Le contrôle thermique des engins spatiaux est une fonction chargée de maintenir les équipements de ceux-ci à une température nominale dans les toutes les phases de leur mission. Alors que sur Terre cette régulation se fait le plus souvent naturellement, l'environnement spatial a des caractéristiques (vide, micropesanteur, rayonnements), qui se traduisent par l'absence des processus modérateurs que sont la conduction thermique et la convection, et qui génèrent des conditions thermiques extrêmes. Ainsi la température de certaines parties des engins spatiaux en orbite autour de la Terre et des sondes spatiales explorant le système solaire peut être proche du zéro absolu tandis que leurs faces exposées au Soleil peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés Celsius.

Le système de contrôle thermique d'un engin spatial doit maintenir les composants de ses équipements dans une plage de températures pour laquelle ils ont été conçus. Sa conception prend en compte les spécificités de la mission de l'engin spatial : cycles thermiques rapprochés d'un satellite en orbite autour de la Terre, froid extrême des missions à destination des planètes externes du système solaire ou températures très élevées pour les engins spatiaux aux trajectoires passant près du Soleil (exploration de Mercure, observatoires solaires). Il repose sur des dispositifs isolant le cœur de l'engin spatial de l'environnement thermique extrême et en évacuant si nécessaire la chaleur produite par le fonctionnement des équipements. Le système de contrôle thermique utilise des équipements passifs (isolants multicouches, pare-soleils, réflecteurs, peinture) ou actifs (résistances chauffantes, caloducs…). L'évacuation de la chaleur repose sur le rayonnement thermique.

L’environnement thermique des engins spatiaux

Sources externes de froid et de chaleur Température du fond du ciel

Dans l'espace, la température d'un engin spatial éloigné de tout objet céleste (Terre…), qui ne serait pas éclairé par le Soleil et sans source de chaleur interne (électronique, réchauffeur (résistance chauffante) générateur thermoélectrique à radioisotope, propulsion, chaleur humaine…) va progressivement atteindre la température du fond du ciel, qui est de ()..

Les flux thermiques solaires direct et indirect (détaillés ci-dessous) font que cette température n'est généralement pas atteinte, même en l'absence d'équipements de contrôle thermique. Cette influence du Soleil est d'autant plus forte que l'engin spatial circule à faible distance de cet astre. Si sa trajectoire le fait passer à proximité d'un objet céleste (planète ou satellite naturel) il reçoit un flux thermique indirect, dont l'origine est le Soleil mais qui est réfléchi (albédo) ou réémis par cet objet.

Flux thermique solaire

+Flux solaire et albédo des planètes. Objet céleste Flux solaire() Albédo Mercure 9116 0,06-0,10 Vénus 2611 0,6-0,76 Terre 1500 0,31-0,39 Lune 1500 0,07 Mars 588,6 0,15 Jupiter 50,5 0,41-0,52 Saturne 15,04 0,42-0,76 Uranus 3,72 0,45-0,66 Neptune 1,51 0,35-0,62 Pluton 0,878 0,16-0,40

Le Soleil génère au voisinage de la Terre un flux thermique moyen de . Le flux thermique solaire est inversement proportionnel au carré de la distance du Soleil. Il diminue donc avec la distance au Soleil (en moyenne au niveau de l'orbite de Mars et pour Pluton aux confins du système solaire) et au contraire augmente lorsque le Soleil est plus proche ( pour Vénus et pour Mercure).. La valeur du flux thermique généré Js exprimé en au niveau de l'objet céleste est fourni par l'équation :

avec P la puissance totale rayonnée par le Soleil () et d la distance entre l'objet céleste et le Soleil. Les caractéristiques du rayonnement solaire sont homogènes dans le système solaire. Il est émis à 90 % dans le spectre visible et à 10 % dans l'infrarouge. L'énergie totale est émise pour 99 % dans les longueurs d'onde comprises entre (ultraviolet) et (infrarouge moyen), autour d'un pic situé à (couleur jaune en lumière visible). L'orbite d'une planète autour d'un objet céleste n'étant pas parfaitement circulaire, la valeur du flux thermique solaire varie en fonction de la position de la planète sur son orbite héliocentrique ; le tableau ci-contre en fournit des valeurs moyennes... Pour la Terre, cette valeur est comprise entre au solstice d'hiver de l'hémisphère nord et au solstice d'été ..

Flux solaire réfléchi par l'objet céleste (albédo)

Les objets célestes (comme la Terre ou Vénus) réfléchissent une partie du rayonnement solaire qu'ils reçoivent. Le flux thermique généré est proportionnel au flux solaire reçu et à l'albédo qui mesure le pouvoir réfléchissant de la surface de la planète (rapport entre flux reçu et flux renvoyé dont la valeur peut donc être théoriquement comprise entre 0 et 1). L'albédo varie en fonction des caractéristiques de la surface et de l'atmosphère. Ainsi pour la Terre sa valeur va de 0,8 au-dessus des nuages à 0,05 au-dessus des forêts ou d'un océan. Mais compte tenu de la vitesse de survol d'un engin spatial et de son inertie thermique, les ingénieurs peuvent utiliser une valeur moyenne comprise entre 0,31 et 0,39. La Lune a un albédo moyen de 0,07, Mars de 0,15, Vénus de 0,76, Jupiter de 0,51, Mercure de 0,06 et Saturne 0,5. Ce rayonnement solaire réfléchi engendre un flux thermique pour les satellites passant à faible distance de leur surface. Le flux thermique produit est inversement proportionnel au carré de la distance entre la surface et l'engin spatial mais dépend également de la manière dont le rayonnement solaire est réfléchi vers ce dernier.. Le flux thermique généré Ja exprimé en watts par mètre carré est égal à :

avec Js le flux solaire en , a l'albédo de l'objet céleste et F le facteur de visibilité qui est un coefficient compris entre 0 et 1 selon à la fois de l'altitude de l'engin spatial au-dessus de l'objet céleste et de l'angle de phase entre les droites joignant le centre de la planète avec d'une part l'engin spatial et d'autre part le Soleil. Par exemple, si l'engin spatial circule sur une orbite basse () et que le Soleil se trouve sur la droite joignant le satellite au centre de l'objet céleste, F prendra la valeur maximale (1). À la même altitude avec un Soleil perpendiculaire à cette droite l'albédo est d'environ 0,1. À d'altitude, dans la position du Soleil la plus favorable, l'albédo n'est plus que de 0,1.. Pour un satellite en orbite autour de la Terre à une altitude de le flux thermique reçu par les surfaces orientées vers la Terre est au maximum de et en moyenne de . Son spectre est très proche de celui du flux solaire direct avec quelques bandes d'absorption résultant de la traversée de l'atmosphère et de la nature des surfaces ayant réfléchi le flux solaire.

Rayonnement thermique de l'objet céleste

Les objets célestes comme la Terre sont en équilibre thermique, c'est-à-dire que la chaleur qu'ils renvoient dans l'espace est à peu près identique à celle qu'ils reçoivent (la chaleur générée par les éléments radioactifs présents à l'intérieur de la planète peuvent être négligés). L'énergie qui n'a pas été réfléchie par la planète (voir Albédo) est renvoyée dans l'espace sous la forme d'un rayonnement infrarouge. Contrairement à l'énergie réfléchie, qui n'est produite que par la face éclairée de la planète, ce rayonnement infrarouge est homogène sur toute la surface et donc également émis par la face non éclairée. Ces deux types de flux thermique, qui décroissent comme le carré de l'altitude, deviennent faibles à quelques milliers de kilomètres d'altitude et quasi nuls au niveau de l'orbite géostationnaire.. Le flux solaire émis est équivalent à celui d'une sphère dont la température serait d'environ . Ce flux est émis dans l'infrarouge moyen entre 10 et . Pour calculer le flux thermique reçu par un satellite orbitant à la limite de l'atmosphère terrestre, on utilise la valeur de au niveau de la surface de la Terre. La formule de calcul est :

avec Jp l'énergie reçue (en watts par mètre carré), Rrad égal au rayon de la Terre et Rorbit égal au rayon de l'orbite de l'engin spatial.. Pour un satellite orbitant autour de la Terre à une altitude de , le flux thermique reçu par les surfaces tournées vers la Terre est ainsi de .

Cycles thermiques

Les satellites en orbite autour d'une planète sont soumis à des cycles thermiques plus ou moins accentués dont les caractéristiques dépendent notamment de l'inclinaison orbitale, de l'altitude et de l'orientation. Chaque face externe du satellite est généralement exposée à des cycles thermiques. Par exemple, dans le cas d'un satellite d'observation de la Terre circulant sur une orbite terrestre basse et dont la face portant les instruments est systématiquement tournée vers la Terre (nadir), le flux thermique dû à l’albédo est nul sur la face sombre de la planète et augmente progressivement lors du passage du côté de la face éclairée. Le flux thermique solaire passe également par des pics à des points bien particuliers de son orbite.

Sources internes de chaleur

Lorsque l'engin spatial fonctionne, il produit une certaine quantité de chaleur qui prend sa source dans plusieurs types d'équipement. : l'électronique omniprésente dissipe une partie de l'énergie consommée en chaleur. C'est généralement la principale source de chaleur d'un engin spatial ; les batteries s'échauffent lorsqu'elles sont rechargées ; le système propulsif, lorsqu'il repose sur des processus chimiques, produit de la chaleur durant ses brèves périodes de fonctionnement ; si l'énergie électrique est produite par un générateur thermoélectrique à radioisotope, celui-ci dissipe une grande quantité de chaleur ; si l'engin spatial embarque un équipage, celui-ci produit une grande quantité de chaleur (flux thermique d'origine biologique).

Cas particulier des flux thermiques subis lors de la pénétration dans une atmosphère planétaire

Certaines catégories d'engins spatiaux subissent de manière transitoire un échauffement car ils sont amenés à pénétrer dans l'atmosphère à grande vitesse : engins spatiaux atterrissant à la surface d'une autre planète pourvue d'une atmosphère comme Mars ou Titan (sonde spatiale emportant un atterrisseur ou astromobile, mission de retour d'échantillons), capsule habitée ou non revenant sur Terre (mission de retour d'échantillons, retour de mission d'un équipage), engin spatial effectuant une manœuvre d'aérofreinage pour modifier son orbite ou satellite circulant temporairement sur une orbite terrestre extrêmement basse pour disposer d'une meilleure résolution (satellite de renseignement, certains satellites scientifiques).

Les échanges thermiques dans l'espace

L'environnement spatial est caractérisé par un quasi vide. En l'absence d'atmosphère, deux des trois processus qui permettent les échanges thermiques sur Terre ne fonctionnent pas : la convection où l'échange thermique passe par un fluide en mouvement (l'atmosphère) et la conduction thermique où l'échange thermique se fait au contact de l'atmosphère. Les échanges thermiques entre un engin spatial et son environnement s'opèrent quasi exclusivement à travers le rayonnement thermique. Celui-ci est produit par tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu. La longueur d'onde du rayonnement thermique est fonction de sa température et se situe exclusivement dans l'infrarouge. La puissance rayonnée suit la loi de Stefan-Boltzmann, qui énonce qu'elle est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue (exprimée en kelvins). Au sein de l'engin spatial, le transfert de chaleur se fait par rayonnement thermique mais également par conduction thermique et dans certains cas et pour certains sous-ensembles par convection (sur les sondes spatiales russes l'électronique est contenue dans des enceintes pressurisées contenant une atmosphère.

Système de contrôle thermique d'un engin spatial : définition et besoins