Academic literature on the topic 'Véhicules spatiaux – Matériaux – Décontamination'

La contamination moléculaire en orbite est l’une des problématiques majeures de l’industrie spatiale. En effet, lorsque les satellites sont en orbite, les molécules organiques contenues dans les peintures, adhésifs ou encore les colles utilisés dans la conception des satellites peuvent dégazer et ainsi former des films ou des gouttelettes en se déposant sur les surfaces sensibles comme les instruments optiques et électroniques ou encore les surfaces de contrôle thermique ce qui a pour conséquence d’endommager ces équipements. Les hydrocarbures ainsi que les plastifiants émis ont été identifiés comme étant les contaminants majeurs. Parmi les matériaux poreux testés pour l’adsorption de ces polluants organiques, les zéolithes se sont avérées être les plus efficaces de par leur capacité à piéger ces molécules présentes à de très faibles concentrations dans les conditions spatiales. La synthèse des zéolithes conduisant généralement à des poudres qui seraient elles-mêmes source de contamination particulaire, une mise en forme de ces zéolithes est donc nécessaire. Des pastilles, billes et films zéolithiques ont été élaborées lors de précédents projets mais ces mises en forme comportent leur lot de désavantages comme l’ajout d’équipements additionnels pour insérer les pastilles à la structure des satellites, les mauvaises propriétés mécaniques des billes ou encore la faible quantité de zéolithe mise en jeu dans le cas des films ainsi que de la difficulté d’application de ces derniers sur de grandes surfaces. C’est pourquoi, le développement de peintures zéolithiques a été envisagé étant donné que ces dernières présentent notamment l’avantage de pouvoir être directement appliquées sur la surface interne des satellites. L’objectif de cette thèse est donc d’élaborer des peintures zéolithiques qui adhèrent sur les éléments de surface des satellites, qui soient stables mécaniquement (chocs et vibrations subis par les satellites, gradients de température) et qui puissent piéger les polluants organiques. Des zéolithes de type structural FAU (hydrophile) et MFI (hydrophobe) ont été utilisées en combinaison avec des résines silicones comme liants dans le but d’élaborer des peintures zéolithiques pouvant répondre aux contraintes spatiales. Ces peintures zéolithiques ont montré de bonnes propriétés d’adhésion (notes de 0 au test d’adhésion selon la norme ISO 2409) ainsi qu’une bonne stabilité mécanique et thermique dans des conditions pouvant être rencontrées en orbite. Les liants utilisés n’obstruent que très peu voire pas du tout l’accessibilité à la porosité des peintures zéolithiques et de bonnes capacités d’adsorption du n-hexane ont été obtenues. Différentes quantités de pigment noir (charbon animal ou noir de carbone) ont également été ajoutées à certaines peintures zéolithiques pour développer des peintures zéolithiques carbonées dans le but d’absorber la lumière afin de répondre à un autre phénomène responsable de la contamination d’équipements optiques : la lumière parasite
The phenomenon of on-orbit molecular contamination is one of the major issues encountered by the space industry. Indeed, when satellites are placed in orbit, organic molecules contained in coatings, adhesives or glues used in the conception of satellites can degas and thus form films or droplets by depositing themselves on sensitive surfaces such as optical and electronic instruments or thermal control surfaces. This contamination leads to a drastic decrease of on-board equipment performance. Hydrocarbons as well as plasticizers have been identified as major contaminants. Among several porous materials tested for the adsorption of these organic pollutants, zeolites were found to be the most efficient due to their ability to trap organic molecules at a very low concentration in space conditions. The synthesis of zeolites generally leads to powders that would themselves be a source of particulate contamination, therefore a shaping of these zeolites appears to be necessary. Pellets, beads and zeolite films were developed in previous projects, but these processes have some disadvantages such as the addition of additional equipment to insert pellets into the structure of satellites, poor mechanical properties of beads or the small quantity of zeolite involved in the case of films and the difficulty of applying them to large surfaces. That is why, zeolite coatings were selected because they can be applied directly to the internal surface of satellites. The main goal of this project is to develop zeolite coatings that adhere to the surface elements of satellites, that are mechanically stable (shocks and vibrations undergone by satellites, temperature gradients) and that can trap organic pollutants. FAU-type (hydrophilic) and MFI-type (hydrophobic)zeolites were used in combination with silicone resins as binders in order to develop zeolite coatings that can that can fulfill spatial requirements. These zeolite coatings showed good adhesion properties (adhesion note of 0 according the ISO 2409 standard) as well as good mechanical and thermal stability under conditions encountered in orbit. Zeolite coatings porosity remain mostly accessible despite the use of a binder and good n-hexane adsorption capacities were obtained. Different quantities of black pigment (bone char or carbon black) were also added to some zeolite coatings to develop black zeolite coatings with the aim of absorbing light in order to respond to another phenomenon responsible of optial equipment contamination: stray light

L'objectif de l'étude a été la détermination du comportement de trois composites céramiques (C/C, C/SIC, SIC/SIC) dans des conditions thermochimiques simulant une rentrée atmosphérique d'un engin spatial. Le travail a été orienté suivant deux axes : la mise au point de techniques expérimentales spécifiques : 1) moyen d'oxydation à haute température sous atmosphère dissociée basse pression : le BLOX ; 2) méthode de dosage de l'oxygène atomique dans les plasmas d'air ; 3) essai de traction sur éprouvettes après oxydation. L'interprétation et la modélisation du comportement en température de ces composites. L'étude des cinétiques d'oxydation et les analyses physico-chimiques ont révélé les phénomènes prédominants : 1) oxydation du SIC de surface ; 2) vaporisation des verres d'oxydes ; 3) oxydation du carbone interne par diffusion gazeuse des calculs théoriques de diffusion gazeuse à travers une géométrie modélisée et des résultats d'essais sur SIC et sur verres d'oxydes ont permis de construire un modèle prévisionnel de l'oxydation des C/C protégés et d'interpréter l'oxydation des C/SIC

L’échauffement d’un véhicule spatial, lors de la rentrée atmosphérique, entraîne une modification irréversible des propriétés physico-chimiques (oxydation) du système de protection. L’objectif de ce travail est l’étude du vieillissement des matériaux constitutifs du bouclier thermique (SiC) et leur catalycité. Le transfert de chaleur dépend du transfert de matière et de chaleur respectivement défini par le coefficient de recombinaison γ et le coefficient d’accommodation β. En effet, la recombinaison de l’oxygène atomique conduit à une augmentation de température de 400K et à une modification de sa chimie de surface en fonction de sa catalycité. De plus, la diffusion de l’oxygène à cœur du matériau et la présence de polluants métalliques accroissent le processus de dégradation du matériau. Nos travaux portent sur l’étude de la régénération des propriétés SiC ainsi que sur la compréhension des réactions responsables de sa dégradation.

Dans le cadre du développement de futurs véhicules spatiaux réutilisables, cette étude est consacrée à la détermination expérimentale du coefficient de recombinaison de l’oxygène atomique sur des céramiques réfractaires telles que ZrO2, ZrB2/SiC et ZrB2/HfB2/SiC en relation avec la température (1000 - 2500 K) et la microstructure du matériau en utilisant le Moyen d’Essai Solaire d’Oxydation (MESOX) installé au foyer du four solaire de 6 kW d’Odeillo. Des calculs de trajectoires ont été simulées par dynamique moléculaire afin de mettre en évidence les processus réactionnels mis en jeu à haute température et étudier la redistribution énergétique après collision d’une molécule d’oxygène O2 vibrationnellement excitée sur une surface de b-quartz à 1000 K
In the development of future reusable spacecrafts, this study is devoted to experimental determination of the atomic oxygen coefficient of recombination on refractory ceramics such as ZrO2, ZrB2/SiC and ZrB2/HfB2/SiC in connection with temperature (1000 - 2500 K) and the microstructure of the material using the MESOX set-up installed at the focus of the 6 kW solar furnace in Odeillo. Trajectories calculations were made by molecular dynamics simulation to evaluate the reaction at high temperatures and study the energy redistribution after collision of oxygen molecule O2 vibrationally excited on a b-quartz surface at 1000 K

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent la mise au point et l’étude de résines polysiloxanes et de matériaux sol-gel hybrides permettant de développer de nouveaux revêtements de protection pour des applications spatiales. Il s’agit notamment d’assurer le contrôle thermique des véhicules spatiaux et la protection des polymères vis-à-vis de l’oxygène atomique pour les applications en orbite basse. Outre la stabilité en environnement spatial et les contraintes de mise en œuvre, les revêtements doivent présenter des caractéristiques innovantes (température de polymérisation modérée) et être élaborés à partir de matières premières facilement approvisionnables pour éviter tout risque d’obsolescence
This work presents the formulation and the study of polysiloxane resins and hybrid sol-gel materials to develop new protective coatings resistant to space environment. Spacecraft thermal control and polymer protection towards atomic oxygen are required in Low Earth Orbit applications. Besides the stability in the space environment and the process requirements, the coatings have to exhibit innovative properties (such as a low curing temperature) and be composed of raw materials with easy supply in order to avoid any risk of obsolescence

En environnement spatial d'orbite basse, les matériaux de revêtement externes des engins spatiaux subissent d'importantes dégradations, notamment dues à l'action de l'oxygène atomique. Le jet pulsé d'oxygène atomique rapide, utilisé dans le simulateur, a été caractérisé par spectrométrie de masse quadripolaire. Cet appareil de mesure, dans un mode de fonctionnement adapté au caractère spécifique de l'expérience, permet l'analyse qualitative des espèces ioniques positives et neutres présentes dans le jet. La méthode d'analyse, par mesure de temps de vol, permet de déterminer les distributions temporelles et de vitesse, ainsi que les fluences des différentes espèces présentes dans le jet. Des mesures par sonde de Langmuir valident les fluences obtenues pour les ions positifs, et permettent de mettre en évidence la présence d'ions négatifs et d'électrons, ainsi que de calculer leur fluence. L'analyse des photons ultraviolets et ultraviolets lointains, à l'aide de phototubes, complète la caractérisation du jet. Dans une autre configuration, la spectrométrie de masse quadripolaire est utilisée pour caractériser qualitativement les produits de réaction résultant de l'interaction du jet d'oxygène atomique avec des matériaux. L'introduction des produits de réaction dans le spectromètre de masse nécessite la réalisation d'une optique ionique de transfert. Cette technique d'analyse mise en place permet de découpler l'action des espèces ioniques agissant en synergie avec les photons ultraviolets lointains, de celle de l'oxygène atomique. Dans une configuration expérimentale permettant d'observer uniquement l'action des espèces neutres du jet sur les matériaux, une technique d'ionisation laser par absorption multiphonique non résonnante a été mise en place. Les spectres de masse des produits de réaction obtenus avec sept différents polymères (fluorés, chlorés et soufrés) valident cet outil d'analyse. Des mesures de perte de masse, effectuées sur ces matériaux polymères, permettent de confirmer l'influence des espèces ioniques dans la dégradation des matériaux, et montrent que les spectres de masse des produits de réaction possèdent un caractère quantitatif.

L'hydrure d'aluminium AlH3 ou alane est à la fois un matériau très important et une espèce chimique fascinante qui reçoit actuellement un regain d'intérêt lié à son utilisation potentielle pour différentes applications : (i) comme additif énergétique pour les ergols solides, (ii) comme agent réducteur dans les piles alcalines et (iii) comme source possible d'hydrogène pour des piles à combustibles basses températures. L'alane a une capacité de stockage volumique d'hydrogène de 0,148 g mL-1 soit deux fois plus que l'hydrogène liquide (0,07 g mL-1). Sa capacité de stockage d'hydrogène est supérieure à 10 % en masse. Malheureusement, le coût de production d'alane est élevé ce qui limite son utilisation notamment dans le domaine de la propulsion. L'objectif de cette thèse était d'optimiser la synthèse de l'alane α pur, variété cristalline considérée comme la plus stable et ainsi d'en réduire les coûts de production. Différentes méthodes de synthèse sous atmosphère contrôlée ont été mises en oeuvre. Il a été montré que le traitement thermique sous vide d'un complexe éthéré de AlH3 permettait de s'affranchir de l'utilisation de toluène et ainsi de réduire la quantité de solvants et de réactifs de 25 % tout en obtenant une phase α pure mise en évidence par DRX. Des essais de stabilisation contrôlés par ATD-ATG ont montré que la température de décomposition à pression atmosphérique de l'alane α était de 174 °C contre 160 °C pour la phase α non stabilisée. Une autre voie de synthèse, sans solvant et à l'aide d'une presse fabriquée au laboratoire a été explorée. Un plan d'expériences a été réalisé afin d'identifier les paramètres influant le plus sur le rendement en alane α et la pureté de la phase obtenue. L'alane synthétisé par ces différentes méthodes a été caractérisé par DRX, MEB, MET, ATD-ATG et ICP-OES. Un transfert technologique de la synthèse en solution a été opéré vers les partenaires industriels de ce travail
Aluminium hydride or alane (AlH3) is a very important and fascinating material that draws increasing attention due to its potential uses: (i) as an energetic component in rocket propellants, (ii) as a reducing agent in alkali batteries and (iii) as a possible hydrogen source for low temperature fuel cells. It exhibits a density of 1,48 g cm-3, a volumetric hydrogen capacity of 0,148 g mL-1, that is more than twice as much as that of liquid hydrogen (0,07 g mL-1). Its hydrogen mass capacity slightly exceeds 10 wt.-%. Unfortunately, production of alane suffers from a high cost that hinders its opportunity to be an excellent candidate for propulsion. Moreover, only the α phase of alane is known to be stable enough to be stored and used. This work aims at developing cheaper methods for alane production while keeping a maximum selectivity towards the formation of α phase. Preparation using a classical organometallic synthesis in ether was implemented. An etherate complex was formed, the ether was removed under vacuum and finally an adequate thermal treatment led to pure α phase of alane as identified by powder X-ray diffraction. A toluene free synthesis method was implemented and resulted in a cost reduction of 25 %. The stability of the material was characterized through thermal analysis (DTA-TGA). The morphology and purity of the alane were characterized using TEM, SEM and ICP-OES. Alane was synthesized using doping compounds and resulted in a significant increase in the decomposition temperature from ca. 160 °C to ca. 174 °C. Syntheses without solvent were studied using a homemade reactor and following a design of experiment to identify the key parameter towards the highest yield in α-AlH3. The synthesis method in ether was transferred to our industrial partners