Les matériaux en environnement spatial Effet du...

Les matériaux en environnement spatial

Effet du vide et des radiations

E. Laurent

Facteurs de l’environnement spatial et effets sur les

matériaux

Sélection et qualification des matériaux

Thématiques d’investigation dans le domaine radiations /

matériaux

Plan

Facteurs de l’environnement spatial

Les matériaux en environnement spatial_23/11/17

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Vide Cyclages thermiques

Rayonnements solaires (UV, X,

gamma)

Particules chargées (électrons, protons)

Micrométéorites et débris

Oxygène Atomique LDEF 1984-1990

Satellite pour exposer au

vide spatial plusieurs

expériences

Nécessité

d’évaluer et de

valider le

comportement des

matériaux

Etudier les effets

de synergie

Facteurs de l’environnement spatial


Les matériaux les plus sensibles à l’environnement spatial

- les matériaux optiques (substrat verres)

- les matériaux polymères

Les matériaux métalliques sont peu sensibles sauf fonction particulière

(magnétisme…)

Assurent différentes fonctions (structure, thermique, optique, électrique)

Leurs propriétés peuvent être

- De surface

- En volume

4


5

Type de matériaux Fonction

Acryliques Scotch, adhésif sous forme de film pour fixation des MLI, mise à la

masse

Composites à matrice epoxyde /

cyanate

Structures primaires (peaux), appendices, instrument optique, baffles

de protection

Epoxydes Adhésifs pour collage de petites pièces, mise à la masse, collage

panneau structure, insert, matrice composite

Fluoropolymères : PTFE, FEP Éléments de maintien mécanique, radome de protection, gaines et

câbles

Revêtements de contrôle thermique

Polyamides Éléments de maintien mécanique : pions, cales

Polyaryléthercétones : PEEK MLI, pièces de support ou de maintien mécanique

Polyesters : Mylar, Dacron Feuilles d’isolation thermique

Les matériaux polymères utilisés

Les matériaux polymères utilisés


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Type de matériaux Fonction

Polyimides : Kapton, Vespel Éléments de maintien mécanique (pions), cales

Films (entre 7,5 et 125µm)

Polyuréthanes Peintures, vernis, potting

Silicones Revêtements de contrôle thermique : peintures noires et

blanches

Adhésifs

Verres Substrats optiques

Vide : effet sur les matériaux

Les matériaux en environnement spatial - 23/11/17

7

Vid

e

Dépressurisation rapide

Dommages mécaniques

Dégazage

Modification du matériau

Nuage de gaz

Corona Arcs, problèmes

électriques

Perturbation des mesures

Condensation sur les surfaces

Modification sous environnement

spatial (UV, particules)

Modification des propriétés thermo-

optiques

Problèmes thermiques

Absence de convection et de

conduction gazeuse

Vide : conséquences du dégazage


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Issu de la présentation de D. Faye

phénomène de transport/condensation/ré-émission des contaminants

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10 15 20 25 30

temps (h)

pert

e d

e m

asse (

%)

250

270

290

310

330

350

370

390

410

430

tem

péra

ture

(K

)

PU1

HYSOL

MAPSIL

Z306

trajet réfléchi

mécanismes de transfert de masse

surface émettrice

trajet direct

migration

nuage

de contaminants diffusion

flux

atmosphérique diffusion

irradiations

ionisation

comparaison de cinétiques de dégazage

de plusieurs matériaux

selon un profil thermique de type « rampe »

Vide : conséquences du dégazage


9

Dégradation des surfaces de contrôle thermique

- modification des caractéristiques thermo-

optiques

as absorptivité solaire ; e émissivité

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

0 1 2 3 4 5 6 7

temps (années)

ab

so

rpti

vit

é s

ola

ire

( a

s )

lan

cem

ent

vieillissement des OSR en orbite géostationnaire (Satellite OTS 2 - panneau Sud)

as efficacité réchauffement

Perte de performances d’éléments optiques

(lentilles, miroirs, détecteurs) : modifications des

caractéristiques optiques :

- transmission des lentilles / réflexion des

miroirs

- augmentation de la diffusion

Vide : effet sur les matériaux


LDEF (NASA) Face ‘espace’ avant et après vol malgré des critères de sélection des matériaux

10

Dégazage +

polymérisation

sous UV

Vide : prévention et gestion des risques

Les matériaux en environnement spatial-23/11/17

Mise en place d’un plan de contamination (selon exigences mission) expert contamination

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Prise en compte amont

Identification des surfaces critiques fonctionnelles

Identification des sources de contaminants

Conception

Sélection des matériaux

Quantification des niveaux de contamination

Modélisation de la contamination et simulation des cinétiques de

dégazage

Prise en compte aval

Pré-dégazage

Utilisation de protections

Assemblage et intégration en salle blanche

Purge

Contrôle de la contamination passif ou actif

Sélection des méthodes de nettoyage appropriées

Cyclages thermiques

Les matériaux en environnement spatial – 23/11/17

• Extérieur (-180;+180°C) selon les orbites

• Intérieur (-10; +55°C)

Nb de cycle fonction de l’orbite : d’une centaine de cycles à

plusieurs milliers

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Cycla

ge

s th

erm

iqu

es

Dégazage

Vieillissement des matériaux

Stabilité dimensionnelle

Fatigue

LDEF avant/après vol (NASA) Design, choix des matériaux, validation

Effets des radiations


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Rayo

nn

em

en

ts e

t p

art

icule

s c

ha

rgé

es Dégazage

Modifications moléculaires

Modification des propriétés optiques

Perturbations mesures optiques

/contrôle thermique

Modification des propriétés

mécaniques

Fissuration, fragilisation, déformation

Modification des propriétés électriques

Charges électriques

Claquages Emissions

électromagnétiques

Anomalies de fonctionnement

Dégradations matériaux

instantanées ou long terme

Perturbation mesure

Choix des matériaux, validation

Effets des radiations : mécanismes d’endommagement


Radiations UV

Effet de surface principalement ( pénétration < µm) créant des intermédiaires réactionnels excités

Polymérisation des couches de contaminants déposées sur les surfaces

Electrons, protons

Profondeur de pénétration plus importante (~ qqes µm pour les p+, jusqu’à qq cm pour les e-)

Arrachement d’électrons du nuage électronique de l’atome

Effet lié à l’accumulation dans le temps de la dose ionisante,

Selon le matériau :

- Ionisation

- Déplacements atomiques : création de défauts ponctuels dans le matériau

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Effets des radiations sur les propriétés mécaniques


Effet macroscopique : déformation, fragilisation et décoloration

Pour les polymères : compétition entre scissions et réticulations dans les chaînes macromoléculaires

Rupture dans les chaînes Diminution de la limite élastique, module d’Young, de l’élongation à

rupture

Diminution de la dureté

Formation de liaisons transverses dans les chaînes

Augmentation de la résistance à la traction, module d’Young

Augmentation de la rigidité

Modification des propriétés physico-chimiques : Tg, Tf (°C)

Modifications mécaniques des verres : dilatation ou compaction

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Effets sur les propriétés optiques


Effet macroscopique : brunissement = formation de centres colorés ou de chromophores

Modification des propriétés d’absorption du matériau

Problématiques des verres

Modification de l’indice de réfraction

Modification de la transmission de l’optique

Variation du signal, perte des performances optiques

Problématiques des peintures

Augmentation de l’absorptance solaire des revêtements

Augmentation de la température d’équilibre des revêtements (peintures blanches, OSR)

Réduction de la durée de vie

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Effets sur les propriétés optiques


Influence des radiations (protons haute énergie et cobalt 60) sur des verres

17

p+ 0/90krad

p + 0/350krad

p + 0/900krad

50/100krad

400krad

BK7BK7

G18 K5 K5G20 LaK9 LF5 KzFsN4 SK5 SF6 SFL6SFL6

G05

p+ 0/90krad

p + 0/350krad

p + 0/900krad

50/100krad

400krad

BK7BK7

G18 K5 K5G20 LaK9 LF5 KzFsN4 SK5 SF6 SFL6SFL6

G05

L’oxygène atomique


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Constituant majeur de l’environnement jusqu’à 1000 km

Photo-dissociation des molécules d’oxygène sous l’action

des rayonnements solaires de longueur d’onde inf. à 200 nm

Réactivité chimique importante

Altitude en fonction de la densité en oxygène atomique

Densité d’ATOX dépend du cycle solaire

Effets de l’oxygène atomique (ATOX)


Oxydation / érosion des matériaux organiques, certains métaux (Ag, Cu)

Diminution de l’épaisseur des matériaux

Modification des propriétés thermo-optiques

Contamination

Altération de la conductivité électrique

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MLI au niveau du GS de l’ISS

Kapton H Teflon FEP

Ex de molécules formées

Kapton H2, CO, CO2, CH’, ROH

FEP fluorocarbons

Solutions

• Augmentation des épaisseurs,

• Choix de matériaux résistants ou protection

Oxydes et certains métaux peu oxydables (Or, SiOx)

• Validation de la tenue des matériaux

Autres contraintes


Règlement REACh : impact sur substances et matériaux spatiaux

Règles de contrôle export

Loi sur les opérations spatiales : impose de maîtriser la fin de vie du satellite

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Limitation des débris en orbite

Études d’impact environnemental

Sélection et validation des matériaux


Logique de Sélection

Définir

la fonction du matériau

la/les propriétés matériau souhaitée(s) ou nécessaire (s)

les besoins du projet

les données disponibles permettant de garantir la durabilité du matériau pour les besoins projet

les besoins de validation

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Logique de validation

S’assurer que le matériau va remplir sa fonction pour les

besoins du projet

Définir

- le cycle de vie du matériau et l’environnement associé

- les effets prépondérants du cycle de vie afin de définir les

essais à réaliser

- le risque associé à la perte de fonction du matériau

- Les critères d’acceptation

Données matériaux validées basées sur le retour

d’expérience de projets précédents

= Base de données Matériaux

Exemple : MATREX, BDD Matériaux du CNES



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Cycle de vie

Vie au sol = fabrication, intégration, tests, stockage

Environnement contrôlé ou non

(DT (°C), humidité relative (HR), durée, O2, O3, UV)

Transport (DT(°C), HR, chocs)

Lancement (chocs, dépressurisation)

Mise en orbite (DT(°C), radiations, ATOX, vide)

Mission (DT(°C), radiations, ATOX, vide)

Fin de vie (DT(°C), radiations, ATOX, vide)

Essais de validation

À différents niveaux (élémentaire, instruments, sous-ensembles ou satellites)

Chaleur humide

Test de vieillissement en conditions réelles

Essais de chocs, vibrations

Essais de chocs, vibrations

Cyclages thermiques, tests sous radiations, tests sous ATOX





Normes ECSS relatives aux matériaux

Choix, sélection et validation des matériaux

ECSS-Q-ST-70 : Materials, mechanicals and processes

Définit les exigences et déclarations applicables aux matériaux, parties mécaniques et procédés pour satisfaire les exigences des missions satellites, lanceurs, charges utiles, expérimentations, équipements sols

Couvre le management (revue, état d’acceptance, documentation), critères de sélection, évaluation et validation, approvisionnement et inspection de réception, critères et règles d’utilisation

ECSS-Q-ST-70-71 : Materials, Processes and their data selection

Vide

ECSS-Q-ST-70-02 : Thermal vacuum outgassing test for the screening of space materials paramètres de dégazage des matériaux.

Cyclages thermiques

ECSS-Q-ST-70-04 : Thermal testing for the evaluation of space materials, processes, mechanical parts and assemblies

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Radiations

ECSS-Q-ST-70-06 : Particle and UV radiation testing for space materials

Définit les procédures de test d’irradiation UV et particulaire sur les matériaux (contrôle thermique, traitements de

surface, matériaux structuraux et filtres) notamment la définition du facteur d’accélération, la contrôle de la

contamination, contrôle de la température et de la pression

ISO 15856 / Space systems / space environment – simulation guidelines for radiation exposure of non-metallic

materials

Méthodologie pour simuler le type de radiation, son spectre et l’intensité (type de radiation, spectre, débit de dose,

Description des sources de radiation utilisables

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ISO 15856 : Définition d’orbites typiques standard

LEO (ISS, 426km), GEO (35790km), GPS (19100km), POL (polar orbit )(600km) et elliptique HEO

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Validation de la tenue d’un matériau à l’environnement spatial (radiations, ATOX, cyclages thermiques)

- Utilisation de données d’expérience en vol et/ ou de données de missions opérationnelles

- Tests au sol

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Définition d’un plan de validation comprenant la définition des items de tests, les tests à réaliser (conditions,

séquence), les critères d’acceptation

Mais problématique de la représentativité des essais

- Définition des doses vues : modélisation

- Conditions de test : atmosphère, type de particules, débit de dose, synergie avec d’autres paramètres de

l’environnement (températures, contamination),

- Séquence des essais

- Éprouvettes / assemblage réel



Concernant les essais radiations matériaux, la partie définition des essais (type de particule, profil de dose

appliqué), mise en œuvre est confiée à l’ONERA et TRAD.

Contacts :

S. Duzellier, ONERA

N. Sukhaseum, TRAD

Le CNES (laboratoire d’expertise, AQ/LE) peut mettre en œuvre les caractérisations de matériaux et l’expertise

suite à des anomalies.

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Exemples de moyens


28

Pour essais matériaux externes

de surface

Pour essais matériaux volume

Gamme d’énergie 0,5-2 MeV

faisceaux mono-énergétiques

Sup à 1 MeV pour p+ et e-

1-4 MeV

Flux 108-1011part/cm2s 5,107-2,1011

Type de particules P+, e-, UV (et ATOX, 1moyen) P+, e-, gamma

Synergie de paramètres Electrons+protons+UV

Electrons + UV

+ température

température

Surface irradiée 120*120 à 200*200 cm2 300*300

Atmosphère 10-6-10-8Torr Vide ou Air

Gestion de la contamination Baking, monitoring, design ?

Moyens de caractérisations in

situ possibles

Spectromètre de masse

Réflectance in situ

?


matériaux


Améliorer notre compréhension des mécanismes

- de dégradation sur les matériaux sensibles et avec des fonctions critiques (verres, polymères, matériaux de

contrôle thermique)

- des synergies entre les différents paramètres de l’environnement (radiations, température, ATOX)

Evaluer la tenue des matériaux à l’environnement spatial (nouveaux matériaux, nouveaux besoins)

Optimiser les conditions de test : étude de l’influence des paramètres de tests sur les propriétés matériaux

débit de dose, nature des particules, atmosphère de test, représentativité par rapport à la contrainte vue en

vol

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matériaux


Thème étude Contenu

Etude du vieillissement des propriétés

thermo-optiques des matériaux de contrôle

thermique (peintures, films polymères,

résines ou vernis) en environnement

spatial GEO simulé au sol

R&T ONERA-CNES

Simulation de l’environnement spatial GEO au sol : UV + électrons

+ protons sous vide

Mesure des caractéristiques thermo-optiques (absorption solaire/

émissivité IR)

Compréhension de la dégradation des

résines silicones (thèse H. Jochem, 2012)

Etude de l’effet des électrons, protons et UV sur 3 types de résines

silicones

Etude d’un protocole de test en

environnement spatial des matériaux

optiques

R&T

- Comparaison effets d’irradiations de nature différente (électrons,

protons, gamma) pour une dose équivalente (1Mrad) sur des verres

« modèles » (BK7 et BK7G18)

- Évaluation d’une méthode d’obtention de doses multiples :

irradiation d’un empilement de lame par des électrons de 1.2MeV

30


31

Thème étude Contenu

Optimisation d’irradiation de verre

Identifier la composante non ionisante pour améliorer la représentativité

des essais sols (déplacement atomique)

Matériaux testés : BK7 et quartz

Calculs des profils de dose à partir de la spécification mission définie

Effet des radiations sur les matériaux_

Evaluation de l’effet du débit de dose

Réalisation de deux campagnes d’essais à ‘faible’ et ‘forte’ dose

(50MRad/500MRad / 1Grad) en volume et surface pour étudier l’effet

du paramètre sur différentes familles de polymères

Caractérisations

- de la structure chimique : ATR-FTIR, XPS, RMN, DSC

- des propriétés fonctionnelles : Uv-vis-NIR, DMA, nanoindentation,

adhérence, propriétés mécaniques

Effet des radiations sur les matériaux_

Evaluation de l’effet du type de particules

Etude de la synergie des paramètres à

l’aide d’expériences en vol et de capteurs

MEDET : expérience de dégradation des matériaux en orbite sur

ISS/Columbus

THERME : mesure de la dégradation des revêtements thermiques en

environnement spatial

Resistack : détecteur ATOX


matériaux

Conclusions et perspectives


Sélection et validation des matériaux nécessitent l’utilisation de données validées et la mise en œuvre d’essais dédiés adaptés aux contraintes spécifiques de la mission

Espace = environnement complexe

Question de la représentativité des essais et des résultats du fait de la difficulté à reproduire la combinaison des contraintes vues en vol

Actions en cours

Compléter nos connaissances : amélioration de la compréhension des mécanismes de dégradation sur les différents matériaux utilisés

Optimisation d’essais: méthodologie pour améliorer la représentativité mais aussi les coûts

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Merci pour votre attention,

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