Zaria | La régulation thermique

Comme tout engin spatial, Zaria est soumis dans l'Espace à des températures extrêmes. Il a donc besoin d'un système de régulation thermique, appelé SOTR (Система Обеспечения Теплового Режима).

Le rôle principal du SOTR est le maintien dans une certaine plage de température des équipements, des réservoirs d'ergols et de l'intérieur de Zaria. Il est indépendant des systèmes de refroidissements des autres modules.

1. Généralités

Le système SOTR est constitué d'un sous-système de refroidissement interne VGK (Внутренний Гидроконтур) et d'un sous-système de refroidissement externe NGK (Наружный Гидроконтур).

Un fluide caloporteur circule dans le sous-système interne et récupère l'énergie thermique à évacuer. Il passe ensuite dans un échangeur et transmet l'énergie au fluide du sous-système externe, qui va ensuite l'évacuer dans l'Espace grâce à des radiateurs.

Fig. 1.1 : Schéma du SOTR de Zaria.
Crédit : NASA.

Le SOTR peut-être commandé depuis le Centre de Contrôle des Vols (TsUP), via le système Komparouss-A3, ou directement par l'équipage de la station.

2. Le sous-système de refroidissement interne (VGK)

Le VGK est constitué de deux boucles redondantes. En fonctionnement normal, une seule boucle est en service (VGK1), l'autre est à l'arrêt (VGK2). La boucle interne doit rester à une température comprise entre 15°C et 35°C.

Le fluide caloporteur assure les trois fonctions de refroidissement, à savoir l'absorption, le transport et l'évacuation de l'énergie thermique.

2.1. Absorption

Le caloporteur récupère l'énergie thermique :

- des équipements électroniques au travers d'échangeurs à plaques,
- de l'atmosphère du module, au travers d'échangeurs à air (GZhT).

Le fluide choisi pour le SOTR est un triol, c'est à dire un composé chimique possédant trois fonctions alcool. Il s'agit d'eau contenant 30% de glycérine, ce qui permet d'abaisser la température de solidification de l'eau à -7°C.

Fig. 2.1.1 : Nettoyage d'une grille d'un échangeur GZhT, juillet 2014.
Crédit : Oleg ARTEMIEV.

La solution contient également un biocide, afin d'éliminer les microorganismes, et un composé sensible aux ultraviolets, utile pour la détection de fuites.

Pour favoriser les échanges, plusieurs ventilateurs sont installés sur les GZhT, ainsi que dans d'autres endroits clés du module.

2.2. Transport

Sur chaque boucle VGK, la circulation du caloporteur est assurée par deux groupes de motopompes électriques SPN (Сменная Панель Насосов), disposés sur la partie supérieure de la coque de Zaria. Chaque SPN comprend deux pompes ENA (Электронасосный Агрегат). Il y a donc au total huit ENA sur les deux boucles internes du module Zaria.

Fig. 2.2.1 : Vue des quatre groupes motopompes du SOTR de Zaria, 11 septembre 2000.
Crédit : NASA.

En fonctionnement normal, une seule des quatre pompes de la boucle est en service. Si elle subit une avarie, une des trois autres est automatiquement mise en service à sa place. Les ENA ont été conçues pour pouvoir être remplacées en orbite, sans avoir à remplacer le SPN complet.

Sur la boucle interne, on trouve également un accumulateur (fig. 1), qui permet d'amortir les variations de volume du fluide dues aux effets de température. Il agit comme un condensateur, en apportant un surplus de fluide en cas de déficit (dû à un refroidissement ou à une fuite), et en absorbant les éventuels trop pleins. Il maintient donc la pression dans la ligne à une valeur constante.

Si la charge thermique est vraiment très faible, la température du fluide peut être relevée grâce à des réchauffeurs gérés automatiquement.

Fig. 2.2.2 : Youri MALENTCHENKO travaille sur la boucle VGK2, le 24 juin 2003.
Crédit : NASA.

2.3. Evacuation

Le caloporteur évacue l'énergie thermique vers la boucle externe en passant dans un échangeur liquide-liquide ZhZhT (Жидкостно-жидкостный Теплообменник). Comme il y a deux boucles internes, il y a deux ZhZhT, qui sont disposés sur l'extérieur de Zaria.

Les deux ZhZhT sont montés en série sur les deux boucles externes (fig. 1). Ainsi, quelle que soit la boucle interne ou la boucle externe qui ne fonctionne plus, l'échange thermique peut quand même avoir lieu. C'est en régulant la température de la boucle externe qu'on régule celle de la boucle interne, en agissant sur le débit traversant les ZhZhT.

3. Le sous-système de refroidissement externe (NGK)

Le NGK est lui aussi redondé : il possède deux boucles identiques et indépendantes (NGK1 et NGK2). En marche normale, une seule de ces deux boucles est en service.

Le fluide caloporteur est un composé organique, du polymethyl siloxane, qui assure les trois fonctions du refroidissement : absorption, transport et évacuation.

3.1. Absorption

La boucle externe récupère l'énergie thermique de la boucle interne dans les échangeurs ZhZhT, décrits plus hauts.

3.2. Transport

Sur chacune des deux boucles redondantes, la circulation du fluide est assurée par trois groupes de pompes SPN. Chaque SPN comprend deux pompes, il y en a donc au total douze. En marche normale, une seule pompe est en service à un instant donné.

Sur chaque boucle, un seul SPN peut être changé en orbite. Si une pompe rencontre une avarie, une autre est automatiquement mise en service.

3.3. Evacuation

En amont des pompes, le fluide circule à travers douze radiateurs RTO (Радиатор Теплообменник), qui sont disposés sur la coque de Zaria et munis d'une ligne de by-pass.

La température est réglée grâce à une vanne trois voies RRZh qui envoie une partie du fluide vers les radiateurs, une autre vers le by-pass. C'est en réglant cette proportion qu'on peut régler la température de la boucle.

Fig. 3.3.1 : Schéma de principe de la circulation dans les radiateurs.
Crédit : Nicolas PILLET.

Plus la quantité de fluide qui passe dans les radiateurs est importante, plus la température sera basse. A contrario, plus on envoie de fluide dans la ligne de by-pass, moins il sera refroidi, et plus la température va augmenter.

Le capteur de température qui entre dans la régulation est situé après la jonction entre la ligne des radiateurs et la ligne de by-pass. Cette température est maintenue entre 15°C et 35°C. Chaque radiateur est traversé par les deux boucles externes, et l'évacuation de chaleur se fait donc de la même manière qu'on fonctionne sur une boucle ou sur l'autre.

Les radiateurs sont munis de caloducs qui utilisent de l'ammoniac comme fluide de transport. L'ammoniac récupère l'énergie thermique de la boucle externe et la perd par radiation dans le vide spatial. Au total, la boucle externe est capable d'évacuer 3,5kW.

En aval des pompes, on trouve deux accumulateurs qui permettent de maintenir une pression à l'aspiration des pompes, sur le même principe que les accumulateurs de la boucle interne.

La vanne trois voies de la boucle NGK1 (RRZh1) a été changée lors de la sortie dans l'Espace du 3 septembre 2004. La vanne RRZh2 a été changée lors de la sortie dans l'Espace du 24 juin 2013.

4. Le refroidissement passif

Des caloducs à l'ammoniac (TTK) sont également disposés sur la boucle interne afin d'évacuer directement une partie de l'énergie thermique vers l'Espace. Ce système permet de garder l'atmosphère du module au-dessus de son point de rosée, et donc d'empêcher la condensation de se former.

Bibliographie

- ZHOURAVINE, Y., Что такое ФГБ?, Novosti Kosmonavtiki n°1999-1.
- Thermal Control System Training Manual, ISS TCS TM 21109, 26 janvier 2004.
- ISS Status Report, 11 décembre 2009.


Dernière mise à jour : 21 juillet 2014