Simulation des réponses vibroacoustiques de substrat de panneaux solaires destinés à l’espace

L’environnement de la mise en orbite d’un satellite comporte plusieurs aspects qui doivent obligatoirement être pris en compte lors des analyses structurelles. De tous les facteurs pouvant affecter un satellite, l’influence du son lors du lancement est particulièrement importante. La complexité de l’analyse de l’effet du son sur une structure rend souvent la tâche difficile pour les ingénieurs chargés de ces analyses structurelles. Puisque les panneaux solaires des satellites sont très sollicités par ce type de chargement, le problème doit être abordé afin d’éviter tout phénomène menant à un bris ou à une perte d’efficacité d’un système. Dans l’industrie, ce problème est souvent simplifié à une analyse modale suivi de tests en chambre acoustique. Lorsque l’équipement a survécu aux tests non destructifs, c’est à ce moment qu’il peut être qualifié pour l’environnement auquel il fera face lors de la mise en orbite.

Cette approche simpliste peut mener à plusieurs problèmes. Premièrement, il est difficile d’évaluer l’impact des tests sur l’équipement. Les tests endommageront-ils l’équipement ? Cette question peut paraître évidente, mais l’aspect vibroacoustique d’un système n’est pas toujours intuitif en termes d’effet que celui-ci peut avoir sur un assemblage de composante. L’incertitude de plusieurs phénomènes peut donc rendre la tâche difficile pour un ingénieur ayant le mandat de concevoir le système. Ensuite vient l’aspect d’optimisation. La concurrence de l’industrie aérospatiale pousse les compagnies à offrir des produits de plus en plus performants et optimisés pour leurs utilisations. Il devient donc très difficile d’optimiser la structure mécanique d’un panneau solaire si l’aspect vibroacoustique n’est pas maîtrisé. Ce qui pose souvent problème est le manque d’informations sur les réponses vibroacoustiques lorsque des structures composites sont conçues. Les analyses sont souvent négligées et d’importants facteurs de sécurité sont utilisés afin de pallier à ce manque d’informations. L’absence de rigueur au niveau de ces analyses peut donc mener à des pertes considérables de temps et d’argents lors du développement d’un système.

C’est ainsi que la capacité de connaître les réponses vibroacoustiques d’une structure quelconque vient jouer un rôle très important dans le processus. Les ingénieurs doivent pouvoir répondre à leurs questionnements grâce à l’utilisation d’outils et de méthodes à la fine pointe de la technologie.

Une méthodologie ainsi que des outils adéquats pour parvenir à résoudre ces problèmes sont abordés au cours de ce mémoire. Le projet consiste à simuler les réponses vibroacoustiques d’un substrat de panneau solaire d’un satellite grâce à la méthode par éléments finis (FEM) ainsi que la méthode d’éléments de frontières (BEM). Pour ce faire, l’utilisation de résultats expérimentaux permettra de valider certains aspects du modèle numérique. Grâce à cette approche, il sera possible d’éliminer plusieurs sources d’erreurs lors de la simulation vibroacoustique du panneau dans son ensemble. Le but est donc de modéliser et valider les deux sous systèmes principaux soit le système de fixation ainsi que le substrat du panneau afin de simuler l’ensemble du système tel que conçu et testé par l’Agence spatiale canadienne (ASC).

Excitation vibroacoustique

La perturbation de la pression dans un médium est la principale cause d’excitation acoustique au niveau du satellite. Le son provient généralement de trois sources. Premièrement, l’excitation principale appelée « bruit de jet » provient du moteur du lanceur. Cette excitation est due au contact du gaz en combustion avec l’air atmosphérique à la sortie de l’échappement et elle est majoritairement dans les 50 Hz et plus. Deuxièmement, l’excitation à basse fréquence est générée par les vibrations des parois structurales de la fusée. Lorsque le lanceur entre en mode vibratoire, le carénage cylindrique de la structure se déforme ce qui a pour conséquence de causer des fluctuations de pression à l’intérieur de la structure. C’est ainsi qu’est causé un rayonnement acoustique vers le satellite. La troisième source principale est le bruit causé par le contact aérodynamique de l’air avec la structure externe de la fusée. Lorsque le lanceur atteint une certaine vitesse, l’écoulement turbulent sur la fusée transmet le son à travers ses parois. Cette excitation apparaît seulement après le décollage et son effet diminue lorsque l’écoulement devient laminaire (Sarafin (1995)).

Panneau sandwich nid d’abeilles

Les panneaux sandwich «honeycomb» sont utilisés dans le domaine aérospatial depuis les années 1940 (Naify (2011)). Composés de faces et d’un corps en forme de nid d’abeilles , ils ont été dès le début très populaires étant donné leurs performances mécaniques. Le plus grand avantage est le ratio entre la rigidité et la masse qui s’avère très élevé. Ainsi, ce matériau est largement utilisé dans les domaines où minimiser la masse est important. La capsule Apollo de la NASA était conçue de panneaux sandwich en aluminium. Depuis ce temps, cette technologie est utilisée dans pratiquement tous les projets aérospatiaux.

Application des composites aux panneaux solaires

L’acoustique du décollage d’un lanceur a pour conséquence de faire fluctuer la pression sur les parois internes ainsi que sur les charges utiles. Ces structures sont alors soumises à une excitation acoustique provoquant des réponses vibratoires, c’est ce que l’on définit par vibroacoustique. Les structures vulnérables pour ce type d’excitation sont celles qui possèdent de faibles densités surfaciques. Cette densité surfacique est simplement le ratio de la masse sur la surface exposée aux ondes sonores.

Analyses modales opérationnelles

Le traitement des résultats obtenus par essais vibratoires traditionnels nécessitent la connaissance des sources d’excitation pour évaluer les paramètres modaux d’une structure. En ce qui concerne l’analyse modale opérationnelle, seules les réponses vibratoires sont utilisées afin de récolter les formes et les fréquences modales. Pour une analyse modale vibroacoustique, cette technique est très avantageuse puisque la source d’excitation peut être ignorée lors de l’analyse. Bien que les outils de mesure acoustique soient très performants, il est plutôt difficile de mesurer exactement la source d’excitation sur une structure puisque le champ acoustique est rarement idéal. Comme l’analyse modale opérationnelle considère l’excitation comme purement aléatoire, les modes d’excitations harmoniques sont donc associés à des modes virtuels possédant un amortissement nul (Gagnon et al. (2006)).