Le vide pour la simulation et la recherche spatiales

Les tests sur les moteurs ioniques tels que les propulseurs ioniques à radiofréquence, les propulseurs à effet Hall, et d’autres systèmes de propulsion à base de plasma nécessitent des environnements de vide où la pression ambiante et la pression partielle du propergol sont maintenues à un niveau suffisamment bas pour éviter toute altération, induite par l'installation, de l'expansion des gaz d'échappement et des caractéristiques du faisceau.

En fonction du type de propulseur et du débit de propergol, les pressions de fonctionnement varient généralement de 10^-7 hPa (mbar) à plusieurs 10^-5 hPa (mbar).

La propulsion électrique utilise généralement des gaz propulseurs nobles tels que le xénon ou le krypton, dont le poids moléculaire et les débits imposent des contraintes importantes au système de vide.

Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions propose des concepts de pompe évolutifs – des groupes de pompes à vide turbomoléculaires compacts pour les installations de laboratoire aux systèmes à haut rendement pour les tests de propulseurs à grande échelle. Ils ont été conçus pour maintenir une pression stable sous charge continue de gaz noble. La mesure de la pression intégrée et l’analyse de gaz résiduels (RGA) permettent une surveillance continue de la composition du gaz et la vérification de l’enveloppe de test de l’installation pendant le fonctionnement.

Les tests de propulsion chimique, y compris ceux pour les moteurs de fusée, génèrent des charges de gaz très élevées et des transitions de charge brusques, en particulier pendant l’allumage. Pour maintenir une contre-pression stable dans ces conditions, le système de vide doit fournir une vitesse de pompage élevée et répondre rapidement aux variations de débit volumétrique.

Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions y parvient grâce à ses groupes de boosters de vide qui combinent des boosters de vide avec des pompes à vide sèches à vis. Cette conception répartit la charge de gaz sur plusieurs étages, évite les surcharges thermiques et fournit le débit requis dans le domaine du vide primaire et du vide moyen.

Le fonctionnement à variation de fréquence permet d’adapter la vitesse de pompage à la charge de gaz transitoire. Les performances du système peuvent être vérifiées à l'aide d'essais de charge par paliers à grand orifice qui reproduisent le profil de charge prévu avant la mise en service.

Dans les environnements explosifs où il faut tenir compte de la présence de propergols inflammables ou de sources d'inflammation, des configurations conformes à la norme ATEX sont disponibles.

Dans une chambre sous vide thermique (TVAC), des conditions de vide et des environnements de température définis sont créés afin de simuler l’espace.

La transmission de chaleur s’effectue sans convection, la température est donc régulée par des systèmes de chauffage ou de refroidissement externes, tels que des enveloppes thermiques. Cela permet de tester la stabilité et les performances des composants dans des conditions de pression et de température propres à l'espace.

Les propulseurs ioniques ionisent un gaz propulseur tel que le xénon et accélèrent les ions à l’aide de champs électriques ou magnétiques. Le faisceau d’ions qui en résulte produit une poussée faible mais continue, ce qui permet une propulsion longue durée efficace pour le positionnement des satellites et les missions en espace profond.

La propulsion spatiale repose sur la troisième loi de Newton :l'expulsion d'une masse dans une direction génère un mouvement dans la direction opposée.

Les moteurs chimiques expulsent des gaz d’échappement chauds, tandis que la propulsion électrique accélère les particules chargées. Même sans air, la masse expulsée fournit la force de réaction qui génère le mouvement de l’engin spatial.

Les exigences de pression dépendent de l’application. De nombreux tests de vide thermique et de matériaux fonctionnent dans le domaine du vide moyen, tandis que les tests de propulsion électrique nécessitent souvent un ultravide (UHV) pour éviter la distorsion du faisceau d’ions et les interactions indésirables entre les particules propulsives et l’installation.

Les matériaux utilisés pour les tests sous vide spatial doivent présenter un faible dégazage, un comportement mécanique stable lors des cycles thermiques, ainsi que des surfaces propres et compatibles avec le vide.

L’acier inoxydable est le matériau standard pour les chambres sous vide et les composants internes, car il présente intrinsèquement un faible dégazage. Les surfaces en acier inoxydable des chambres et des composants sont généralement sablées aux billes de verre, poncées, fraisées ou électropolies. Un nettoyage adéquat et un montage étanche sont essentiels, et on recourt souvent à un étuvage thermique pour réduire davantage les charges gazeuses liées aux surfaces.

 Les joints en élastomère constituent la principale source d’approvisionnement en gaz résiduels. De plus, les matériaux à l’intérieur du dispositif testé, tels que les polymères , les peintures, les adhésifs, et les composants électriques, dominent souvent le comportement général de dégazage. Ces matériaux sont donc évalués à l’aide de paramètres de sélection normalisés tels que la perte de masse totale (TML) et les matières volatiles condensables collectées (CVCM) comme défini dans les normes d’essai des matériaux de la NASA et de l’ECSS.

L’étuvage sous vide élimine l’eau adsorbée et les composés volatils par chauffage des composants sous vide. Ce procédé réduit le risque de contamination des composants optiques, des détecteurs ou du matériel informatique de propulsion et permet d’obtenir une pression stable lors des tests suivants.

L’étuvage est une étape typique des procédés de sélection et de qualification des matériaux.

Les contaminants peuvent migrer et se condenser sur des surfaces froides sous vide, affectant les revêtements optiques, les performances du détecteur ou les surfaces de contrôle thermique.

Des surfaces propres, des matériaux à faible dégazage et des conditions de vide contrôlées garantissent que les résultats des tests reflètent précisément le comportement dans l’espace.

Les tests de propulseur ionique nécessitent généralement des niveaux de vide à partir de la plage 10^-7 hPa (mbar) jusqu’à plusieurs 10^-5 hPa(mbar), en fonction du débit de propergol et du type de propulseur.

Les systèmes de vide doivent fournir une vitesse de pompage élevée pour éliminer les gaz résiduels de xénon ou de krypton et maintenir une pression ambiante stable. L’analyse de gaz résiduels peut être utilisée pour la surveillance de la composition du gaz pendant le fonctionnement du propulseur.

Chaque condition de test est unique. Pfeiffer conçoit et construit des chambres sous vide thermiques personnalisées et des groupes de pompes à vide intégrés adaptés à des profils de mission spécifiques.

Que l'objectif soit l’analyse du panache du propulseur ionique , les études sur le dégazage des matériaux, ou le revêtement des miroirs de télescopes, nos ingénieurs assurent un accompagnement complet, de la conception et des calculs du système jusqu'à l’installation, l’étalonnage et le service.

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Pfeiffer combine plus de 130 ans d’expérience dans l’ingénierie du vide à un savoir-faire approfondi en matière d’applications dans les environnements aérospatiaux et de recherche. Des bancs d’essai universitaires compacts aux installations de propulsion à grande échelle, nous fournissons des systèmes complets - chambres sous vide, pompes, jauges, et outils d’analyse – qui garantissent des conditions de test stables, sans contamination et reproductibles.

Notre réseau de services mondial et notre étroite collaboration avec des instituts de recherche font de Pfeiffer un partenaire de confiance pour reproduire les conditions spatiales sur terre.

Les fusées électriques sont des systèmes de propulsion qui utilisent l’énergie électrique pour ioniser et accélérer les gaz propulseurs tels que le xénon. Elles produisent une poussée faible mais continue et fonctionnent dans des conditions de vide poussé ou d’ultravide.

Les fusées chimiques génèrent une poussée en brûlant des propulseurs, produisant des gaz d’échappement chauds et un débit massique élevé. Elles nécessitent des systèmes de vide capables de gérer d’importantes charges de gaz et des transitoires rapides lors de l’allumage.

Pfeiffer combine plus de 130 ans d’expérience dans l’ingénierie du vide à un savoir-faire approfondi en matière d’applications dans les environnements aérospatiaux et de recherche. Des bancs d’essai universitaires compacts aux installations de propulsion à grande échelle, nous fournissons des systèmes complets - chambres sous vide, pompes, jauges, et outils d’analyse – qui garantissent des conditions de test stables, sans contamination et reproductibles.

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