| |
La prochaine génération de protection thermique, au premier rang
desquelles les revêtements utilisés sur les lanceurs et véhicules
de transport est déjà à l'étude. Cela représente un vrai défi d'autant
plus que les futurs lanceurs s'appuieront sur des étages réutilisables
et que l'activité humaine en orbite basse va monter crescendo nécessitant
de nouveau moyen de transports spatiaux.
Cela passe par le développement de nouveaux matériaux plus résistants
à la chaleur, plus légers et dotés d'un certain niveau de
réutilisabilité en ligne avec une période de maintenance
n'excédent pas quelques semaines.
Pour les engins spatiaux, notamment ceux qui redescendent sur Terre
avec des astronautes, la rentrée atmosphérique doit freiner le véhicule
sans l'endommager. Comme l'a malheureusement montré la tragédie
de ,
la rentrée constitue la phase critique de leur retour sur Terre.
Une fissure de quelques centimètres dans une des tuiles de la protection
thermique du bord d'attaque de l'aile gauche est à l'origine de
la désintégration de la navette en plein vol (février 2003).
La traversée de l'atmosphère ne peut se faire que si le véhicule
de transport est recouvert d'une protection thermique capable d'encaisser
des températures qui peuvent s'élever à 2000°C au contact des parois.
'Des températures qui ne sont même pas atteintes dans l'industrie
sidérurgique, et qui correspondent à la périphérie d'un coeur nucléaire',
comme le rappelle l'.
De fait, le revêtement (Thermal Protection System ou TPS)
doit à la fois être isolant, léger et facile à assembler. Aujourd'hui,
les protections thermiques des véhicules de transport spatiaux,
que ce soient la navette ou les capsules Soyouz ont comme inconvénients
principaux qu'elles nécessitent une maintenance longue et coûteuse
(dans le cas de la )
ou ne sont pas réutilisables dans le cas des capsules Soyouz qui
ne sont jamais utilisées une seconde fois. Enfin, dans les 2 cas,
ces TPS sont très lourdes.
La prochaine génération de TPS se doit donc de gommer ces défauts.
Pre-X, Orion et lanceurs réutilisables
La NASA, l'ESA et le CNES ont donc engagé des programmes de recherche
exploratoires qui vont dans cette direction.
est un des programmes du CNES qui aborde cette problématique. Il
s'agit d'un démonstrateur de technologies avancées qui vise à démontrer,
pour la 1ère fois en Europe, la maîtrise de la rentrée atmosphérique
planée, c'est-à-dire à la manière d'un avion. Prévu en 2011 / 2012,
ce démonstrateur doit également tester pendant son vol différents
types de protection thermique de façon à sélectionner la plus résistance.
Reste que ce programme est en souffrance budgétaire de sorte que
le
souhaite l'européaniser en l'intégrant dans le programme
de l'Agence spatiale européenne de façon à lui faire franchir un
palier supplémentaire et sécuriser son financement.
Parmi les programmes de la NASA les plus connus on citera celui
d'.
Cette capsule sera équipée d'un en cours de développement et dont un premier prototype
a base de tuiles en PICA a été construit par Boeing et subi
ces premiers essais de conformité.
Quant à l'US Air Force, qui planche sur des concepts de lanceurs
réutilisables, pour succéder aux lanceurs , elle a récemment signé un contrat avec Northrop Grumman
de façon à tester et de nouvelles combinaisons de matériaux pour
la construction d'étages et de différents types de protection thermique.
Certaines combinaisons de matériaux utilisés aujourd'hui dans l'industrie
spatiale sont connues pour résister à des températures élevées,
mais ne sont pas capables de supporter une rentrée atmosphérique.
Bref tout ça pour dire que ce que recherche dans l'absolu les ingénieurs,
c'est LE matériau ne nécessitant pas de revêtement thermique.
Un doux rêve qui, s'il se concrétise, aurait un impact significatif
sur les performances d'un lanceur, en terme de masse, de performance
et de coût. En attendant, et de façon plus pragmatique, les recherches
visent à déterminer l'intérêt d'utiliser tels ou tels matériaux
et autres alliages dans la composition d'une TPS en terme de solidité,
de fiabilité et de masse. Il s'agit de savoir voir quels matériaux
utilisés pour la construction d'un étage sont à même de supporter
des températures élevées de façon à limiter autant que possible
l'utilisation d'un revêtement thermique.
Explication
Notez que la température maximum n'est pas forcément le critère
le plus déterminant dans la conception d'une protection thermique.
En effet, la température atteinte dépend de l'angle de la trajectoire
de rentrée. Si cet angle de rentrée est trop faible, il y a un risque
de ricocher et d'être renvoyé dans l'espace. Par contre, s'il est
un peu plus élevé, on aura une rentrée et la température du bouclier
thermique ne montera peut-être pas très haut mais la rentrée durera
plus longtemps et au bout du compte la température au cœur de la
capsule deviendra trop forte. Enfin, si l'angle de rentrée est fort
(plus près de la verticale), la température du bouclier et les décélérations
risquent d'être trop élevées.
L'optimisation du système doit donc prendre en compte tous ces paramètres.
La température de surface au point le plus chaud d'un bouclier thermique
peut atteindre typiquement 3000 degrés. Une première couche
de matériau est sacrifiée, on parle de matériau ablatif. La couche
superficielle du matériau ablatif se pyrolyse, ce qui absorbe pas
mal d'énergie, la couche de matériau ablatif immédiatement en arrière
sert d'isolant thermique et absorbe aussi de la chaleur.
Matériaux
Un bon exemple de matériau ablatif est le liège, mélangé
à une résine.
Un autre matériau, dit structural est utilisé derrière le matériau
ablatif, ce matériau peut être métallique ou non métallique. Le
choix du matériau structural impose pratiquement l'épaisseur de
matériau ablatif nécessaire pour le protéger et une structure en
alliage d'aluminium comme celle de l'ARD () peut supporter une température
de l'ordre de 180 °C, il lui faut donc beaucoup de matériau ablatif.
Si on utilise de l'acier inox, on doit pouvoir le faire travailler
jusqu'à 400-500 °C, le beryllium ou les alliages de titane
encore plus haut. Mais le beryllium est rare (du moins en Europe),
le titane mais surtout l'acier sont lourds. Les matériaux composites
carbone-carbone (C-C) et carbone-carbure de silicium
(C-SiC) sont légers et peuvent en principe supporter des températures
de 1500-1700 °C. Par précaution on choisira de ne pas dépasser 1200-1300
°C.
Cependant une structure chaude n'est un avantage que si l'on dispose
d'une isolation intérieure très légère, car les équipements ou l'équipage
à l'intérieur du corps de rentrée doivent rester dans des conditions
proches de l'ambiante, disons à une température inférieure à 40
degrés.
On peut mettre beaucoup de matériau ablatif collé sur une structure
relativement froide avec peu d'isolation intérieure (cas de l'ARD)
ou au contraire, mettre peu d'ablatif sur un matériau structural
supportant des températures élevées et disposer une isolation intérieure
très performante comme le Sepcore par exemple.
Charge thermique
Enfin dernier paramètre à prendre le compte, la chaleur qui est
stockée dans la TPS.
On parle de charge thermique. Si on ne faisait rien, l'énergie stockée
dans le TPS finirait par diffuser par conduction, après l'atterrissage,
dans tout le véhicule et la température moyenne atteinte ferait
courir des risques aux astronautes ou aux équipements. C'est pour
cela qu'on arrose la navette avant d'ouvrir les portes (le
TPS pyrolysé émet aussi des gaz qui pourraient également intoxiquer
les astronautes si on ouvrait les portes trop rapidement).
Le TPS des cabines Apollo était refroidi par l'amerrissage.
Je ne sais pas comment font les russes avec leurs capsules Soyuz,
mais ils doivent aussi refroidir le TPS pour éviter de faire cuire
les cosmonautes dans la capsule. Et sur les sondes martiennes,
on largue le bouclier thermique afin de se débarrasser de sa charge
calorifique.
|
