Vaisseau spatial

8.4 Effets de la charge de l’engin spatial

La charge de surface de l’engin spatial est l’accumulation de charge électrique nette et donc d’un potentiel électrostatique sur les surfaces externes d’un engin spatial en raison de particules incidentes dont les énergies se situent entre le kilo-électron volt et des dizaines de kilo-électron volt. Un engin spatial géosynchrone se charge lorsque le véhicule rencontre une région de plasma amélioré associée à une sous-tempête magnétosphérique. Ces « nuages » de plasma améliorés ont des énergies de particules typiques de 1 à 50 keV. Les grands engins spatiaux en orbite polaire à basse altitude se chargent lorsqu’ils traversent des régions d’activité aurorale. Des engins spatiaux plus petits sur des orbites polaires à basse altitude peuvent se charger en raison d’interactions multicorps, s’ils se trouvent près d’un engin spatial plus grand lors du passage d’une aurore.

Deux types de charge des engins spatiaux sont préoccupants. La charge absolue est le développement d’un potentiel de la trame de l’engin spatial par rapport au plasma spatial environnant. La charge différentielle est la variation du potentiel d’une partie de l’engin spatial par rapport à une autre. La charge différentielle peut produire de forts champs électriques locaux pouvant donner lieu à des décharges.

Les engins spatiaux en orbite géosynchrone se chargent jusqu’à des dizaines de kilovolts. Le satellite SCATHA a démontré que la charge différentielle de surface sur les engins spatiaux pendant les sous-tempêtes est associée à des décharges et à des anomalies opérationnelles. Dans un cas, des différences de potentiel de plus de 9,5 kV ont été mesurées sur le satellite. En même temps, 29 impulsions ont été détectées par le moniteur d’impulsions transitoires. Dix-sept des impulsions dépassaient le niveau maximal de l’instrument de 7,4 V. Trois anomalies ont coïncidé avec les décharges, dont une perte de données de 2 minutes. Une enquête de 9 ans de données SCATHA montre une corrélation entre le courant de particules avec des énergies de l’ordre de plusieurs dizaines de kilovolts, le développement de potentiels différentiels de surface supérieurs à 100 V et les décharges électrostatiques.

Quelques phénomènes de charge sévères ont été observés dans la région aurorale. En 1983, les instruments embarqués sur le Satellite météorologique de Défense 7 (DMSP 7) ont observé un potentiel absolu de − 800 V. Depuis lors, quelques événements avec des potentiels plus élevés, jusqu’à −1.2 kV, ont été observés. Aucune anomalie n’a été associée à l’un des événements de charge observés. Cependant, la théorie prédit que les plus grands engins spatiaux du futur développeront des potentiels encore plus élevés.

Les interactions multicorps peuvent provoquer ou améliorer la charge de surface si deux engins spatiaux isolés électriquement, tels que la navette et un astronaute pendant une activité extravéhiculaire (EVA), sont proches l’un de l’autre dans un plasma à haute énergie (keV). Étant donné que plusieurs engins spatiaux n’ont volé que sur des orbites équatoriales basses où les particules à haute énergie ne se produisent pas naturellement, la charge due aux interactions entre plusieurs corps n’a pas été observée.

Comme le montre la figure 8.6, la charge de surface pose des problèmes pour les engins spatiaux opérationnels. La charge différentielle peut entraîner des différences de potentiel importantes entre les surfaces adjacentes, et donc des décharges. Les décharges sont des impulsions rapides, typiquement de plusieurs ampères, pendant des nanosecondes à des microsecondes. Un effet primaire est l’apparition d’anomalies de commutation électronique, qui peuvent être déclenchées par des décharges liées à la charge différentielle. Les transitoires induits par la décharge peuvent causer des défaillances du système et, potentiellement, des dommages matériels. Une anomalie plus courante est une commande fantôme, nécessitant une intervention depuis le sol, entraînant éventuellement une perte de données, raccourcissant ainsi la durée de vie opérationnelle de l’engin spatial.

Figure 8.6. Les effets de la charge de surface des engins spatiaux comprennent les IEM, la dégradation de la surface et la contamination par les rejets, la perturbation des mesures des particules et l’attraction accrue de la contamination.

La charge de surface peut entraîner une augmentation des niveaux de contamination, entraînant des modifications des caractéristiques de surface. La charge de surface des engins spatiaux peut améliorer la contamination de deux manières. Tout d’abord, les contaminants chargés sont attirés par des surfaces chargées de manière opposée. Certains des contaminants qui s’éloigneraient autrement de l’engin spatial sont attirés par les surfaces chargées et ont un impact à des énergies plus élevées où la liaison chimique est améliorée. Deuxièmement, le matériau expulsé lors d’une décharge peut être déposé sur d’autres surfaces.

La contamination sur des surfaces ayant des propriétés spéciales, telles que des lentilles, peut détruire les propriétés spéciales. Des températures plus élevées peuvent résulter de propriétés optiques de surface altérées. Les caractéristiques de charge peuvent changer en raison des changements dans les rendements secondaires et photoélectroniques. Le dépôt de contaminants diélectriques peut également modifier la conductivité de surface. Enfin, la charge de surface sur les engins spatiaux peut biaiser les mesures plasmatiques de l’environnement spatial. La mesure dans laquelle ces effets interfèrent avec la mission de l’engin spatial varie d’un engin spatial à l’autre et d’un épisode de charge à l’autre. C’est au début des années 1970 que les engins spatiaux ont commencé à connaître des anomalies, et dans un cas, une défaillance, qui semblait être liée à la charge des engins spatiaux. Au début des années 1970, la logique au niveau de l’ordinateur dans les sous-systèmes électroniques a été introduite pour la première fois. L’électronique la plus sensible pourrait être perturbée par des transitoires qui n’affectaient pas l’électronique des engins spatiaux antérieurs. À mesure que l’électronique devient plus sensible, les précautions deviennent plus importantes.

Le processus d’accumulation de charges sur les surfaces des engins spatiaux est compris, et des techniques ont été développées pour minimiser les problèmes associés. La NASA a élaboré les Directives de conception pour Évaluer et contrôler les effets de charge des engins spatiaux, qui décrivent la compréhension du problème à l’époque et suggèrent des techniques pour éviter les problèmes associés à la charge de surface des engins spatiaux. Des codes informatiques ont été développés pour aider les concepteurs à concevoir des engins spatiaux avec des effets de charge de surface minimaux. La première ligne de défense contre la charge différentielle est la minimisation de la surface des surfaces isolantes ou des conducteurs flottants. Cela localise le problème et réduit la quantité de charge pouvant être rapidement déchargée. (Parfois, les différences de potentiel sont plus grandes lorsque les zones sont plus petites, mais la charge totale et l’énergie stockées sont plus petites.) Une attention particulière à la conception des parties de l’engin spatial où des décharges sont attendues réduit davantage le risque. Le blindage et le filtrage protègent les circuits de l’IEM résultant de toute décharge rapide restante. Pour certaines applications, la réduction de la charge de surface, à la fois différentielle et absolue, soit en utilisant des matériaux de surface à forte émission d’électrons secondaires (contrôle de charge passif), soit en utilisant un émetteur de plasma (contrôle de charge actif) est nécessaire.

Au cours des 15 dernières années, des inquiétudes ont surgi concernant la charge sur des engins spatiaux en orbite polaire à basse altitude en raison des précipitations d’aurores boréales. Le vaisseau spatial DMSP de 2 m a été observé pour charger à – 1,2 kV, et un vaisseau spatial de 10 m pourrait charger à -10 kV. La charge aurorale diffère de la charge géosynchrone en ce sens que les courants de charge ont tendance à être beaucoup plus élevés, que le véhicule est dans un environnement de charge pendant seulement quelques secondes et que le taux de charge et le potentiel atteints dépendent de la taille du véhicule. De plus, les effets de double corps et de sillage peuvent devenir importants, et la charge différentielle entre des véhicules tels qu’une navette et un astronaute pendant l’EVA est préoccupante. L’évaluation de la conception d’un engin spatial en orbite polaire à basse altitude pour d’éventuels problèmes liés à la charge nécessite la prise en compte d’interactions plus compliquées et l’utilisation d’outils de calcul et d’environnements différents de ceux des engins spatiaux géosynchrones. De plus, les engins spatiaux en orbite polaire à basse altitude doivent bien fonctionner dans les régions équatoriales. Les travaux du début des années 1980 ont fourni aux concepteurs d’engins spatiaux des outils pour réduire le nombre et la gravité des anomalies associées à la charge de surface, mais ont laissé certaines questions sans réponse. Avec la miniaturisation des composants, les engins spatiaux modernes sont plus vulnérables aux IEM, des exigences plus strictes sont donc nécessaires.

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