Innovative Ray Tracing Algorithms for Space Thermal Analysis

Pour mettre au point le système de contrôle thermique d’un engin spatial (satellite, sonde ou véhicule habité), l’ingénieur thermicien utilise des logiciels adaptés, tels qu’ESARAD et ESATAN, commercialisés par ALSTOM. Comme la composante radiative peut jouer un rôle prédominant, les logiciels utilisés contiennent fréquemment un algorithme de lancer de rayons pour calculer les facteurs de vue et facteurs d’échange radiatif entre des surfaces de dimensions finies, supposées isothermes. Les flux externes (solaires, albédo et infrarouge terrestres) sont également calculés par lancer de rayons. Enfin, les couplages conductifs sont habituellement encodés manuellement par l’utilisateur.Comme le lancer de rayons est basé sur un processus aléatoire, la précision atteinte est déterminée par le nombre de rayons lancés. En général, le choix de ce nombre de rayons est laissé à la discrétion de l’ingénieur, ce qui peut conduire à des erreurs. Un autre inconvénient du lancer de rayons est sa faible convergence. Une méthode d’accélération du lancer de rayons est nécessaire.Dans le cadre de la thèse, nous avons développé une méthode de lancer de rayons plus performante, que nous avons appelée hémisphère stratifié, caractérisée par une meilleure convergence. Un contrôle statistique d’erreur a été développé : l’utilisateur spécifie la précision souhaitée (définie par une erreur relative maximale et un intervalle de confiance) et l’algorithme adapte automatiquement le nombre de rayons en fonction de la configuration géométrique. Sur base de cette erreur géométrique, un système d’équations adjointes est utilisé pour obtenir une erreur énergétique, caractérisant les transferts de chaleur entre les surfaces.L’hémisphère stratifié est étendu de manière à inclure des fonctions de réflexion plus complexes. L’application des relations de réciprocité et de fermeture est également considérée. La méthode matricielle de Gebhart, qui permet de dériver les facteurs d’échange radiatifs des facteurs de vue, est étendue de manière à inclure des surfaces non-diffuses et non-isothermes.Pour accélérer le lancer de rayons, les intersections rayons-surfaces ont été soigneusement étudiées. Nous avons également développé une méthode qui combine les primitives géométriques avec des maillages éléments finis. La représentation tri-dimensionnelle du modèle géométrique est plus adaptée au calcul de la composante radiative du transfert thermique tandis que les maillages éléments finis sont plus adaptés au calcul de la conduction. Cette méthode fournit également une accélération du lancer de rayons. De plus, le lancer de rayons est effectué sur la géométrie exacte, ce qui est nécessaire si des réflexions spéculaires sont modélisées. Nous expliquons comment le lancer de rayons peut être effectué sur la géométrie exacte et comment les facteurs de vue résultants peuvent être projetés sur les éléments finis. Nous définissons la notion de facteur de vue élément fini en calculant les facteurs de vue aux noeuds et en les interpolant sur l’élément fini au moyen des fonctions de forme. Ces facteurs de vue élément fini sont utilisés pour lier radiativement les noeuds du modèle. Comme le champ de température est projeté sur les fonctions de forme, nous obtenons des éléments non-isothermes, contrairement aux résultats de la méthode Thermal Lumped Parameter (différences finies) utilisée habituellement en thermique spatiale.Les liens conductifs sont calculés automatiquement sur base du maillage éléments finis.Toutes ces améliorations résultent dans un algorithme plus rapide que le programme de référence ESARAD (pour une précision équivalente) et qui fonctionne avec un petit nombre de paramètres définis par l’utilisateur.Pour valider l’algorithme proposé, le modèle du vaisseau XEUS, de l’ESA, a été implémenté. Des comparaisons ont été effectuées avec ESARAD et le code éléments finis SAMCEF.