Effets non radiatifs de l environnement spatial Par Jean-Claude BOUDENOT

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1 (Environnement spatial) Effets non radiatifs de l environnement spatial Par Jean-Claude BOUDENOT TEXTE & TEST

2 2 Effets non radiatifs de l environnement spatial Oxygène atomique 1. Présentation.- L impact de l oxygène atomique sur les matériaux de surface des satellites en orbite basse n a été observé que depuis une dizaine d années. Les premières observations directes ont été effectuées sur la navette spatiale américaine dès ses premiers vols (STS1 à STS4) bien que de courtes durées (trois à cinq jours). Elles ont été rapportées à partir de Le pouvoir oxydant de l oxygène atomique est encore renforcé par son énergie cinétique élevée ( 5 ev) due à la vitesse d impact ( 8 km s -1 ), elle-même liée à la vitesse du satellite sur son orbite. Plusieurs effets sont rencontrés : 3. décomposition des couches organiques superficielles telles que kapton, téflon, mylar 1 et des matériaux composites à matrice organique. C est ainsi, par exemple, qu il a été observé sur le vol STS3 une perte de masse supérieure à 20% sur un film de kapton de 25 μm d épaisseur. Cette décomposition peut d ailleurs engendrer une contamination des surfaces voisines ; 4. oxydation avec formation de produits nouveaux et stables sur les surfaces ; c est ainsi que l argent des contacts électriques (en particulier au niveau des panneaux solaires) peut être transformé en oxyde non conducteur. De la même façon, on note une perte de réflectivité des miroirs ; 5. luminescence, liée à l interaction des atomes avec les surfaces, pouvant perturber certaines expériences de détection optique (cette interaction donne naissance à une lueur rouge qui a été photographiée sur la navette par les astronautes). 6. La très haute atmosphère (altitude supérieure à 100 km) est constituée d espèces neutres : N 2,O 2, He, Ar, H, O. L oxygène atomique (O) devient prépondérant à partir de 200 km. Sa densité décroît avec l altitude ( 10 9 à atomes cm -3 à 200 km) mais reste significative jusqu'à près de km ( 10 5 cm -3 à 800 km). L activité solaire a une importance considérable sur la densité et ce, d autant plus que l altitude est élevée ; c est 1 Ces matériaux sont utilisés comme superisolation sous forme de film d épaisseur variant de 7 μm à 125 μm.

3 3 ainsi qu à 800 km, elle peut être comprise entre 10 4 at. cm -3 en période d activité minimum à 10 7 at. cm -3 en période d activité maximum. 7. Plusieurs modèles d atmosphère existent, y compris à très haute altitude, ce qui permet de faire une estimation de la fluence cumulée au cours d une mission 1. Le calcul nécessite de connaître les paramètres d orbite, l altitude du satellite (l orientation des surfaces par rapport au déplacement joue un rôle capital) ainsi que sa date de lancement (qui détermine l activité solaire). Le module Atomox du logiciel Esabase permet, par exemple, d effectuer automatiquement ce type de calcul 2. La connaissance des fluences d oxygène atomique permet de faire une prédiction sur les pertes d épaisseur des surfaces particulièrement exposées (surfaces perpendiculaires au déplacement et vers l avant), à condition bien entendu de posséder les efficacités de réaction. Pour les matériaux les plus sensibles (kapton, mylar), l ordre de grandeur est de cm 3 /atome. On calcule ainsi que l érosion de kapton sur la station spatiale (500 km) pendant sa durée de vie de trente ans pourrait atteindre 500 μm. Un autre problème est lié à la variation d absortance solaire et d émissivité, paramètres qui jouent un rôle essentiel dans le contrôle thermique des satellites. 8. Une meilleure connaissance de ces phénomènes et la création de banques de données (e.g. taux d érosion des matériaux) nécessitent de pouvoir recréer les conditions de l attaque par l oxygène atomique en laboratoire. De telles expériences sont difficiles ; il faut pouvoir réaliser des flux importants (10 15 à cm -2 s -1 ) d atomes d oxygène ayant des vitesses de 8 km s -1 (pour obtenir de telles vitesses avec une source d oxygène en équilibre thermodynamique, il faudrait la porter à K). de : L environnement spatial, Jean-Claude Boudenot (Presses Universitaires de France, 1995) pp lexique : absortance : rapport de l énergie absorbée par un milieu matériel à l énergie incidente. 1 Citons, par exemple, les modèles d espèces neutres de la haute atmosphère suivants MSIS-86 (Mass Spectrometer and Incoherent Scatter), MET (Marshall Engineering Thermosphere), DTM (Drag Temperature Model), ainsi que le modèle d ion IRI 90 (International Reference Ionosphere 1990). 2 Le module Atomox permet le calcul des flux et fluences d oxygène atomique mais également d autres atomes (e.g. : H, He, N, Ar), molécules (e.g. : O 2, H 2 ) ou ions (e.g. : O +, H +, He +, N +, No +, O 2 + ) présents dans la haute atmosphère.

4 4 TEST 1. Relever 2 expressions permettant de dater ( même approximativement) et une expression de la durée Expressions permettant de dater expression de la durée 2. Transformer la phrase suivante en commençant comme indiqué : «Le pouvoir oxydant de l oxygène atomique est encore renforcé par son énergie cinétique élevée ( 5 ev).» L énergie cinétique Relever dans la première phrase de ce paragraphe le verbe qui exprime le mieux la conséquence : 3. Transformer la phrase suivante en commençant comme indiqué : «Cette décomposition peut d ailleurs engendrer une contamination des surfaces voisines» Il est possible 4. Transformer la phrase suivante en commençant comme indiqué : «l argent des contacts électriques peut être transformé en oxyde non conducteur.» Il est possible

5 5 5. Transformer cette phrase en utilisant le pronom relatif qui : «luminescence, liée à l interaction des atomes avec les surfaces, pouvant perturber certaines expériences de détection optique» 6. Relever dans ce paragraphe 3 mots ou groupes de mots exprimant la plus grande importance / ampleur et 2 exprimant la perte d'importance / d'ampleur : la plus grande importance ou ampleur une perte d'importance ou d'ampleur 7. Transformer ces deux phrases en commençant par IL : «Plusieurs modèles d atmosphère existent.» IL «Le calcul nécessite de connaître les paramètres d orbite, l altitude du satellite (.) ainsi que sa date de lancement» IL

6 6 8. Transformer chacune de ces phrases en commençant comme indiqué ou en utilisant les expressions demandées : " Une meilleure connaissance de ces phénomènes et la création de banques de données nécessitent de pouvoir recréer les conditions de l attaque par l oxygène atomique en laboratoire." Pour être en mesure de " De telles expériences sont difficiles ; il faut pouvoir réaliser des flux importants (10 15 à cm -2 s -1 ) d atomes d oxygène ayant des vitesses de 8 km s -1 " (utiliser, dans l ordre suivant, les expressions : afin de / avoir besoin de; et changer la conjugaison du verbe ayant ) " pour obtenir de telles vitesses avec une source d oxygène en équilibre thermodynamique, il faudrait la porter à K" (commencer comme indiqué et exprimer le complément du verbe porter) Il faudrait porter