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Protection contre la foudre des plateformes de lancement de satellites

La protection contre la foudre des plateformes de lancement de satellites et des véhicules spatiaux est essentielle. Nous avons récemment évoqué la nécessité d’une protection préventive pour autoriser les lancements de fusées. Dans cet article, nous aborderons l’ingénierie de la protection contre les impacts directs ou à proximité, grâce à des protections externes et internes.

Les impacts de foudre sur des plateformes de lancement non protégées ont entraîné de graves incidents. Il s’agit notamment de l’activation de fusées-sondes et d’autres véhicules spatiaux. Il est également arrivé que des impacts interrompent les vérifications et reportent le lancement des véhicules spatiaux1.

Ces plateformes sont utilisées pour mettre en orbite des satellites de communication essentiels à la vie moderne. Il s’agit de missions complexes et coûteuses qui nécessitent des mesures de précaution importantes pour assurer leur réussite et leur sécurité.

Les véhicules conçus pour transporter des satellites sont généralement des fusées dotées de systèmes de contrôle et de guidage1. Ces fusées contiennent des matériaux oxydants, du carburant et des électro-explosifs (requis pour leur autodestruction si nécessaire). Les coups de foudre lorsque la fusée se trouve sur la plateforme de lancement peuvent donc provoquer de graves accidents, avec des coûts élevés en termes de vies humaines, d’argent et de temps. De plus, les systèmes numériques sont de plus en plus utilisés pour le contrôle du vol et l’instrumentation, au lieu des systèmes analogiques et métalliques. Cela accroît la vulnérabilité du véhicule aux effets des décharges atmosphériques1,2.

Les coups de foudre menacent également les lignes de données électriques et peuvent provoquer l’ignition incontrôlée du carburant1. Il convient de noter que les risques associés à la foudre sont importants dans toutes les phases des opérations de lancement, lesquelles se déroulent le plus souvent en plein air3.

Un impact direct sur le vaisseau spatial pourrait causer des dommages locaux à son isolation thermique. Dans le cas d’un courant de foudre important et de la possibilité de courants continus significatifs, des dommages structurels au vaisseau spatial ne peuvent être exclus. Par conséquent, après l’impact, une évaluation des dommages est nécessaire1.

Les bases ou plateformes de lancement de satellites sont sujettes à être frappées par la foudre, en tant que structures isolées d’une hauteur de 60 à 100 mètres, situées sur un terrain plat. De plus, la plupart de ces sites sont situés dans des zones à niveau isokéraunique élevé et à proximité de régions côtières où l’activité des décharges électriques est plus importante1.

La plateforme 39A de la NASA reçoit d’ailleurs en moyenne 3 impacts par an depuis 19794. En 1998, cette plateforme et la plateforme 39B ont reçu au moins 5 impacts alors qu’une navette spatiale s’y trouvait. Cependant, leurs équipements n’ont pas été endommagés grâce à la protection contre la foudre installée. De plus, en 1983, des impacts ont eu lieu avant trois des quatre lancements de la navette5.

Il convient par conséquent de protéger contre la foudre les véhicules aérospatiaux, le hardware de vol, l’équipement de soutien au sol et toutes les installations où sont effectués des tests ou des opérations potentiellement dangereuses6.

Selon Cooray1, la philosophie adoptée pour la protection contre la foudre des plateformes de lancement de satelliteset des véhicules de lancement implique une défense à trois niveaux :

  • Premièrement, répondre aux critères de lancement de la NASA (Lightning Launch Commit Criteria, LLCC).
  • Deuxièmement, utiliser un système de protection contre la foudre (LPS) approprié pour protéger la plateforme contre les impacts dangereux.
  • Troisièmement, utiliser des techniques de blindage électromagnétique afin de protéger les systèmes à l’intérieur du véhicule et les systèmes de lancement.

Des détails supplémentaires sur les stratégies suivies dans l’industrie aérospatiale pour la protection contre la foudre des plateformes de lancement de satellites sont présentés ci-dessous.

Plateformes de lancement de satellites : protection externe contre la foudre

La protection externe a pour fonction d’intercepter les coups de foudre et de minimiser les effets du passage de leur courant au sol. Les plateformes, ou rampes de lancement, utilisent généralement une protection traditionnelle contre la foudre. Cependant, la protection externe des plateformes de lancement est un véritable défi en raison de la hauteur et de la taille de ces installations. Il est extrêmement compliqué de les protéger en respectant strictement les normes de protection conventionnelles telles que la norme IEC 623057. Les paratonnerres à dispositif d’amorçage (PDA) offrent une plus grande zone de protection, car ils émettent le traceur ascendant continu avant tout autre objet se trouvant dans leur rayon de protection.

Plateformes de lancement de satellites : protection interne contre la foudre

Les impacts de coups de foudre produisent un champ magnétique élevé à grande vitesse qui induit de grandes tensions sur les conducteurs de la zone environnante. Les effets électriques résonnants des câbles de protection et de la structure peuvent également contribuer aux hautes tensions induites3.

De plus, la charge utile du vaisseau spatial, c’est-à-dire le satellite, se compose normalement d’équipements électroniques sensibles aux surtensions transitoires. Par conséquent, en cas de foudroiement alors que le véhicule se trouve sur la plateforme, des vérifications pertinentes doivent être effectuées pour s’assurer qu’aucun dommage ne se soit produit3.

Par conséquent, les zones de protection contre la foudre (ZPF, ou zones dans lesquelles l’environnement électromagnétique de la foudre est défini8) doivent être déterminées dès les premières étapes de la conception du véhicule, car elles dépendent de la géométrie et de l’enveloppe du vaisseau spatial6.

Ainsi, la protection interne des plateformes de lancement et des véhicules spatiaux est mise en œuvre par la structure du vaisseau, ainsi que par des liaisons équipotentielles et le blindage des câbles1.

La liaison équipotentielle de tous les composants électriques (connexions, tuyaux métalliques, etc.) permet d’obtenir une zone équipotentielle. Ceci est particulièrement important là où se trouvent des composants électroniques critiques1.

Par exemple, toutes les sections des réservoirs doivent être soudées et connectées pour obtenir un plan de référence à faible impédance. De même, toutes les pièces métalliques de plus de 30 centimètres doivent avoir un chemin de décharge vers la structure1.

D’autre part, lorsque le véhicule se trouve sur la plateforme, la continuité électrique avec la terre doit être assurée entre les deux pendant toutes les étapes de l’opération au sol6.

Conformément aux principes de protection contre la foudre applicables aux autres installations, la liaison équipotentielle doit présenter une section adéquate et les points de connexion doivent être exempts de tout matériau isolant et étranger tel que la peinture, la rouille et la corrosion1.

Quant aux câbles électriques, il convient de suivre les lignes directrices générales en matière de blindage électromagnétique afin de limiter le niveau de bruit ou d’interférence dans l’ensemble du système. De plus, lorsque cela est possible, par exemple pour le contrôle et la transmission de données, il est préférable d’utiliser des câbles à fibre optique1.

Les dispositifs de protection contre les surtensions (DPS) doivent être placés aux interfaces des circuits critiques et dans les zones de boucles de courant où les différences de potentiel peuvent être significatives en cas d’impacts directs ou à proximité1.

Aplicaciones Tecnológicas : la valeur ajoutée de la technologie intelligente pour la protection contre la foudre

Aplicaciones Tecnológicas S.A. propose depuis plus de 35 ans les solutions les plus avancées en matière de sécurité face aux orages électriques. Notre catalogue comprend :

  • Le système intelligent d’alerte précoce ATSTORM® face au risque d’orage électrique. Ce système évalue le risque d’orage électrique à l’aide de capteurs locaux, de la technologie IoT et d’algorithmes experts.
    • Le paratonnerre intelligent disposant de la technologie de dispositif d’amorçage à distance (PDA) DAT CONTROLER® REMOTE élargit la zone protégée par rapport à une protection externe conventionnelle. De plus, il effectue des autodiagnostics et communique quotidiennement l’état du paratonnerre via la connectivité IoT.
    • Le système intelligent d’alerte et d’enregistrement en temps réel du coup de foudre capté SMART LIGHTNING LOGGER. Ce compteur de foudre monitore l’activité du conducteur de descente du paratonnerre et fournit des informations sur chaque décharge au moment de l’impact. Les paramètres des coups de foudre mesurés par des dispositifs tels que le SMART LIGHTNING LOGGER permettent d’évaluer les effets possibles des décharges sur les équipements électroniques sensibles. Le monitoring et la communication en temps réel permettent d’optimiser l’ensemble du processus3.
  • De plus, Aplicaciones Tecnológicas S.A. dispose de dispositifs de protection contre les surtensions, y compris des compteurs de ces dernières, de soudure exothermique (également appelée aluminothermique) APLIWELD® Secure+, de paratonnerres et d’accessoires, ainsi que de matériels de prises de terre.

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Références

  1. Cooray, V. Lightning Protection. (The Institution of Engineering and Technology, 2010).
  2. Harms, D. E., Boyd, B. F., Flinn, F. C. & McNamara, T. M. Weather system upgrades to support space launch at the eastern range and the Kennedy Space Center. Weather 50, (2003).
  3. Colon, Jose L. Lightning Protection and instrumentation at Kennedy Space Center. in Third LACCEI Internattonal Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCET’2005) (2005).
  4. Stahmann, J. R. Launch pad lightning protection effectiveness. in vol. 1 12 (1991).
  5. NASA Facts AC 321/867-2468. Lightning and the Space Program. http://www.tstorm.com/images/lightning_space_program.pdf (1998).
  6. Goodloe, C.C. Lightning Protection Guidelines for Aerospace Vehicles. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20000004589/downloads/20000004589.pdf (1999).
  7. International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 62305-1 Protection against lightning – Part 1: General principles. (2010).
  8. International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 62305-4 Protection against lightning – Part 4: Electrical and electronic systems within structures. (2010).

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