Pompe à chaleur pour application spatiale

 

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L'OBJECTIF :

Automatiser le banc de développement d’une pompe à chaleur multi-évaporateur et multi-condenseur en vue d’une implantation dans les satellites de télécommunications.

LA SOLUTION :

Utiliser NI LabVIEW avec le Module LabVIEW FPGA pour acquérir les données en provenance d’un système CompactRIO, ainsi que de multiples instruments, et fournir une IHM ergonomique et performante pour piloter les essais, visualiser et sauvegarder l’ensemble des données nécessaires à la mise au point de la pompe.

Thales Alenia Space est un concepteur de satellites de télécommunications, né le 10 avril 2007 par l’apport au groupe Thales des activités spatiales d’Alcatel-Lucent détenues dans Alcatel Alenia Space. Thales Alenia Space est devenu en 2006 le leader mondial en termes de commandes et le premier constructeur en Europe dans le domaine des satellites, ainsi qu’un acteur majeur dans le domaine de l’infrastructure orbitale.

Dissiper toujours plus de puissance dans l’espace

Les nouvelles générations de satellites de télécommunications embarquent des composants électroniques de plus en plus nombreux et puissants. Ceci est rendu possible par l’utilisation de panneaux photovoltaïques déployables et l’amélioration du rendement, ce qui conduit à des puissances électriques disponibles pouvant dépasser les 15 kW. La quasi-totalité de cette puissance est dissipée sous forme de chaleur au sein du satellite. En orbite, la condition d’atmosphère raréfiée ne laisse que le rayonnement thermique vers le fond cosmologique comme mode d’évacuation de la chaleur.

Les différentes sources de chaleur sont collectées par des caloducs (système de transfert de chaleur passif) pour être acheminées vers des panneaux rayonnants (face non exposée au soleil ou à la terre). Ce système conduit globalement à une température de rayonnement inférieure de 10 à 15 °C à la plus basse des températures des systèmes dissipatifs, ce qui limite fortement les capacités de réjection de chaleur. Le transfert par rayonnement est proportionnel à la surface d’échange, mais aussi à la température de rayonnement à la puissance 4 (exprimée en degré Kelvin). Ainsi, passer d’une température du panneau rayonnant de 30 °C (303 K) à 80°C (353 K) permet d’augmenter les capacités de réjection de chaleur d’un facteur 9 !

Une pompe à chaleur haute température pour améliorer la dissipation

Dans ce but, Thales Alenia Space développe un prototype à l’échelle 1 d’une pompe à chaleur haute température utilisant un fluide de type HFC comme fluide caloporteur. Le système se compose de trois panneaux évaporateurs montés en parallèle sur lesquels sont répartis des éléments chauffants simulant les composants dissipatifs, de trois détendeurs pilotables, de quatre condenseurs en parallèle contrôlés en température par des boucles à eau et d’un compresseur sec expérimental.

Une instrumentation CompactRIO modulaire

Ce banc doit assurer le pilotage en temps réel d’alimentations stabilisées et de détendeurs, la mesure de températures provenant de 180 capteurs et la mesure synchrone jusqu’à 1 KHz de pression et de débits massiques. L’utilisation du contrôleur NI cRIO-9074 a permis de profiter du large éventail de modules d’E/S disponibles dans la famille de matériels CompactRIO. En effet, la flexibilité et la souplesse de programmation permettent d’utiliser le CompactRIO sur différentes applications, en adaptant simplement les modules. Dans le cadre de cette application, il assure l’acquisition des pressions, des débits, de quelques voies de température, ainsi que le pilotage des détendeurs.

Côté logiciel, LabVIEW permet de centraliser un grand nombre de mesures en provenance de systèmes hétérogènes. Il est, en effet, utilisé pour piloter le système CompactRIO, mais aussi pour gérer les données issues d’instruments connectés par des interfaces telles que le GPIB et Ethernet.

Programmation orientée objet pour un maximum d’évolutivité

L’usage du banc dans un environnement de recherche au sein de l’institut Pprime (CNRS – ENSMA –Université de Poitiers) nécessitait la mise en place d’une architecture logicielle flexible et réutilisable.

Il fallait pouvoir facilement ajouter, modifier ou supprimer des voies, des instruments, des graphes d’affichage… L’ensemble du projet a été développé en classes d'objets afin d’obtenir un code très modulaire et d’exploiter les possibilités offertes par l’héritage.

Les classes développées peuvent ainsi être réutilisées pour d’autres projets, particulièrement les classes de drivers.

L’utilisation des XControls pour une interface conviviale

Il est souvent complexe de proposer une interface de visualisation d’un grand nombre de voies sur plusieurs graphes. L’utilisation d’un XControl (CommandeX) développé par Saphir et disponible sur le réseau d’outils LabVIEW (LabVIEW Tools Network) a permis d’afficher 10 onglets, chacun contenant un graphe de 20 voies maximum, configurables. Chacun de ces onglets peut se détacher à la manière d’un navigateur web pour afficher les graphes sur un écran secondaire.

Malgré le nombre important de voies, la visualisation et la comparaison des mesures sont particulièrement aisées.

Retour d’exploitation

Soutenu par la Fondation Nationale de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace, le prototype de la pompe à chaleur a été implanté dans les locaux de l’ENSMA et mis en œuvre par l’équipe de recherche sur les transferts de chaleur par systèmes diphasiques.

L’équipe Systèmes diphasiques est un partenaire de longue date de Thales Alenia Space concernant le développement expérimental et théorique de caloducs et de boucles diphasiques à pompage capillaire. Les moyens mis à disposition par l’ENSMA ont permis la mise en œuvre de ce prototype à l’échelle 1.

La flexibilité dans la configuration des capteurs et dans le choix des fréquences d’acquisition permet l’exploration des performances du prototype, tant d’un point de vue système sur des temps longs que localement pour remonter aux comportements transitoires de chaque composant.

Novembre 2013