Alors que le vaisseau spatial Parker Solar Probe de la NASA entame sa première rencontre historique avec la couronne solaire fin 2018, en volant plus près de notre étoile que toute autre mission de l'histoire, un système de refroidissement révolutionnaire maintiendra ses panneaux solaires à des performances optimales, même dans des conditions extrêmement hostiles.

Chaque instrument et système à bord de Parker Solar Probe (à l'exception de quatre antennes et d'un détecteur de particules spécial) sera caché du soleil derrière un système de protection thermique révolutionnaire, ou TPS, un bouclier de huit pieds de diamètre que le vaisseau spatial utilise pour se défendre contre la chaleur et l'énergie intenses de notre étoile.

Chaque système sera protégé, C'est, à l'exception des deux panneaux solaires qui alimentent le vaisseau spatial. Lorsque le vaisseau spatial est le plus proche du soleil, les panneaux solaires recevront 25 fois l'énergie solaire qu'ils recevraient en orbite autour de la Terre, et la température sur le TPS atteindra plus de 2, 500 degrés Fahrenheit. Le système de refroidissement maintiendra les baies à une température nominale de 320 °F (160 °C) ou moins.

"Nos panneaux solaires vont fonctionner dans un environnement extrême dans lequel d'autres missions n'ont jamais fonctionné auparavant, " a déclaré Mary Kae Lockwood, l'ingénieur système du vaisseau spatial pour Parker Solar Probe au Johns Hopkins Applied Physics Lab.

De nouvelles innovations pour survivre à l'enfer

Les bords les plus à l'extérieur des panneaux solaires sont pliés vers le haut, et lorsque le vaisseau spatial est le plus proche du soleil, ces petits éclats de réseau seront étendus au-delà de la protection du TPS afin de produire suffisamment de puissance pour les systèmes de l'engin spatial.

La chaleur incroyable de notre étoile endommagerait les réseaux de vaisseaux spatiaux conventionnels. Donc, comme beaucoup d'autres avancées technologiques créées spécialement pour cette mission, un système de panneaux solaires à refroidissement actif unique en son genre a été développé par APL, en partenariat avec United Technologies Aerospace Systems, qui a fabriqué le système de refroidissement, et SolAero Technologies, qui produit les panneaux solaires.

"C'est tout nouveau, " Lockwood a déclaré à propos des innovations liées au système de panneaux solaires à refroidissement actif. " La NASA a financé un programme pour Parker Solar Probe qui comprenait le développement technologique des panneaux solaires et de leur système de refroidissement. Nous avons travaillé en étroite collaboration avec nos partenaires UTAS et SolAero pour développer ces nouvelles capacités, et nous avons mis au point un système très efficace."

Le système de refroidissement Parker Solar Probe comprend plusieurs composants :un réservoir accumulateur chauffé qui retiendra l'eau pendant le lancement ("Si de l'eau était dans le système, ça gèlerait, ", a déclaré Lockwood); pompes à deux vitesses; et quatre radiateurs constitués de tubes en titane et d'ailettes en aluminium sportives de seulement deux centièmes de pouce d'épaisseur. Comme pour toute puissance sur le vaisseau spatial, le système de refroidissement est alimenté par les panneaux solaires, c'est-à-dire les panneaux qu'il doit garder au frais pour assurer son fonctionnement. À la capacité nominale de fonctionnement, le système fournit 6, 000 watts de capacité de refroidissement, assez pour refroidir un salon de taille moyenne.

Un peu surprenant, le liquide de refroidissement utilisé n'est rien de plus que de l'eau sous pression ordinaire - environ cinq litres, déionisé pour éliminer les minéraux qui pourraient contaminer ou endommager le système. L'analyse a montré qu'au cours de la mission, le liquide de refroidissement devrait fonctionner entre 50 °F et 257 °F et peu de liquides peuvent gérer ces plages comme l'eau. « Une partie du financement de la démonstration technologique de la NASA a été utilisée par APL et nos partenaires de l'UTAS pour étudier une variété de liquides de refroidissement, " dit Lockwood. " Mais pour la plage de température dont nous avions besoin, et pour les contraintes de masse, l'eau était la solution." L'eau sera pressurisée, qui élèvera son point d'ébullition au-dessus de 257°F.

Les panneaux solaires présentent leurs propres innovations techniques. « Nous avons beaucoup appris sur les performances des panneaux solaires grâce au vaisseau spatial MESSENGER [construit par APL], qui fut le premier à étudier Mercure, " dit Lockwood. " En particulier, nous avons appris à concevoir un panneau qui atténuerait la dégradation due à la lumière ultraviolette. »

Le verre de protection au-dessus des cellules photovoltaïques est standard, mais la façon dont la chaleur est transférée des cellules dans le substrat du panneau, le plateau, est unique. Un support en céramique spécial a été créé et soudé au fond de chaque cellule, puis fixé au plateau avec un adhésif thermoconducteur spécialement choisi pour permettre la meilleure conduction thermique dans le système tout en fournissant l'isolation électrique nécessaire.

De la glace au feu :lancer des défis

Alors que la chaleur extraordinaire du soleil sera le défi le plus intense du vaisseau spatial, les minutes qui suivent immédiatement le lancement sont en fait l'une des premières séquences de performances les plus critiques du vaisseau spatial.

Lorsque Parker Solar Probe se lance à bord d'une fusée ULA Delta IV Heavy depuis la base aérienne de Cape Canaveral en Floride à l'été 2018, le système de refroidissement subira de larges variations de température. "Il y a beaucoup à faire pour s'assurer que l'eau ne gèle pas, " dit Lockwood.

D'abord, les températures des panneaux solaires et des radiateurs du système de refroidissement chuteront de celle du carénage (environ 60 °F) à des températures allant de –85 °F à –220°F avant qu'elles ne puissent être réchauffées par le soleil. Le réservoir de liquide de refroidissement préchauffé empêchera l'eau de geler; les radiateurs spécialement conçus, conçus pour rejeter la chaleur et les températures intenses au soleil, survivront également à ce froid glacial, grâce à un nouveau procédé de collage et à des innovations de conception.

Moins de 60 minutes plus tard, le vaisseau spatial se séparera du lanceur et commencera la séquence post-séparation. Il se tournera pour pointer vers le soleil; les panneaux solaires se libéreront de leurs verrous de lancement ; les tableaux tourneront pour pointer vers le soleil ; une vanne de verrouillage s'ouvrira pour libérer l'eau chaude dans deux des quatre radiateurs et les panneaux solaires ; la pompe s'allumera; le vaisseau spatial retournera à une orientation de pointage nominale, réchauffer les deux radiateurs les plus froids et non activés ; et l'alimentation des panneaux solaires refroidis commencera à recharger la batterie.

Dans une autre première, cette série de tâches complexes et critiques sera accomplie de manière autonome par l'engin spatial, sans aucune contribution du contrôle de mission.

L'eau des deux radiateurs non activés restera dans le réservoir de stockage pendant les 40 premiers jours de vol; après ça, les deux derniers radiateurs seront activés.

"L'un des plus grands défis des tests est la transition de très froid à très chaud en une courte période de temps, " dit Lockwood. " Mais ces tests, et d'autres tests pour montrer comment le système fonctionne lorsqu'il est sous un TPS entièrement chauffé, assez bien corrélée à nos modèles."

Grâce aux tests et à la modélisation, l'équipe a étudié les données et augmenté la couverture thermique sur les deux premiers radiateurs à activer, afin d'équilibrer maximiser leur capacité à la fin de la mission, et réduire davantage le risque de gel de l'eau au début de la mission.

Rester au frais, de manière autonome

Lorsque Parker Solar Probe passe devant le soleil à quelque 450, 000 milles à l'heure, il sera à 90 millions de milles des contrôleurs de mission sur Terre, trop loin pour que l'équipe puisse « conduire » le vaisseau spatial. Cela signifie que les ajustements de la façon dont le vaisseau spatial se protège avec le TPS doivent être gérés par les systèmes de guidage et de contrôle embarqués de Parker Solar Probe. Ces systèmes utilisent un nouveau logiciel autonome efficace pour permettre au vaisseau spatial de modifier instantanément son pointage afin de maximiser la protection contre le soleil. Cette capacité autonome est essentielle au fonctionnement des panneaux solaires de l'engin spatial, qui doit être constamment ajusté pour un angle optimal pendant que Parker Solar Probe fonce à travers le dur du soleil, couronne surchauffée.

« Lors des rencontres solaires, De très petits changements dans l'angle des ailes du panneau solaire peuvent modifier considérablement la capacité de refroidissement nécessaire. » Lockwood a déclaré qu'un changement d'un degré dans l'angle du panneau d'une aile nécessiterait 35% de capacité de refroidissement en plus.

Le défi constant est de s'assurer que le vaisseau spatial et les réseaux restent froids.

"Il n'y a aucun moyen de faire ces ajustements depuis le sol, ce qui signifie qu'il doit se guider, " Lockwood a déclaré. " APL a développé une variété de systèmes, y compris le contrôle de l'angle des ailes, guidage et contrôle, système d'alimentation électrique, avionique, la gestion des pannes, l'autonomie et le logiciel de vol, qui sont des pièces essentielles fonctionnant avec le système de refroidissement des panneaux solaires."

Lockwood a ajouté :"Ce vaisseau spatial est probablement l'un des systèmes les plus autonomes jamais pilotés."

Cette autonomie, ainsi que le nouveau système de refroidissement et les mises à niveau pionnières des panneaux solaires, sera crucial pour s'assurer que Parker Solar Probe puisse effectuer des recherches scientifiques inédites sur le soleil qui répondront aux questions que les scientifiques se sont posées sur notre étoile et sa couronne.