SYSTÈME DE CONTRÔLE DE L'ENVIRONNEMENT (ECS) page 02
Les principaux composants du système ECS
RAPPEL L'unité de contrôle de l'environnement se situe dans la baie d'équipements gauche. Elle pèse 71,66 kg, mesure 73,66 cm de long, pour 40,64 cm de profondeur et 83,82 cm à son point le plus large. Produite par la division AIResearch de Garret Corp. à Los Angeles, elle regroupe plusieurs sous-systèmes dans une même enceinte : |
Le réservoir à mélange eau/glycol
Ce réservoir en aluminium contient une vessie pressurisée à 138 kPa (20 pounds per square inch (psi)) par l’oxygène provenant du système d’alimentation en oxygène à 20 psi. La vessie stocke 3,78 litres (one gallon) de mélange eau-glycol et a un volume de 3,44 dm³ (210 cubic inches). Le réservoir mesure 18,1 cm × 34,0 cm × 11,9 cm (7,13 par 13,38 par 4.,67 in) et pèse 2,04 kg (4-1/2 lb). Le réservoir sert à complémenter le système en cas de petites pertes et comme accumulateur de secours en cas de défaillance de l’accumulateur principal de la boucle primaire.
Le refroidisseur d'eau
Ce réservoir est constitué d’un serpentin interne en tube d’acier inoxydable avec une entrée et une sortie d’eau de 6,35 mm (1/4 inch) et une entrée et une sortie d’eau-glycol de 15,88 mm (5/8 inch). Le serpentin contient environ 0,378 l (a tenth of a gallon) d’eau. Le mélange eau-glycol circule autour du serpentin, qui contient l’eau, à un débit de 75,7 l par heure (20 gallons an hour) à environ 7,2 °C (45 °F) pour refroidir l’eau. L’eau refroidie est destinée à la consommation de l’équipage.
Les évaporateurs eau-glycol
Au nombre de deux, l'un pour le circuit primaire et l'autre pour le circuit secondaire du liquide réfrigérant. Ils sont constitués de plaques en acier inoxydable spécial résistant à la corrosion et de passages à ailettes pour l’eau-glycol, disposés en une série d’empilements alternés avec des mèches en feutre métallique fritté, alimentées en eau par une plaque percée de très petits orifices (diamètre 0,127 mm / 5/1 000 in). Chaque évaporateur mesure 20,31 cm par 11,93 cm par 16,81 cm et pèse ≈ 8,16 kg piéce.
Les évaporateurs interviennent lorsque les radiateurs seuls ne suffisent pas à évacuer la charge thermique du module. L’eau s’évaporait dans l’évaporateur exposé au vide spatial à basse pression, ce qui refroidissait les plaques de l’appareil ; celles-ci refroidissaient à leur tour le liquide eau-glycol circulant à travers elles, permettant d’abaisser la température du fluide à environ 2,77 à 7,22 °C (37 à 45 °F). Le débit du liquide est d'environ 90 l/h (environ 24 gal/h), et la capacité de refroidissement atteint jusqu’à 8000 Btu par heure (≈ 2 344 W ou ≈ 8,44 MJ/h).
L’état de fonctionnement des évaporateurs pouvait être surveillé en vol via les instruments ECS indiquant la température de sortie du liquide et le débit du liquide, permettant à l’équipage de suivre la performance du refroidissement thermique.
 Évaporateur du circuit glycol. Photo originale, salle des ventes RRAuction (2015) |
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Cartouches d'hydroxyde de lithium (rangement et fonction)
L'ECU du CM est équipé de deux cartouches d’hydroxyde de lithium logées dans des boîtiers en aluminium aux dimensions de 21,6 cm × 50,8 cm × 19,1 cm (8-1/2 × 20 × 7-1/2 in). L’ensemble constitué par les deux cartouches, la vanne de dérivation et les conduits d’entrée et de sortie pèse 8,94 kg (19.7 lb).
Chacun de ces boîtiers renferme une cartouche amovible d’hydroxyde de lithium (LiOH). Ces éléments absorbent le dioxyde de carbone (CO2) expiré par l’équipage. Ils intègrent également du charbon actiff qui élimine les odeurs présentes dans l’atmosphère de la cabine. Chaque élément est dimensionné pour environ 1,5 jour-homme de fonctionnement. En moyenne, 30 éléments sont embarqués pour les missions d’une durée de 8 à 10 jours.
 Ensemble photo de l'absorbeur de dioxyde de carbone et d’odeurs. Images originales Mr Steve Jurveston |
 Schéma, avec et sans couvercle. Images originales NASA |
Pour les opérations à trois membres d’équipage, les éléments étaient remplacés toutes les 24 heures, mais les remplacements étaient décalés de 12 heures entre les cartouches afin de réduire les variations de la pression partielle de CO2 dans la cabine. Les deux cartouches d’hydroxyde de lithium sont intégrées au circuit de circulation d’air du système ECS. L’air est mis en circulation par les ventilateurs du système, dirigé vers l’une des cartouches au moyen d’une vanne de dérivation (diverter valve), puis réinjecté dans l’atmosphère cabine après élimination du dioxyde de carbone et des odeurs.
Nota : Les mesures en vol ont montré que la pression partielle de CO2 dépassait rarement 400 N/m² (≈ 3 mmHg).
L'échangeur de chaleur des combinaisons pressurisées
Il est constitué est constitué de deux empilements séparés de plaques et ailettes en acier inoxydable. Un ensemble est connecté au circuit primaire de refroidissement et l’autre au circuit secondaire, ce qui permet de transférer la chaleur des combinaisons vers le système de refroidissement global du module. L'unité mesure 38,09 cm par 27,93 cm par 13,20 cm. Elle refroidit le gaz des combinaisons à une température comprise entre 10 °C et 12,8 °C (50 °F à 55 °F) et contrôle l’humidité en éliminant l’excès d’eau. L’eau est collectée par des mèches métalliques (metal wicks) et transportée vers le réservoir de stockage des eaux usée via le sous-système de collecte du circuit pressurisé.
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L’échangeur fait partie intégrante du Pressure Suit Circuit (PSC), qui gère la circulation, la pression, la température et l’humidité de l’air des combinaisons pressurisées. L’air circulant est d’abord refroidi par l’échangeur, puis l’excès d’humidité est séparé par les water separators et éventuellement stocké dans le circuit des eaux usées.
Enfin, l’échangeur est intégré dans le Heat Transport Loop du Command Module, qui comprend les radiateurs, les évaporateurs eau-glycol et d’autres échangeurs. Cette intégration permet de transférer efficacement la chaleur des combinaisons vers le système général de gestion thermique du module, assurant ainsi la régulation de température et d’humidité pour l’équipage.
Accumulateurs
Ce sont deux pompes à eau à piston (accumulateurs) situées sur les échangeurs de chaleur des combinaisons pressurisées. Elle collectent le condensat du circuit des combinaisons (PSC) et le pompent dans le réservoir d'eaux résiduaires. Une seule pompe est en fonctionnement à la fois, l’autre restant en mode veille (standby). En mode automatique, chaque pompe effectue un cycle toutes les 10 minutes, assurant un pompage régulier du condensat. Ces pompes jouent un rôle essentiel dans le PSC, permettant l’élimination de l’humidité du circuit de gaz des combinaisons et contribuant ainsi à maintenir la température et l’humidité adéquates pour l’équipage.
Les pompes sont intégrées dans le Pressure Suit Circuit, qui fait partie du système ECS, garantissant que l’eau condensée collectée soit correctement acheminée vers le circuit des eaux usées, et que l’air circulant dans les combinaisons reste conditionné de manière optimale.
Compresseurs des combinaisons pressurisées
Ce sont deux ventilateurs centrifuges en aluminium, de forme conique, fournis par Ai Research, destinés au circuit pressurisé des combinaisons (PSC). Chacun mesure 22 cm de long et 16,51 cm de diamètre, et pèse ~ 4,89 kg (10,8 lb). Un seul ventilateur est utilisé à la fois, l’autre étant disponible en mode standby. Lors de l’opération normale, le compresseur sélectionné assure la circulation des gaz à travers le circuit des combinaisons à environ ~ 849,5 dm³/min (30 ft³/min), générant une pression adéquate pour maintenir le flux d’air dans le PSC.
Chaque compresseur est alimenté en courant triphasé 110 V, 400 Hz, et consomme environ 85 W en fonctionnement normal. La performance du compresseur est surveillée en vol via un indicateur de pression différentielle (SUIT COMPR ΔP) sur le panneau ECS, qui donne une mesure de la pression produite entre l’entrée et la sortie du ventilateur.
Les commutateurs de sélection des compresseurs (SUIT COMPRESSOR 1 et SUIT COMPRESSOR 2) permettent à l’équipage de basculer rapidement entre les deux unités selon l’alimentation électrique disponible et les conditions opérationnelles, assurant une continuité de circulation du gaz dans le PSC.
 Compresseur des combinaisons pressurisées. Photos originales RRAuctions (2022) |
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Échangeur de chaleur de la cabine
L’échangeur thermique de la cabine est une unité en construction “sandwich”, constituée de plaques d’acier inoxydable superposées et de fins canaux pour le passage du fluide. Il mesure 14,47 par 5,66 par 41,14 cm et utilise le mélange eau-glycol comme moyen de transfert thermique.
Il est situé dans la baie d’équipements avant gauche du module de commande et contrôle la température de la cabine en refroidissant le gaz qui le traverse. L’air de cabine passe à travers les plaques, échangeant sa chaleur avec le fluide de refroidissement, qui est ensuite transférée vers le circuit général ECS comprenant les radiateurs et les évaporateurs glycol/eau.
Cette unité joue un rôle crucial dans la régulation thermique globale, maintenant la température et le confort respiratoire pour l’équipage, en coordination avec les autres sous-systèmes ECS du CM.
Réservoir d'appoint/ surpression d'oxygène
Le CM est équipé d’un réservoir d’appoint d’oxygène fabriqué en Inconel, un alliage de nickel et d’acier résistant aux contraintes thermiques et mécaniques. Il est de forme cylindrique, avec un diamètre de 33,01 cm et une hauteur de 35,56 cm, pour une masse de 4,02 kg. Ce réservoir contient 1,67 kg d’oxygène stocké sous une pression d’environ 900 psi (≈ 6,2 MPa), soit un volume interne de 21 dm³(0,742 cu ft). Il est installé dans la baie d’équipements avant gauche du module de commande et se connecte au système de distribution d’oxygène du CSM. En fonctionnement nominal, ce réservoir alimente le système en oxygène lors de la rentrée atmosphérique, assurant que la cabine et les combinaisons pressurisées reçoivent un apport suffisant même lorsque le module subit des variations de pression. En cas d’urgence, il peut délivrer de l’oxygène à débit élevé, apportant un support immédiat au système principal et garantissant la sécurité de l’équipage. La mise en service et la surveillance du réservoir se font via le panneau ECS, où l’équipage peut contrôler l’état du réservoir et sa pression. Cette capacité de secours constitue un élément critique du système de survie et de contrôle atmosphérique du module de commande.
Unité de repressurisation
L’unité de repressurisation est constituée de trois bouteilles d’oxygène enfermées dans un caisson en aluminium. Chaque bouteille contient ~ 453 g (1 lb) d’oxygène stocké à une pression d’environ 6,2 MPa (900 psi). Les bouteilles sont équipées d’une valve de repressurisation permettant de les connecter soit à la cabine, soit aux trois masques à oxygène stockés juste en dessous.
En association avec le réservoir de surpression d’oxygène, cette unité peut repressuriser rapidement la cabine après une EVA ou toute dépressurisation partielle, en restaurant la pression de 0 à 3 psi (~ 20,7 kPa) en environ 2 minutes. L’unité peut également fournir de l’oxygène à trois masques à oxygène stockés juste en dessous des bouteilles ; dans ce mode, la pression est réduite à ~ 0,69 MPa (100 psi) via les régulateurs des masques.
Une manomètre à lecture directe permet à l’équipage de surveiller en temps réel la pression disponible dans les bouteilles et dans la cabine. L’ensemble est situé sous l’écoutille principale du module de commande, facilement accessible pour les opérations d’urgence.
Grâce à cette capacité, l’unité de repressurisation constitue un élément critique du système de survie et de contrôle atmosphérique, garantissant la sécurité de l’équipage lors des EVA et en cas de baisse soudaine de pression cabine.
Réservoir d'eau potable
Il est fabriqué en aluminium et contient à l'intérieur une vessie maintenue sous une pression d’environ 20 psi par le circuit d’oxygène. Il mesure 31,75 cm de diamètre pour une profondeur identique et pèse 3,58 kg.
D’une capacité de 16,1 litres, il sert au stockage de l’eau produite par les piles à combustible. Il est situé dans le compartiment arrière du module de commande.
Réservoir d'eaux usées
En aluminium avec un réservoir souple, il a un diamètre d'environ 31,74 cm et une profondeur de 63,49 cm. Il peut contenir jusqu’à 28 litres. Il stocke les eaux résiduaires provenant de l'échangeur thermique des combinaisons pressurisées et les utilise pour le refroidissement par évaporation. Il est situé dans le compartiment arrière du CM.
Pompes eau-glycol (AiResearch)
Le Command Module est équipé de trois pompes centrifuges de liquide réfrigérant logées dans un boîtier en aluminium mesurant 32,76 × 21,33 × 25,12 cm. Deux pompes servent le système primaire et une seule le système secondaire, offrant une redondance pour le refroidissement du module. Ces pompes font circuler le mélange eau-glycol à travers le système, assurant un débit nominal d’environ 90l/h (~ 24 gal/h) et permettant l’évacuation d’une charge thermique pouvant atteindre ~ 2 344 W (8 000 Btu/h).
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Le système intègre deux accumulateurs de type soufflet en acier inoxydable, un pour chaque circuit, L’accumulateur primaire a un volume de 0,983 dm³, tandis que le secondaire dispose de 0,573 dm³. Une seule pompe est utilisée à la fois pour simplifier la gestion et réduire l’usure, tandis que l’autre reste en réserve. L’ensemble fonctionne sur un circuit électrique triphasé 110 V, 400 Hz.
Radiateur spatial
Un peu d'histoire technique : Le radiateur spatial du système de contrôle environnemental (ECS) pour le vaisseau spatial Apollo a été conçu comme une partie intégrante de la structure du module de service (SM) et consistait initialement en deux panneaux situés sur des côtés opposés du SM. Chaque panneau disposait d’une surface de radiateur de 2,79 m² (30 square feet). Un circuit à quatre tubes et un circuit à six tubes étaient prévus dans chaque panneau, avec un écoulement parallèle à travers les tubes. Trois facteurs ont rendu la configuration sélectionnée inadéquate pour rejeter les charges thermiques du vaisseau spatial. Premièrement, la croissance progressive des besoins en puissance des autres systèmes du vaisseau spatial a entraîné des charges thermiques dépassant la capacité de rejet de chaleur des 5,57 m² (60 square feet) de surface de radiateur (1085 W (3700 Btu/hr) de capacité contre 1420 W (4850 Btu/hr) requis pour un environnement orbital terrestre moyen). La différence entre la capacité et l’exigence devait être rejetée par évaporation d’eau, ce qui limitait la durée de la mission. Comme le radiateur faisait partie intégrante de la structure du SM, il n’était pas pratique d’augmenter la surface sans un impact majeur sur le programme. Deuxièmement, un problème lié à des débits de fluide inégaux à travers les tubes était causé par le fait que les tubes extérieurs de chaque panneau étaient plus longs que les autres tubes. L’effet résultant était amplifié par les surfaces d’ailettes disproportionnellement plus grandes associées aux tubes plus longs. Troisièmement, aucune disposition n’était prévue pour contrôler le débit entre les deux panneaux, qui sont généralement exposés à des environnements radiatifs différents. Lorsque le radiateur était exposé à un environnement froid, la combinaison des tubes extérieurs plus longs, du manque d’isolation thermique par rapport au SM, et des caractéristiques de viscosité du liquide de refroidissement éthylène-glycol et eau à basses températures, induisait une stagnation d’écoulement dans les tubes extérieurs. Un léger changement de plomberie sur les tubes extérieurs a réduit la « sensibilité au déséquilibre de débit », mais il a tout de même été nécessaire d’ajouter une réserve d’eau supplémentaire de 50,8 kg (112 pounds) dans le SM pour fournir la capacité de rejet de chaleur requise pour une mission orbitale terrestre de 14 jours. |
La refonte du CSM (BLOCK II) pour une configuration permettant la mission lunaire a constitué un point de changement approprié pour corriger les déficiences des radiateurs ECS. L’expérience acquise a été utilisée pour éliminer les trois caractéristiques indésirables présentes dans les radiateurs antérieurs. La conception résultante comprend un système de radiateurs primaire et un système de radiateurs secondaire. Le circuit primaire des radiateurs est constitué essentiellement de deux panneaux radiateurs, chacun d’une surface de 4,65 m² (50 square feet), situés sur des côtés opposés du module de service (SM) (fig. 12). Avec cette disposition, un panneau peut être exposé au vide spatial profond au moment où le panneau opposé est exposé à une source de chaleur telle que le Soleil, la Terre ou la Lune. Ces extrêmes environnementaux provoquent de grandes différences dans l’efficacité de chaque panneau et, par conséquent, dans les températures de sortie du fluide.
Le panneau exposé au vide spatial profond peut rejeter plus de chaleur que le panneau recevant un rayonnement externe ; par conséquent, le rejet thermique global du système peut être augmenté en augmentant le débit vers le panneau froid.
L’écoulement à travers les radiateurs est contrôlé par un ensemble de vanne de proportionnement de débit double. En fonctionnement, si une différence de température de sortie entre les panneaux radiateurs apparaît, la vanne de proportionnement de débit est positionnée pour augmenter le débit de liquide de refroidissement vers le panneau radiateur le plus froid. À un écart de température de 5,56 °C (10 °F), la vanne de proportionnement de débit dirige environ 95 % du débit vers le radiateur froid. Un système de proportionnement de débit redondant est prévu ; ce système comprend un réseau logique qui initie et indique un basculement automatique en cas de fonctionnement incorrect.
Dans les situations où la température d’entrée des radiateurs est basse et que les panneaux se trouvent dans un environnement favorable au rejet de chaleur, la température de sortie des radiateurs commence à diminuer, et l’écoulement de dérivation du glycol chaud à l’intérieur du module de commande (CM) est initié. À mesure que davantage de débit est dérivé, la température de sortie des radiateurs diminue. Un réchauffeur en ligne en amont des radiateurs est automatiquement activé lorsque la température du mélange de liquide de refroidissement à la sortie des radiateurs descend à -26,11 °C (-15 °F).
 Panneau radiateur du SM après assemblage à Tulsa |
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En plus du proportionnement de débit et de la commande des réchauffeurs, un système passif de contrôle de la surface radiative effective, appelé stagnation sélective, est intégré. Les deux panneaux radiateurs sont identiques, comportant cinq tubes en parallèle et un tube en série en aval des cinq autres. Les cinq tubes sont équipés de collecteurs dimensionnés pour fournir un débit gradué à travers les tubes individuels. Ainsi, pour des surfaces d’ailettes égales, le tube avec le débit le plus faible présentera la température de sortie la plus basse. À mesure que la température de sortie diminue, la résistance à l’écoulement dans le tube à débit minimal augmente, réduisant encore davantage le débit et la température de sortie. À mesure que la zone d’ailettes autour du tube se refroidit, elle puise de la chaleur du tube adjacent, et le même processus se produit pour chaque tube successif. Dans une condition de stagnation complète, il n’y aura pratiquement plus d’écoulement dans trois tubes. Le tube primaire (celui à résistance minimale) transportera la majeure partie du débit, avec un faible écoulement à travers le tube adjacent.
À mesure que la charge thermique augmente, la température d’entrée des radiateurs augmente ; davantage de chaleur est transférée vers les tubes stagnants, ce qui entraîne des augmentations successives du débit et, finalement, le fonctionnement complet du panneau. Par conséquent, à forte charge thermique, les panneaux fournissent automatiquement une efficacité élevée (panneaux complètement dégelés fonctionnant à une température moyenne de surface élevée) ; et à faible charge thermique, les panneaux fournissent une efficacité faible (panneaux stagnants fonctionnant à une température moyenne de surface basse).
Le radiateur secondaire est prévu comme système de secours en cas de défaillance du système primaire. Ce radiateur est constitué de quatre tubes placés à proximité des tubes les plus chauds du circuit primaire, de sorte que le mélange éthylène-glycol et eau dans les tubes secondaires ne gèle pas lorsque le circuit secondaire est inopérant. Le principe de stagnation sélective n’est pas utilisé dans le radiateur secondaire en raison de la plage de charge thermique plus étroite. Cette absence de mécanisme de contrôle passif rend le circuit secondaire dépendant du système de commande des réchauffeurs à faible charge thermique et de l’évaporateur à haute charge thermique pour réguler la température du liquide de refroidissement éthylène-glycol et eau.
L'éthylène glycol
L’éthylène glycol, appartenant à la classe des alcools dihydroxylés, est un composé stable (CH2OH-CH2OH), liquide hygroscopique, incolore et sirupeux, de saveur douceâtre, utilisé comme base de nombreux antigels. Dans le cadre du système de refroidissement du CSM, il est mélangé à de l’eau dans un rapport de 62,5 % de glycol pour 37,5 % d’eau, formant ainsi un liquide de réfrigération. Ce fluide est utilisé pour transporter la chaleur vers les radiateurs spatiaux depuis la cabine, les combinaisons spatiales, l’équipement électronique et le refroidisseur d’eau potable. Il peut également fournir chauffage ou refroidissement à la cabine, selon les besoins.
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D'après le PDF Apollo Command Module News Reference (1968), texte de Paul Cultrera, tous droits réservés.