dissipated to space, to avoid a rise in heat of the payload endangering its proper operation. The collector of these traveling-wave tubes with radiating collector operates frequently at a temperature of about 200 ° C., whereas the tube itself is brought to a few tens of degrees C. For purely informational purposes, the heat released on a satellite The current telecommunications reach several kilowatts, and it is clear that the heat dissipation capacity is then a sizing element of the power of the payload. We consider here the case of telecommunications satellites stabilized in attitude on three axes, that is to say pointing a fixed direction over time. This is typically the case of geostationary satellites. It is then conventional to define for these satellites so-called Earth and anti-Earth faces, oriented towards the Earth or opposite to it, and East and West faces, perpendicular to this direction of the Earth, and faces North and South, perpendicular to the axis of the terrestrial poles, and therefore poorly lit by the sun compared to the other faces of the satellite. For the remainder of the description, the "hot" case is defined as the situation in which a radiating tube is subjected to solar radiation. On the contrary, the "cold" case is defined as the case where the radiant collector is in the shadow of the satellite. We understand that the temperature difference between these two cases is in tens of degrees. As we know, heat dissipation can only be obtained in the space environment by radiation. Various devices for dissipating heat to space were then envisaged for the payloads of these stabilized satellites.
Parmi ceux-ci, le document brevet EP 0 376 827 (Thomson CSF 1988) décrit un tube à ondes progressives dont le collecteur transmet par conduction sa chaleur à un refroidisseur à ailettes situé sur la surface externe du satellite. De même, le document brevet US 5 862 462 (Space Systems / Loral 1996) décrit un système de refroidissement de tubes à ondes progressives mettant en oeuvre des collecteurs rayonnants vers l'espace par l'intermédiaire d'un refroidisseur à ailettes. Among these, patent document EP 0 376 827 (Thomson CSF 1988) describes a traveling-wave tube whose collector conductively transmits its heat to a fin cooler located on the outer surface of the satellite. Similarly, US Pat. No. 5,862,462 (Space Systems / Loral 1996) discloses a traveling wave tube cooling system employing radiant manifolds to space via a finned cooler.
Ce principe du tube à collecteur rayonnant (TCR), connu en soi, est illustré de façon schématique sur la figure 1. Cette figure met en évidence la zone interne 1 au satellite, délimitée de façon simplifiée par un plancher 2 (qui est de fait une face Nord ou Sud du satellite) et une paroi 3, laquelle est par exemple orientée Est ou Ouest par rapport au soleil. Dans cette zone interne 1, la dissipation de chaleur se fait principalement par conduction. Au contraire, dans la zone externe 4 au satellite, la dissipation de chaleur se fait par rayonnement. Le satellite comporte un ensemble de tubes à onde progressive 5, de type connu en soi. Chaque tube à ondes progressives 5 comporte une entrée 10 de signal à amplifier, une sortie 11 de signal amplifié, ainsi qu'un collecteur 6, qui traverse une paroi 3 du satellite et supporte un radiateur à ailettes 7, disposé à l'extérieur du satellite. Les ailettes, typiquement au nombre de huit, sont de longueur égale et s'inscrivent dans un cercle. Le rôle du radiateur à ailettes 7 est de rayonner environ 60% de la chaleur produite par le Tube à Ondes Progressives vers l'espace servant de source froide, ce ratio dépendant du mode de fonctionnement du tube. Dans ce but, dans le présent exemple de mise en oeuvre, le radiateur à ailettes 7 reçoit par exemple un traitement de surface par anodisation sulfurique, de manière à lui conférer une émissivité c minimale de 0.8 et des valeurs typiques d'absorptivité solaire en début de vie aBOL=0.45 et en fin de vie aEOL=0.7. This principle of the collector tube radiator (TCR), known per se, is illustrated schematically in Figure 1. This figure highlights the inner zone 1 to the satellite, delimited in a simplified manner by a floor 2 (which is in fact a North or South face of the satellite) and a wall 3, which is for example oriented East or West relative to the sun. In this inner zone 1, the heat dissipation is mainly by conduction. On the contrary, in the outer zone 4 to the satellite, the heat dissipation is by radiation. The satellite comprises a set of progressive wave tubes 5 of a type known per se. Each traveling wave tube 5 comprises a signal input 10 to be amplified, an amplified signal output 11, and a collector 6, which passes through a wall 3 of the satellite and supports a finned radiator 7 disposed outside the satellite. satellite. The fins, typically eight in number, are of equal length and fit in a circle. The role of the finned radiator 7 is to radiate about 60% of the heat produced by the Progressive Wave Tube to the space serving as a cold source, this ratio depending on the mode of operation of the tube. For this purpose, in the present embodiment example, the finned radiator 7 receives, for example, a surface treatment by sulfuric anodization, so as to give it a minimum emissivity c of 0.8 and typical values of early solar absorptivity. of life aBOL = 0.45 and at the end of life aEOL = 0.7.
Le reste de la chaleur, soit environ 40%, est dissipé dans la paroi soutenant le tube. En sens inverse, le radiateur à ailettes 7 reçoit un rayonnement émis par le soleil ou une autre source de rayonnement externe, et le transmet par conduction au collecteur 6 du tube à ondes progressives 5. The rest of the heat, about 40%, is dissipated in the wall supporting the tube. In the opposite direction, the finned radiator 7 receives radiation emitted by the sun or another external radiation source, and transmits it by conduction to the collector 6 of the traveling wave tube 5.
Une protection isolante multicouche enveloppe et isole le satellite, réduisant l'entrée de rayonnement solaire ou de rayonnement généré par le radiateur à ailettes dans le satellite. Un écran plat, d'isolation radiative 8 ("hot shield" en langue anglaise), usuellement fixé aux ailettes par vissage (voir figure 1), permet de limiter le flux de rayonnement émis par le radiateur à ailettes 7 vers le satellite. De tels écrans d'isolation radiative 8 sont usuellement réalisés en aluminium et présentent un revêtement doré sur les deux faces. L'écran d'isolation radiative 8 est généralement constitué de deux parties. II est fourni monté ou démonté sur le radiateur à ailettes 7 d'un tube à collecteur rayonnant 5, suivant le besoin du client. Les fonctions de l'écran d'isolation radiative 8 sont-: de réaliser une isolation radiative locale entre la couverture thermique multicouche (MLI) du satellite et le radiateur 7 des tubes à collecteur rayonnant, de protéger localement l'isolation multicouche du flux solaire, de maintenir en conséquence la température de l'isolation multicouche en dessous sa température de qualification. Ce concept d'écran plat d'isolation radiative 8 ne traite pas du problème de la température maximale du radiateur du tube radiatif pour certaines configurations sur un satellite donné. A multilayer insulating protection envelope and isolates the satellite, reducing the input of solar radiation or radiation generated by the finned radiator in the satellite. A flat screen, radiative insulation 8 ("hot shield" in English), usually fixed to the vanes by screwing (see Figure 1), limits the radiation flux emitted by the finned radiator 7 to the satellite. Such radiative insulation screens 8 are usually made of aluminum and have a gold coating on both sides. The radiative insulation screen 8 generally consists of two parts. It is provided mounted or disassembled on the finned radiator 7 of a radiant collector tube 5, according to the needs of the customer. The functions of the radiative insulation screen 8 are: to achieve local radiative insulation between the multilayer thermal blanket (MLI) of the satellite and the radiator 7 of the collector tubes, to locally protect the multilayer insulation of the solar flux to maintain accordingly the temperature of the multilayer insulation below its qualification temperature. This concept of radiative insulation flat screen 8 does not deal with the problem of the maximum temperature of the radiator tube radiator for certain configurations on a given satellite.
Un tel dispositif est nommé tube à collecteur rayonnant (en langue anglaise RCTWT de Radiatively Cooled Traveling-Wave Tube). De tels dispositifs sont classiquement installés sur les arêtes proches des faces Nord et Sud, de manière à ce que les collecteurs rayonnants disposent d'un angle de rayonnement le plus grand possible, dans une zone peu éclairée par le soleil. Cependant, on comprend que, lorsque une série de ces tubes à collecteur rayonnant 5 sont disposés côte à côte, les radiateurs à ailettes 7 des tubes 5 situés entre d'autres tubes voient leur zone de rayonnement vers l'espace masqué par les radiateurs à ailettes 7 qui les entourent, ce qui réduit leur efficacité. Such a device is called Radiative Cooled Traveling-Wave Tube (RCTWT). Such devices are conventionally installed on the edges close to the North and South faces, so that the radiant collectors have the largest possible radiation angle in a zone poorly lit by the sun. However, it will be understood that when a series of these radially collector tubes 5 are arranged side by side, the finned radiators 7 of the tubes 5 located between other tubes have their radiation zone towards the space masked by the radiators. 7 fins that surround them, which reduces their effectiveness.
De même, du fait de la puissance rayonnée, l'espacement entre les refroidisseurs à ailettes doit éventuellement être augmenté, ce qui implique d'augmenter le pas entre les tubes à ondes progressives au sein de la charge utile. Or il est souhaitable, pour des raisons de performances de la charge utile, de réduire autant que faire se peut la longueur des guides d'ondes entre les antennes réceptrices, et les tubes à ondes progressives 5. Il est donc parfois nécessaire de disposer des tubes au milieu d'une face, ce qui est réduit naturellement la capacité de refroidissement du collecteur rayonnant, particulièrement s'il s'agit d'une face autre que Nord ou Sud. Likewise, because of the radiated power, the spacing between the fin coolers may have to be increased, which implies increasing the pitch between the traveling wave tubes within the payload. However, it is desirable, for reasons of performance of the payload, to reduce as far as possible the length of the waveguides between the receiving antennas, and the traveling wave tubes 5. It is therefore sometimes necessary to have tubes in the middle of a face, which naturally reduces the cooling capacity of the radiant collector, particularly if it is a face other than North or South.
Que ce soit pour des raisons de proximité des tubes ou de tubes dont les collecteurs sont disposés sur une face exposée au rayonnement solaire, certains des collecteurs rayonnant voient, dans les conditions les pires, leur température atteindre 220°C. Une telle température est susceptible de provoquer des dommages au niveau des matériaux composant le collecteur, et par exemple au niveau de la tête 12 du collecteur ("potting" en langue anglaise), qui solidarise les ailettes au collecteur par l'intermédiaire d'une colle. A température trop élevée, le tube associé risque la destruction. Ce problème de réduction de la température maximale des collecteurs rayonnants est donc critique. Whether for reasons of proximity tubes or tubes whose collectors are arranged on a side exposed to solar radiation, some of the radiant collectors see, under the worst conditions, their temperature reach 220 ° C. Such a temperature is likely to cause damage to the materials composing the collector, and for example at the head 12 of the collector ("potting" in English), which secures the fins to the collector via a glue. At too high a temperature, the associated tube risks destruction. This problem of reducing the maximum temperature of the radiant collectors is therefore critical.
On comprend que, pour cette application de dissipation de chaleur en ambiance spatiale, les dispositifs cités sont insuffisamment efficaces, ce qui entraîne des limitations dans la puissance dissipable. Les solutions évoquées entrainent des contraintes d'accommodation fortes, des impacts sur les performances RF et sur la masse de la charge utile envisageable. Une augmentation des longueurs des guides d'onde est en effet nécessaire si tous les tubes doivent être implantés sur les arêtes Est/Ouest du Module de Communication Télécom. La température des radiateurs des tubes à collecteur rayonnant est critique en cas chaud, et il n'y a pas de paramètre d'ajustement autre que le pas entre les tubes, qui est figé en début de programme. It is understood that for this application of heat dissipation in a space environment, the devices mentioned are insufficiently effective, which leads to limitations in the dissipable power. The evoked solutions result in strong accommodation constraints, impacts on the RF performances and on the mass of the payload that can be envisaged. An increase in the lengths of the waveguides is indeed necessary if all the tubes must be implanted on the East / West edges of the Telecom Communication Module. The temperature of the radiators of the tubes with radiant collector is critical in the hot case, and there is no adjustment parameter other than the pitch between the tubes, which is fixed at the beginning of the program.
Objectifs de l'invention La présente invention a donc pour objet de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau dispositif de refroidissement de charge utile de satellite. OBJECTS OF THE INVENTION The object of the present invention is therefore to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a new satellite payload cooling device.
Selon un second objectif de l'invention, celle-ci est peu onéreuse à mettre en oeuvre. According to a second objective of the invention, it is inexpensive to implement.
Exposé de l'invention L'invention vise en premier lieu un tube à onde progressive du type à collecteur rayonnant, ledit tube comportant un collecteur dépassant à l'extérieur des parois d'un engin placé dans un environnement de vide poussé, le collecteur étant solidarisé à un radiateur rayonnant vers l'extérieur de l'engin, le tube comportant un écran émissif, fixé sur le radiateur rayonnant du collecteur, sensiblement au niveau de sa partie destinée à être la plus proche de la paroi de l'engin après installation du tube à collecteur rayonnant au sein dudit engin, ledit écran comportant sur sa face externe un revêtement présentant un ratio d'émissivité dans le domaine infrarouge / absorptivité solaire suffisamment important pour apporter une contribution au refroidissement du radiateur supérieure à une valeur prédéterminée. SUMMARY OF THE INVENTION The invention firstly relates to a progressive wave tube of the radiant collector type, said tube comprising a collector protruding outside the walls of a machine placed in a high vacuum environment, the collector being secured to a radiator radiating towards the outside of the machine, the tube comprising an emissive screen, fixed on the radiator radiating from the collector, substantially at its portion intended to be the closest to the wall of the machine after installation radiating collector tube within said machine, said screen having on its outer face a coating having a ratio of emissivity in the infrared range / solar absorptivity large enough to make a contribution to the cooling of the radiator greater than a predetermined value.
Préférentiellement, le revêtement est caractérisé par les valeurs optiques suivantes : - absorptivité solaire en début de vie inférieure ou égale à 0.45 / absorptivité solaire en fin de vie inférieure ou égale à 0.7, - émissivité dans le domaine infrarouge supérieure ou égale à 0.7. Preferably, the coating is characterized by the following optical values: - solar absorptivity at the beginning of life less than or equal to 0.45 / solar absorptivity at the end of life less than or equal to 0.7, - emissivity in the infrared range greater than or equal to 0.7.
Selon un premier mode de réalisation, le revêtement est de type anodisation sulfurique sur substrat en aluminium. Alternativement, le revêtement est de type céramique blanche avec oxydation plasmique. According to a first embodiment, the coating is of the sulfuric anodic type on an aluminum substrate. Alternatively, the coating is of the white ceramic type with plasma oxidation.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'écran émissif est de forme sensiblement plane, et disposé de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du tube à collecteur rayonnant. According to an advantageous embodiment, the emissive screen is of substantially flat shape, and disposed substantially perpendicular to the main axis of the collector tube radiating.
De manière à faciliter son installation sur des tubes à collecteurs rayonnant déjà installés sur satellite, l'écran émissif est préférentiellement amovible et composé de plusieurs parties assemblées autour du radiateur du tube. In order to facilitate its installation on radiant collector tubes already installed on satellite, the emissive screen is preferably removable and composed of several parts assembled around the radiator of the tube.
L'invention vise en second lieu un procédé de réalisation d'un tube tel qu'exposé, l'écran émissif étant obtenu par modification d'un écran d'isolation radiative correspondant au tube considéré, en remplaçant le revêtement de surface existant. On comprend que cette disposition permet, avec une grande économie de moyens, de remplacer un dispositif conçu comme un écran isolation radiative pour en faire, au contraire, un écran émissif, fournissant un complément de dissipation thermique au radiateur. The invention relates secondly to a method of producing a tube as described, the emissive screen being obtained by modifying a radiative insulation screen corresponding to the tube in question, by replacing the existing surface coating. It is understood that this arrangement allows, with a great economy of means, to replace a device designed as a radiative insulation screen to make, on the contrary, an emissive screen, providing additional heat dissipation to the radiator.
Sous encore un autre aspect, l'invention vise un satellite, comportant au moins un tube tel qu'exposé plus haut. In yet another aspect, the invention relates to a satellite, comprising at least one tube as described above.
L'invention vise également un procédé d'aménagement thermique d'un satellite tel qu'exposé, un écran émissif étant installé sur un certain nombre de radiateurs de tubes à collecteur rayonnant, selon leur température maximale estimée. Préférentiellement dans ce procédé, un écran émissif est installé sur les radiateurs de tubes disposés au centre de faces Est ou Ouest, ou sur des radiateurs disposés entre d'autres radiateurs. Plus particulièrement dans ce cas, la forme et la surface de l'écran émissif sont adaptées aux conditions spécifiques d'environnement et de performances requises de chaque refroidisseur rayonnant. Selon une mise en oeuvre favorable du procédé, celui-ci comporte une étape préalable de développement de plusieurs jeux de demi-écrans standardisés, avec des dimensions et des formes différentes, l'installation de l'un ou l'autre de ces demi-écrans standardisés sur un tube donné, étant réalisée selon le besoin de dissipation estimé pour le tube et de sa position sur les faces du satellite et vis-à-vis des autres tubes. The invention also relates to a method for thermal management of a satellite as described, an emissive screen being installed on a number of radiant collector tube radiators, according to their maximum estimated temperature. Preferably in this method, an emissive screen is installed on the tube radiators arranged at the center of East or West faces, or on radiators arranged between other radiators. More particularly in this case, the shape and the surface of the emissive screen are adapted to the specific environmental conditions and required performance of each radiating cooler. According to a favorable implementation of the method, it comprises a preliminary stage of development of several sets of standardized half-screens, with different dimensions and shapes, the installation of one or other of these half-screens. standardized screens on a given tube, being performed according to the estimated dissipation need for the tube and its position on the faces of the satellite and vis-à-vis the other tubes.
Brève description des figures Les buts et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description et des dessins d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, et pour lequel les dessins représentent : - figure 1 (déjà citée) : un schéma de principe d'un tube à collecteur rayonnant, - figure 2 : une vue en perspective d'un tube à collecteur rayonnant. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES The aims and advantages of the invention will be better understood on reading the description and the drawings of a particular embodiment, given by way of non-limiting example, and for which the drawings represent: FIG. 1 (already cited): a schematic diagram of a collector tube radiating, - Figure 2: a perspective view of a collector tube radiating.
Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention L'invention trouve sa place au sein d'un engin spatial, dans le présent exemple nullement limitatif un satellite en orbite autour de la Terre. On considère ici un satellite de télécommunications en orbite géostationnaire stabilisé sur trois axes. Il reste cependant clair que l'invention s'applique également à tout autre type de support placé dans le vide et destiné à dissiper sa chaleur purement par rayonnement. On définit pour la suite de la description le terme de spectre infrarouge par la bande de longueurs d'ondes comprise approximativement entre 780 nm et 100 pm. L'absorptivité solaire d'un revêtement est relative au spectre solaire constitué par le domaine ultraviolet ayant une bande de longueurs d'ondes comprises sensiblement entre 10nm et 400 nm et le domaine visible ayant une bande de longueurs d'ondes comprises sensiblement entre 400nm et 780 nm. DETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION The invention finds its place within a spacecraft, in the present example in no way limiting a satellite orbiting the Earth. We consider here a telecommunications satellite in geostationary orbit stabilized on three axes. However, it remains clear that the invention also applies to any other type of support placed in the vacuum and intended to dissipate its heat purely by radiation. For the rest of the description, the term infrared spectrum is defined by the wavelength band lying approximately between 780 nm and 100 μm. The solar absorptivity of a coating is relative to the solar spectrum consisting of the ultraviolet range having a wavelength band of substantially between 10 nm and 400 nm and the visible range having a wavelength band of substantially between 400 nm and 780 nm.
L'invention constitue une modification d'un tube à collecteur rayonnant tel que décrit plus haut et illustré par la figure 1. Elle s'applique à des tubes à collecteur rayonnant (tubes radiatifs) dotés d'un radiateur à ailettes, et agencés au sein du satellite de manière à déterminer un espace libre, d'au moins quelques millimètres d'épaisseur, entre le bord des ailettes le plus proche de la paroi 3 du satellite, et la couverture d'isolation multicouche. The invention constitutes a modification of a radiant collector tube as described above and illustrated in FIG. 1. It applies to radially collector tubes (radiative tubes) equipped with a finned radiator, and arranged at within the satellite so as to determine a free space, at least a few millimeters thick, between the edge of the fins closest to the wall 3 of the satellite, and the multilayer insulation blanket.
Dans le présent exemple (voir figure 2), le tube à collecteur rayonnant comporte un écran émissif 8', disposé de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du tube à collecteur rayonnant (qui est aussi l'axe principal du radiateur à ailettes), c'est-à-dire ici sensiblement parallèlement au plan de la paroi 3 dont émerge le collecteur du tube. In the present example (see FIG. 2), the radially collector tube comprises an emitting shield 8 'disposed substantially perpendicular to the main axis of the collector tube (which is also the main axis of the finned radiator) , that is to say here substantially parallel to the plane of the wall 3 from which emerges the manifold of the tube.
L'écran émissif 8' est fixé de façon amovible sur le radiateur à ailettes 7 du collecteur, sensiblement au niveau des arêtes des ailettes les plus proches de la paroi du satellite. The emissive screen 8 'is removably attached to the finned radiator 7 of the collector, substantially at the edges of the fins closest to the satellite wall.
Cet écran émissif 8' est ici de forme plane. Il est réalisé en aluminium. Il est composé de deux parties, supérieure et inférieure, assemblées, par exemple par vissage, au voisinage des arêtes des ailettes 7 du radiateur du tube à collecteur rayonnant 5. L'épaisseur de l'écran émissif 8' est ici de l'ordre de un à deux millimètres. This emissive screen 8 'is here of flat shape. It is made of aluminum. It consists of two parts, upper and lower, assembled, for example by screwing, in the vicinity of the edges of the fins 7 of the radiator of the collector tube radiating 5. The thickness of the emissive screen 8 'is here of the order from one to two millimeters.
La forme de chaque partie de l'écran émissif 8' est, dans le présent exemple, celle d'un demi-disque, doté d'un passage pour le collecteur 6 du tube. Il est clair que la forme de l'écran émissif 8' complet peut également être carrée, trapézoïdale ou ovoïde. Cette forme est notamment liée aux contraintes géométriques générées par des tubes à collecteurs rayonnant 5 voisins, ainsi qu'au besoin de dissipation thermique estimé. Les dimensions de l'écran émissif 8' sont déterminées de manière à êtres compatibles avec la tenue mécanique du tube radiatif, les contraintes thermiques, les contraintes d'aménagement de la charge utile et les contraintes sur la masse totale de la charge utile. La forme de l'écran émissif 8' peut être optimisée en fonction de l'efficacité thermique recherchée. La masse de l'écran émissif 8' est, dans le présent exemple, de quelques dizaines de grammes. The shape of each part of the emissive screen 8 'is, in the present example, that of a half-disc, provided with a passage for the collector 6 of the tube. It is clear that the shape of the complete emissive screen 8 'can also be square, trapezoidal or ovoid. This form is particularly related to the geometric constraints generated by neighboring collector tubes 5, and the need for estimated heat dissipation. The dimensions of the emissive screen 8 'are determined so as to be compatible with the mechanical strength of the radiative tube, the thermal stresses, the constraints of the payload layout and the constraints on the total mass of the payload. The shape of the emissive screen 8 'can be optimized according to the desired thermal efficiency. The mass of the emissive screen 8 'is, in the present example, a few tens of grams.
La face externe de cet écran émissif 8' est recouverte par un revêtement présentant un ratio d'émissivité dans le domaine infrarouge / absorptivité solaire qui soit suffisamment important pour apporter une contribution significative au refroidissement du radiateur. Une telle contribution est ici considérée comme significative lorsqu'elle atteint environ 10%. Cette contribution peut être différente pour des tubes différents, selon leurs besoins de dissipation et leurs conditions d'environnement. A cet effet, la face externe de cet écran émissif 8' reçoit, dans le présent exemple, un revêtement de type anodisation sulfurique, sensiblement identique au revêtement classique d'un radiateur à ailettes. Ce revêtement est ici caractérisé par les valeurs suivantes : - absorptivité solaire début de vie = 0.45 / absorptivité solaire fin de vie = 0.7, - émissivité c dans le domaine infrarouge approximativement égale à 0.8. The outer face of this emissive screen 8 'is covered by a coating having an emissivity ratio in the infrared / solar absorptivity range which is large enough to make a significant contribution to the cooling of the radiator. Such a contribution is considered significant here when it reaches around 10%. This contribution can be different for different tubes, according to their dissipation needs and their environmental conditions. For this purpose, the outer face of this emissive screen 8 'receives, in the present example, a sulfuric anodizing type coating, substantially identical to the conventional coating of a finned radiator. This coating is here characterized by the following values: - solar absorptivity early life = 0.45 / solar absorptivity end of life = 0.7, - emissivity c in the infrared range approximately equal to 0.8.
Dans une première mise en oeuvre, la face interne de l'écran émissif 8' (côté couverture isolante multicouches "MLI") comporte un revêtement doré, et la face externe comporte un revêtement fortement émissif avec ratio émissivité infrarouge / absorptivité solaire suffisamment important. Dans une variante de mise en oeuvre destinée à simplifier la fabrication, les deux faces de l'écran émissif 8' comportent le même revêtement fortement émissif avec ratio émissivité infrarouge / absorptivité solaire suffisamment important. In a first implementation, the inner face of the emissive screen 8 '(multilayer insulating blanket side "PWM") has a gold coating, and the outer face has a highly emissive coating with infrared emissivity ratio / solar absorptivity sufficiently large. In an implementation variant intended to simplify manufacture, the two faces of the emissive screen 8 'have the same highly emissive coating with a sufficiently high infrared emissivity / solar absorptivity ratio.
Mode de fonctionnement L'écran émissif 8' est installé sur un certain nombre de radiateurs 7 de tubes à collecteur rayonnant 5, selon leur température maximale, par exemple telle que calculée durant la phase de conception, ou observée lors de tests de simulation. En particulier, cet écran émissif 8' peut être installé sur les radiateurs 7 de tubes 5 disposés au centre de faces Est ou Ouest, ou sur des radiateurs situés entre d'autres radiateurs, et disposant, de ce fait, d'un angle solide de rayonnement inférieur. Mode of operation The emissive screen 8 'is installed on a number of radiators 7 of collector tubes 5 according to their maximum temperature, for example as calculated during the design phase, or observed during simulation tests. In particular, this emissive screen 8 'can be installed on the radiators 7 of tubes 5 arranged at the center of faces East or West, or on radiators located between other radiators, and having, therefore, a solid angle lower radiation.
Il est clair que la forme et la surface de l'écran émissif 8' sont alors adaptées aux conditions spécifiques d'environnement de chaque tube, ce qui fournit une grande souplesse dans l'aménagement. Cette disposition permet également de supplémenter la dissipation radiative disponible par le seul radiateur à ailettes 7, lorsque, au cours du développement d'un satellite, il apparait un sous- dimensionnement de celui-ci. L'écran émissif 8' se comporte alors comme une extension de la surface de rayonnement du radiateur à ailettes 7. It is clear that the shape and the surface of the emissive screen 8 'are then adapted to the specific environmental conditions of each tube, which provides great flexibility in the arrangement. This arrangement also makes it possible to supplement the radiative dissipation available by the single finned radiator 7, when, during the development of a satellite, it appears an under-dimensioning thereof. The emissive screen 8 'then behaves as an extension of the radiating surface of the finned radiator 7.
Avantages de l'invention L'invention permet d'augmenter de manière significative la surface radiative du radiateur 7 du tube à collecteur rayonnant 5 en utilisant l'écran d'isolation radiative déjà existant sur certains tubes à collecteur rayonnants, et fixé au radiateur. L'augmentation de surface radiative et un meilleur ratio d'émissivité infrarouge / absorptivité solaire, entrainent ainsi une augmentation du couplage radiatif entre le radiateur et l'environnement externe. Ceci permet, par conséquent, de refroidir les parties externes du tube à collecteur rayonnant 5 (radiateur 7, collecteur 6, potting 12) sous leur température de qualification avec une marge suffisante. Advantages of the invention The invention makes it possible to significantly increase the radiative surface of the radiator 7 of the radiant collector tube 5 by using the radiative insulation screen already existing on certain tubes with radiant collector, and fixed to the radiator. The increase of radiative surface and a better ratio of infrared emissivity / solar absorptivity, thus lead to an increase of the radiative coupling between the radiator and the external environment. This allows, therefore, to cool the outer portions of the collector tube radiator 5 (radiator 7, collector 6, potting 12) under their qualification temperature with a sufficient margin.
En cas dit "chaud", c'est-à-dire lorsque le tube à collecteur rayonnant est en fonctionnement, la réduction de température du radiateur a été estimée entre environ -7°C et environ -13°C suivant la position du tube et la configuration externe autour du tube. In the so-called "hot" case, ie when the radiant collector tube is in operation, the temperature reduction of the radiator has been estimated between about -7 ° C and about -13 ° C depending on the position of the tube and the external configuration around the tube.
Le dispositif selon l'invention permet donc de réduire dans ce cas chaud la température du radiateur des tubes à collecteur rayonnant (partie externe au niveau du collecteur) qui est un élément critique. Elle va permettre de maintenir la température du radiateur à un niveau acceptable suivant les configurations. The device according to the invention thus makes it possible to reduce in this hot case the temperature of the radiator of the tubes with radiant collector (external part at the level of the collector) which is a critical element. It will help maintain the temperature of the radiator to an acceptable level depending on the configurations.
Ceci permet une plus grande souplesse au niveau de l'accommodation de ces tubes sur un satellite et une meilleure optimisation de la charge utile. Il en résulte en effet un élargissement des possibilités d'implantation des tubes à collecteur rayonnant sur un satellite de télécommunications, et une possibilité d'optimiser les longueurs de guides d'onde. Par exemple, un montage sur les plateaux (« floors » en langue anglaise) avec un pas réduit entre les tubes est envisageable. L'aménagement interne et externe de la charge utile s'en trouve donc facilité, car l'invention peut être appliquée localement sur un ou plusieurs tubes en tant que paramètre d'ajustement supplémentaire (mise en place ou non de l'écran émissif 8'). This allows greater flexibility in the accommodation of these tubes on a satellite and better optimization of the payload. This results in an enlargement of the possibilities of implantation of the tubes with collector radiating on a telecommunications satellite, and a possibility of optimizing the lengths of waveguides. For example, a mounting on the plates ("floors" in English) with a reduced pitch between the tubes is possible. The internal and external arrangement of the payload is therefore facilitated, since the invention can be applied locally to one or more tubes as an additional adjustment parameter (placement or not of the emissive screen 8 ').
De façon résumée, les avantages du dispositif de dissipation de chaleur selon l'invention sont : - une simplicité de réglage de la température d'un tube radiatif (technologie 25 et pièce existantes). - une capacité à réaliser cet ajustement localement et tardivement en cours de programme si nécessaire, - une intégrité mécanique du tube à ondes progressives non modifiée, - une réduction du stress thermique dudit tube, 30 - un faible coût de mise oeuvre, - un impact sur la masse relativement faible. Briefly, the advantages of the heat dissipating device according to the invention are: a simplicity of adjusting the temperature of a radiative tube (existing technology and part). - an ability to make this adjustment locally and late in the program if necessary, - a mechanical integrity of the unmodified traveling wave tube, - a reduction in thermal stress of said tube, - a low cost of implementation, - an impact on the relatively weak mass.
Variantes de l'invention La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. L'application est possible sur tous les types de tubes à collecteur rayonnant comportant des moyens de fixer un écran de découplage radiatif, en s'adaptant à leur géométrie ou dimensions spécifiques. Variations of the Invention The scope of the present invention is not limited to the details of the above embodiments considered by way of example, but extends instead to modifications within the scope of those skilled in the art. . The application is possible on all types of tubes with radiant collector comprising means for fixing a radiative decoupling screen, by adapting to their specific geometry or dimensions.
Dans une variante de mise en oeuvre, le revêtement «anodisation sulfurique» de l'écran émissif 8' est un revêtement de type «céramique blanche avec oxydation plasmique». Ce revêtement est destiné aux hautes températures entre typiquement +400°C et +700°C, ce qui est largement compatible de la température maximale du radiateur (+220°C). L'épaisseur du revêtement est de l'ordre de 100pm, Ses caractéristiques thermo-optiques sont : une absorptivité solaire début de vie voisine de 0.26 / absorptivité solaire fin de vie inférieure à environ 0.55, et une émissivité c en infrarouge proche de 0.83 On constate alors une réduction de la température du radiateur avec ce revêtement «céramique blanche avec oxydation plasmique» associé à l'écran émissif 8', comprise entre environ -12°C et environ -18°C. Cette réduction très significative permet de maintenir nettement plus facilement le tube à collecteur rayonnant dans sa zone de températures de qualification. Dans ce cas, le revêtement est préférentiellement réalisé sur les deux faces de l'écran émissif 8'. In an alternative embodiment, the coating "sulfuric anodization" of the emissive screen 8 'is a coating type "white ceramic with plasma oxidation". This coating is intended for high temperatures between typically + 400 ° C and + 700 ° C, which is largely compatible with the maximum temperature of the radiator (+ 220 ° C). The thickness of the coating is of the order of 100 μm. Its thermo-optical characteristics are: an early solar absorptivity close to 0.26 / solar end-of-life absorptivity less than about 0.55, and an infrared c emissivity close to 0.83. then noted a reduction in the temperature of the radiator with this coating "white ceramic with plasma oxidation" associated with the emissive screen 8 ', between about -12 ° C and about -18 ° C. This very significant reduction makes it much easier to keep the collector tube radiating in its zone of qualification temperatures. In this case, the coating is preferably carried out on both sides of the emissive screen 8 '.
Dans une variante de réalisation, l'écran émissif 8' est obtenu par modification d'un écran d'isolation radiative 8 de type connu, en remplaçant le revêtement doré existant par un revêtement fortement émissif de type anodisation sulfurique ou céramique blanche avec oxydation plasmique. L'écran émissif est alors fixé aux ailettes du radiateur 7 par les moyens de fixation préexistant, usuellement des vis. Cette disposition correspond à une économie de moyens. In an alternative embodiment, the emissive screen 8 'is obtained by modifying a radiative insulation screen 8 of known type, replacing the existing gold coating with a highly emitting coating of the sulfuric anodization or white ceramic type with plasma oxidation. . The emissive screen is then fixed to the fins of the radiator 7 by the pre-existing fixing means, usually screws. This provision corresponds to an economy of means.
Dans le présent exemple, les deux parties de l'écran émissif 8' sont sensiblement symétriques. Il est cependant clair qu'il est loisible d'utiliser dans le cadre de l'invention deux demi-écrans de formes différentes ou de surfaces notablement différentes, selon les besoins locaux d'accommodation ou de performances liés aux tubes. In the present example, the two parts of the emissive screen 8 'are substantially symmetrical. It is however clear that it is possible to use in the context of the invention two half-screens of different shapes or significantly different surfaces, depending on the local needs for accommodation or performance related to the tubes.
12 Dans une variante de mise en oeuvre, plusieurs jeux de demi-écrans sont développés, avec des dimensions différentes mais standardisées. De cette manière, il est possible de procéder à l'installation de l'un ou l'autre de ces écrans standardisés sur un tube donné, par exemple selon des abaques fonction du besoin de dissipation estimé pour le tube et de sa position sur les faces du satellite et vis-à-vis des autres tubes. In an implementation variant, several sets of half-screens are developed, with different but standardized dimensions. In this way, it is possible to proceed to the installation of one or the other of these standardized screens on a given tube, for example according to abacuses according to the estimated dissipation need for the tube and its position on the satellite faces and vis-à-vis the other tubes.
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