Effets non radiatifs de l`environnement spatial

(Environnement spatial)
Effets non radiatifs de l’environnement spatial
Par Jean-Claude BOUDENOT
TEXTE & TEST
Environnement spatial : effets non radiatifs
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π
Effets non radiatifs de l’environnement spatial
……………..
15.- Oxygène atomique
Présentation.- L’impact de l’oxygène atomique sur les matériaux de surface des
1.
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 1984.
Le pouvoir oxydant de l’oxygène atomique est encore renforcé par son énergie
2.
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 ,
mylar1 …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 : N2 ,O2 , He, Ar, H, O. L’oxygène atomique (O) devient prépondérant à partir de
200 km. Sa densité décroît avec l’altitude ( 109 à 1010 atomes cm-3 à 200 km) mais reste
significative jusqu'à près de 1 000 km ( 105 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 .
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ainsi qu’à 800 km, elle peut être comprise entre 10 4 at. cm-3
en période d’activité
minimum à 107 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 calcul2. 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 3.10 - 24 cm3/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 (1015 à 1016 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 40 000 K).
de : L’environnement spatial, Jean-Claude Boudenot (Presses Universitaires de France , 1995)
pp. 83-85
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. : O2 , H2) ou ions (e.g. : O+ , H+ , He+ , N+ , No+ , O2+ ) présents dans la haute
atmosphère.
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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 ____________________________________________________________
________________________________________________________________________
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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 ______________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
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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
1016 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
thermodynamique, il faudrait la porter à 40 000 K"
source
d’oxygène
en
équilibre
(commencer comme indiqué et exprimer le complément du verbe porter)
Il faudrait porter ___________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
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