Analyse et réduction des vibrations d'un refroidisseur cryogénique pour application spatiale : de la modélisation multiphysique à la commande non linéaire
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Abstract EN:
Earth observation satellites for meteorological, scientific or military applications sometimes carry infrared imagers. These cameras need to be cooled down to very low temperatures in order to avoid blurry infrared pictures of the Earth, due to the thermal noise of the detector or heat sources nearby. This PhD thesis focuses on a pulse tube cryocooler used in such applications. It deals with induced vibrations as they can destabilize the satellite or make the camera focal plane move. The goals are to understand and reduce the vibrations induced by the pulse tube cryocooler. These PhD works are composed of two main parts. First, the cryocooler is analyzed and modelled to reproduce observed induced vibrations. This global multiphysics model is aimed at identifying dissymmetry, non-linearity and mechanical behaviors which cause vibrations. This approach uses different fields of science such as electromagnetism, mechanics, fluid mechanics and thermodynamics. Sensitivity studies are done and the model is confronted to experiments highlighting measurement tools limits and checking methodologies. Next, vibration reduction using control strategies is studied. The whole control loop is questioned. The improvements proposed concern the vibration sensors, the frequency analysis algorithm, the vibration reduction algorithm and the type of control. Solutions for control, conception and manufacturing resulting from this PhD work offer opportunities to improve the system and lower its cost.
Abstract FR:
Les satellites météorologiques, scientifiques et militaires d'observation de la Terre sont parfois équipés de caméras thermiques. Ces imageurs doivent être refroidis à très basse température pour limiter le bruit induit sur les images de la Terre par la température des capteurs eux-mêmes ainsi que par des sources de chaleur proches des détecteurs infrarouges. Cette thèse s'intéresse à un refroidisseur cryogénique de type « tube à gaz pulsé » qui remplit cette fonction. Elle traite plus particulièrement des vibrations qu'il génère car elles peuvent notamment déstabiliser le satellite ou mettre en mouvement le plan focal des caméras. Les objectifs sont alors de comprendre et de réduire les vibrations induites par le fonctionnement du refroidisseur cryogénique. Ces travaux de thèse comportent deux parties principales. Dans la première, après une analyse du refroidisseur et de son fonctionnement, son comportement vibratoire est modélisé. Ce modèle multiphysique global a pour objectif d'identifier les dissymétries, les non-linéarités et les comportements mécaniques susceptibles d’induire des vibrations. L’approche système proposée fait appel à différentes disciplines scientifiques telles que l’électromagnétisme, la mécanique des solides, la mécanique des fluides et la thermodynamique. Des études de sensibilité sont conduites et le modèle est confronté à des expériences, en mettant en exergue les limites des moyens de mesure et des méthodes de vérification. Dans un second temps, la réduction des vibrations du refroidisseur par la commande est étudiée. L'ensemble du contrôleur actuel de réduction des vibrations est remis en question. Les améliorations proposées concernent les capteurs de vibration, l’algorithme d’analyse fréquentielle, l'algorithme de réduction des vibrations ainsi que le mode de commande. Les solutions de pilotage, de conception et de fabrication du refroidisseur qui résultent de cette thèse offrent des opportunités pour améliorer les performances du système et diminuer son coût.