LUBRIFIANTS ET TRANSFERT DE CHALEUR DANS LE VIDE DE L’ESPACE

Dans le vide de l’espace, il y a rarement une seconde chance. Les dispositifs de contrôle de mouvement de précision doivent fonctionner de manière fiable sur demande. Même après une exposition prolongée au vide, aux environnements de rayonnement cosmique et aux températures extrêmes.

Des systèmes de roulements lubrifiés sont au cœur de plusieurs de ces systèmes pour les utilisations suivantes:

• Aider les panneaux solaires à se déployer
• Déploiement des couvertures de sécurité
• Pointage d’appareils photographiques critiques et d’autres capteurs sur des cibles d’intérêt.
• Un chauffage de précision peut faire la différence entre un fonctionnement en douceur ou contribuer à l’augmentation des déchets dans l’espace…

Sélection de la lubrification dans le vide de l’espace

Les critères de sélection de lubrification typiques incluent les charges imposées aux éléments roulants. Ainsi que leurs vitesses et la compatibilité chimique du lubrifiant et des éléments adjacents. Les exigences de poids, les vitesses et les tailles des composants ainsi que les jeux entre les pièces qui limitent la viscosité acceptable d’un lubrifiant. La conception doit également prendre en compte la migration du lubrifiant lors de son utilisation.

La sélection pour une utilisation spatiale ajoute à ces critères l’adéquation du lubrifiant au rayonnement. Dans le vide, il ne sert à rien d’envoyer du pétrole qui va s’évaporer ou se désintégrer avant la fin de la mission. De plus, la viscosité de nombreux lubrifiants est fortement influencée par la température.

Prenons le cas de la graisse Castrol Braycote 601EF, une graisse aérospatiale largement utilisée. Le couple de démarrages à basse température fut testé selon la norme ASTM D 1478. Les résultats démontraient une variation d’un facteur de trois pour une variation de onze degrés Celsius.

Une variation de cette ampleur suggère que le contrôle thermique des lubrifiants en général peut préparer le terrain pour une rotation en douceur ou un système bloqué. Cela est particulièrement vrai pour les lubrifiants aérospatiaux.

L’espace disponible de lubrification

La couche supérieure limite du lubrifiant entre les éléments de roulement est essentielle pour la performance dynamique. C’est là que les pressions extrêmes exercées en Hertz sont supportées par des couches extrêmement fines du lubrifiant.

Dans un système lubrifié, une couche limite est fixée aux éléments libres et fixes.

La chaleur générée dans cette couche par l’action de cisaillement du glissement et de la rotation combinés des éléments produit une rétroaction parfois fortuite. Les régions où le cisaillement est le plus élevé subissent le réchauffement le plus visqueux. Lorsque la température locale augmente, la viscosité, en conséquence, diminue.

Un système froid connaît généralement des couples de fonctionnements beaucoup plus faibles que les couples de démarrage. Par plus d’un facteur de deux lorsque l’on considère la graisse Braycote 601EF.

Si le système doit tolérer un stockage ou un démarrage à froid, la plupart des systèmes embarqués doivent aussi le faire. Ensuite, le roulement et la course peuvent se retrouver enfermés dans un lubrifiant réfrigéré. Le lubrifiant peut avoir une dureté allant du savon à l’époxy.

Utilisation de chaleur

Un chauffage précis de la bague de roulement est une des solutions idéales pour un chauffage de survie en continu. Ainsi que le préchauffage à la demande d’un mécanisme lubrifié.

Une chaleur minimale appliquée est presque toujours avantageuse pour les utilisations spatiales. Là, une seule alimentation doit générer une puissance adéquate pour tous les systèmes d’engins spatiaux.

En appliquant de la chaleur sur la bague de roulement, généralement la seule surface accessible chargée de lubrifiant, la viscosité du lubrifiant dans la couche limite adjacente au chemin de roulement peut être réduite de manière préférentielle. Cela permet un mouvement de glissement initial entre les éléments de roulement et leur système de support.

Les montages typiques des différents systèmes de roulement peuvent ne pas permettre l’utilisation de chaleur directement sur la bague de roulement, mais ces mécanismes de montage peuvent comporter un matériau adéquat pour permettre aux éléments chauffants intégrés, tels que ceux des cartouches chauffantes, de déposer la chaleur de préchauffage nécessaire dans le support structurel.

Longévité du lubrifiant

La longévité d’un lubrifiant est un facteur de conception important. Particulièrement dans les utilisations spatiales. Deux aspects de la longévité sont également essentiels:

– La panne du lubrifiant lui-même

– La migration du lubrifiant loin de l’interface de roulement.

Durée de vie du lubrifiant

La première préoccupation, la panne, concerne principalement la sélection des matériaux et les conditions d’exploitation.

Une huile motrice ordinaire se dégrade en grande partie à cause des températures élevées. Ainsi que le produit de combustion soufflé dans le moteur. Les systèmes spatiaux sont rarement aussi chauds qu’un moteur à combustion interne. La décomposition thermique ne pose donc pas de problèmes.

Une panne de rayonnement peut présenter un intérêt. Particulièrement dans les environnements de mission où des rayonnements pénétrants et ionisants sont présents. Par exemple, les ceintures de Jupiter, du Soleil ou de Van Allen.

Selon le type de lubrifiant, les dommages par rayonnement peuvent avoir tendance à augmenter la viscosité en raison de la réticulation indésirable des molécules. Ou bien il peut scinder les liaisons primaires, décomposer le lubrifiant et le rendre plus fluide.

Le premier type de dommage est plus typique dans les huiles. Cela signifie que la viscosité inférieure souhaitée d’une huile est compromise.

Le second type se retrouve plus souvent dans les graisses. Cela signifie que la viscosité plus élevée souhaitée de la graisse est perdue.

Les deux mécanismes d’endommagement peuvent entraîner une performance thermique du lubrifiant hors de conception. Ils modifient la température de fonctionnement souhaitée du système pour compenser la variation de viscosité induite par le rayonnement.

Quelle que soit l’utilisation, il est essentiel de comprendre la réactivité du lubrifiant avec les matériaux en contact. Ceci inclut la réaction primaire du lubrifiant de base avec les métaux, les céramiques ou les polymères qu’il rencontrera. Ainsi que la réaction de produits secondaires lors d’une utilisation normale ou d’une décomposition par rayonnement. La vaste gamme de lubrifiants, d’additifs et de matériaux de substrat potentiels nécessite pratiquement des essais de durée de vie de nouvelles configurations.

Contrôle de la migration des lubrifiants

L’autre élément important de la longévité du lubrifiant, en particulier dans les utilisations spatiales, est le contrôle de la migration du lubrifiant. Lorsqu’un mécanisme de roulement se déplace, le lubrifiant est naturellement évincé de la zone de contact. Il est donc essentiel de fournir un réapprovisionnement approprié. Cela permet à la couche de lubrifiant porteuse de persister et de remplir sa tâche.

Cela signifie que le lubrifiant doit rester suffisamment mou pour pouvoir mordre ou se répandre et suffisamment pour ne pas couler ni fuir.

Le contrôle thermique du système lubrifié est essentiel au maintien de cet équilibre. Des méthodes mécaniques telles que des films en barrière peuvent être nécessaires pour aider à entraîner le lubrifiant.

L’exposition au vide de l’espace évaporera toutes les molécules présentant une pression de vapeur non triviale. Ces molécules plus courtes et plus légères ont tendance à abaisser la viscosité d’un lubrifiant. Par conséquent, de nombreux fabricants vont dégazer les produits sous vide avant de caractériser leurs propriétés.

Même après le dégazage, les lubrifiants peuvent toujours être une source de polymères volatils. Même peu de traces de ceux-ci peuvent compromettre les composants des systèmes optiques ou d’autres capteurs.

Les excursions à haute température peuvent provoquer des dégagements gazeux indésirables. En plus de risquer une migration en vrac du lubrifiant, ils doivent être évités. Un système de chauffage fiable et correctement dimensionné fournit la chaleur nécessaire et évite les pertes thermiques. Un appareil de chauffage avec contrôle thermostatique redondant est optimal.

Progrès en lubrification

Les progrès de la lubrification au cours des deux dernières décennies ont été considérables. Les graisses à base de cyclopentane à multiples alkyles (MAC), telles que le Nye Rheolube 2000, constituent un ajout important aux options de conception. Dans de nombreuses utilisations, elles peuvent être un concurrent direct des graisses polyalphaoléfines (PAO) traditionnelles. Par exemple, la graisse Castrol Braycote 601 présentée ci-dessus.

Ces formulations de MAC ont généralement une durée de vie beaucoup plus longue qu’un système PAO équivalent. Mais au prix d’une plage de température fonctionnelle plus étroite.

Les utilisations spatiales poussent les systèmes de lubrification à leur extrême limite, mais des conceptions réussies sont réalisables. Le comportement du lubrifiant peut-être considérablement amélioré et le succès de la mission rendu possible par une stratégie de gestion de la chaleur bien conçue utilisant un chauffage appliqué avec précision.

Sélection de lubrifiant pour l’atmosphère martienne

Lors de la mise au point d’un spectromètre à balayage à infrarouge destiné à étudier l’atmosphère martienne, un mécanisme d’actionneur à longue durée de vie a fait l’objet d’un examen minutieux en raison de problèmes liés à la durée de vie des lubrifiants.

La firme Heritage avait utilisé le lubrifiant Braycote 601 à base de PAO. En raison du fort taux de réduction requis entre l’actionneur du moteur pas à pas et la sortie, un miroir infrarouge recouvert d’or, les roulements supportant l’arbre du moteur pas à pas ont été remis en question et un lubrifiant MAC à durée de vie plus longue; le Rheolube 2000 a été évalué.

L’étude sur la longévité a finalement exclu le lubrifiant Braycote et le Rhéolube est devenu l’option de conception préférable. L’environnement orbital martien présente un risque de radiation minime. La température de solidification du Rheolube plus élevée a été atténuée en chauffant la structure de montage du moteur pas à pas avec des capteurs de température déployés sur le moteur lui-même.

Des essais de longue durée de vie ont été effectués à des températures extrêmes. Y compris le démarrage à froid et à chaud extrêmes. Suivi du démontage du mécanisme pour déterminer le comportement du lubrifiant.

Une migration typique a été observée. Le manque de lubrifiant n’a pas été rencontré et les films de barrière dans les paliers ont fonctionné de manière satisfaisante. Même si le mécanisme contenait à la fois du lubrifiant Rheolube 2000 et du Braycote 601EF dans les roulements voisins, la contamination croisée n’a pas été observée.

Cet effort est caractéristique d’une philosophie aérospatiale de risque opérationnel minimal assurée par la conception et la mise à l’essai d’hypothèses superposées, suivies d’une stratégie d’atténuation visant à garantir que de telles conditions ne peuvent pas être atteintes par la mission. Dans ce cas, un chauffage non opérationnel garantit une performance appropriée des roulements.

Dans cet exemple, la conception thermique est devenue le catalyseur de la conception mécanique. Le matériel de contrôle thermique est donc devenu la clé du succès de la mission.