Développement d'un réservoir cryogénique sphérique entièrement composite sans doublure

Les véhicules de lancement pour les voyages spatiaux nécessitent beaucoup de carburant et beaucoup de stockage de carburant. Les propergols de fusée typiques tels que l'oxygène, l'hydrogène et l'azote peuvent être stockés sous forme de gaz à température ambiante, mais comme les gaz sont de densité relativement faible, le stockage de suffisamment de propergols pour un lancement spatial nécessiterait de très grands réservoirs, ce qui augmenterait le poids du vaisseau spatial et limiterait sa capacité de charge utile. Ces propulseurs sont donc idéalement stockés à une densité plus élevée sous forme de liquides, ce qui permet d'utiliser des réservoirs plus petits et moins nombreux pour les stocker, mais de nombreux propulseurs courants doivent être refroidis à des températures ultra-froides (également appelées cryogéniques, et faisant généralement référence à températures inférieures à -150°C ou -238°F) pour exister sous forme de liquides.

À cette fin, en avril 2020, Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Oklahoma, États-Unis) a annoncé le développement d'un réservoir cryogénique sphérique, sans doublure et entièrement composite – un récipient sous pression pour stocker des propergols cryogéniques sur des lanceurs spatiaux propulsés par fusée.

Les récipients sous pression sans doublure - également connus sous le nom de type V - sont depuis longtemps un objectif dans la conception de réservoirs de stockage haute pression composites en fibre de carbone. Traditionnellement, les récipients sous pression des types I à IV ont incorporé au moins un certain pourcentage de métal, au moins en tant que revêtement entre le gaz ou le liquide stocké et l'extérieur composite (type IV). L'élimination des composants métalliques réduit considérablement le poids du réservoir, entraînant, dans le cas des réservoirs de stockage de carburant pour les engins spatiaux, soit une réduction des coûts de lancement du véhicule, soit une augmentation de la capacité de charge utile.

Cependant, les conceptions entièrement composites pour les combustibles cryogéniques comme l'azote liquide ou l'oxygène liquide ont tendance à provoquer le problème insaisissable de la microfissuration dans le stratifié. Comme un stratifié composite est exposé à des températures extrêmes telles que le refroidissement à des niveaux cryogéniques, la différence de coefficients de dilatation thermique (CTE) entre chaque pli peut entraîner des fissures et des fuites. De nombreux systèmes de résine deviennent également fragiles à des températures cryogéniques, ce qui aggrave le problème. D'après Matt Villarreal, PDG d'ICT, Infinite Composites Technologies a développé un réservoir cryogénique sans doublure qui élimine les problèmes de microfissuration.

Selon Villarreal, les réservoirs de stockage cryogéniques tout composites - les réservoirs sphériques, en particulier en raison de leur empreinte réduite - sont considérés par beaucoup comme une technologie habilitante clé pour l'exploration et la survie à long terme dans l'espace. Bien que de nombreux atterrisseurs lunaires en cours de développement par des agences spatiales telles que la NASA intègrent une conception de réservoir sphérique, dit-il, jusqu'à présent, les réservoirs sphériques étaient tous des sphères métalliques plus lourdes et moins économes en carburant ou des récipients sous pression sphériques métalliques recouverts de composite (COPV). Le réservoir tout composite d'ICT, appelé CryoSphere, offre le potentiel d'une option plus légère et plus économe en carburant pour stocker le carburant.

Des voitures de course aux fusées

Avant que les réservoirs cryogéniques ne fassent partie du tableau, Villarreal et son partenaire commercial Michael Tate ont commencé leur carrière dans la conception de récipients sous pression composites alors qu'ils étaient à l'université à l'Oklahoma State University (Stillwater, Okla., États-Unis). En 2008, ils ont rejoint la petite équipe de Formule SAE de l'école, qui travaillait sur la conception d'un véhicule de style Formule 1 à l'échelle d'un quart pour participer à un événement international à venir de la compétition collégiale d'ingénierie et de conception de Formule SAE. Pour attirer le financement indispensable des sociétés locales de gaz naturel, Villarreal et Tate ont aidé à convertir le véhicule de l'équipe pour qu'il fonctionne au gaz naturel comprimé (GNC), mais ont découvert que le réservoir de stockage de GNC entièrement métallique qu'ils utilisaient était si lourd qu'il affectait le consommation de carburant au point qu'ils ont dû faire le plein de la voiture plusieurs fois au cours de l'épreuve d'endurance de 24 heures de la compétition.

"Après la course, nous sommes retournés et avons fait des recherches, et avons découvert que la masse du réservoir était un problème majeur dans de nombreuses industries différentes, et était une technologie habilitante clé pour l'énergie propre pour le transport et l'exploration spatiale", a déclaré Villarreal.

Au cours de leurs recherches sur les technologies qui facilitent l'allègement des réservoirs de GNC, Villarreal dit que lui et Tate ont commencé à réfléchir à des concepts pour les réservoirs composites sans doublure de type V, salués dans l'industrie comme le « Saint Graal » des appareils à pression. Plus tard en 2008, Villarreal et Tate ont lancé une société appelée CleanNG LLC pour, initialement, développer des réservoirs à haute pression pour le stockage de gaz naturel. Depuis 2013, le récipient sous pression infiniCPV cylindrique tout en fibre de carbone de la société est utilisé dans des applications au sol et industrielles pour stocker, tel qu'il a été initialement conçu, du gaz naturel comprimé et, de plus en plus, des gaz comprimés de krypton, d'azote et d'hélium. .

Alors que la société poursuivait ses travaux sur la conception de ses récipients sous pression, a déclaré Villarreal, les entreprises qui construisaient des véhicules spatiaux ont commencé à contacter CleanNG avec un financement de recherche et développement pour développer des versions de leurs réservoirs à utiliser sur des engins spatiaux. "Après un certain temps, l'analyse de rentabilisation est devenue plus attrayante pour l'espace", explique Villarreal.

En 2016, la société a changé son nom pour Infinite Composites Technologies, et dans les années qui ont suivi, les TIC se sont principalement concentrées sur des projets spatiaux commerciaux, bien que Villarreal indique que la société travaille également sur des applications de défense telles que les carters de moteurs de fusée ainsi que les avions militaires et sans pilote. véhicules aériens. Dans le cadre de cette transition, la conception du réservoir cylindrique infiniCPV a été intégrée dans plusieurs lanceurs de fusées qui devraient voler en 2020.

Le CryoSphere, dit Villarreal, est essentiellement une évolution du réservoir infiniCPV original.

Développement de la cryosphère

Alors que l'attention des TIC se tournait de plus en plus vers les besoins des engins spatiaux, Villarreal a déclaré :« Nous avons commencé à voir une tendance selon laquelle le véritable défi consistait à fabriquer des réservoirs cryogéniques composites. » Les réservoirs cryogéniques, ou réservoirs cryogéniques, sont des récipients sous pression spécialement conçus pour résister non seulement à des pressions élevées, mais également à des températures extrêmement basses, telles que les températures inférieures à 200 ° F requises pour le stockage d'azote liquide, d'oxygène liquide, de méthane liquide ou d'autres combustibles et oxydants utilisés. pour alimenter les lanceurs spatiaux.

La société a demandé un financement à l'État de l'Oklahoma et a reçu une subvention de 300 000 $ sur trois ans du Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST) en 2013 pour la caractérisation des matériaux et les tests au niveau des matériaux d'un concept de cryotank. « Le projet a connu un succès modéré », déclare Villarreal. "Nous avons trouvé de bons candidats matériels et avions une bonne indication que nous pouvions aller de l'avant avec le concept et commencer à postuler pour d'autres choses."

ICT a présenté son concept de cryotank au Johnson Space Center de la NASA (Houston, Texas, États-Unis) en 2018, et a ensuite lancé un projet de développement rapide pour un cryotank composite à utiliser dans un véhicule de démonstration d'atterrisseur lunaire - un véhicule qui était, selon Villarreal, similaire au précédent Morpheus de la NASA véhicule d'essai à décollage et atterrissage verticaux (VTVL). Les exigences de performance du réservoir comprenaient la capacité de résister à 10 cycles d'azote liquide (LN2) à une pression de 100 psi, impliquant une chute de température jusqu'à -290°F puis un retour à la température ambiante. De plus, le réservoir ne pouvait pas chuter de plus de 10 psi au cours d'un contrôle d'hélium de 30 minutes entre chaque cycle LN2, et il devait résister à un sursaut cryo post-cycle de 1 000 psi (± 100 psi).

La première série d'essais sur un cryobroyeur cylindrique a été un succès partiel, n'ayant survécu qu'à cinq cycles cryogéniques. « Nous avons accéléré le projet et avons essentiellement tourné la conception en huit semaines environ », explique Villarreal. "C'était une course folle", admet-il, "et le réservoir a survécu à quelques cycles thermiques, mais ensuite il a commencé à fuir." Le problème était des microfissures dans le stratifié. L'équipe a terminé les tests, puis « est retournée à la planche à dessin », explique Villarreal.

« La technologie de base réside dans les matériaux », déclare Efren Luevano, responsable de l'ingénierie chez ICT. La CryoSphere est composée de fibre de carbone Toray (Tokyo, Japon) T800 et d'une résine époxy, et fabriquée par enroulement filamentaire, durcie à température ambiante et post-durcie dans un four industriel (par opposition à un autoclave) dans l'usine ICT de Tulsa.

Essayant de résoudre le dilemme de la microfissuration, ICT a commencé à tester plusieurs types d'additifs au sein d'une matrice exclusive de résine époxy durcie chimiquement, à différentes concentrations. Au cours du processus, l'équipe a découvert une combinaison de deux additifs qui, lorsque le réservoir a été à nouveau testé, ont permis à la conception de répondre aux exigences thermiques. L'un d'eux est le graphène.

"Pour ce cas, nous utilisons le graphène comme renfort mécanique à l'échelle nanométrique", explique Villarreal. Il explique que les plaquettes de graphène, fournies par Applied Graphene Materials (Cleveland, Royaume-Uni), s'étendent à travers l'espace entre les fibres et créent un obstacle à la formation de fissures dans le stratifié. Le graphène améliore également la force des liaisons entre les couches.

"Ce que vous essayez de faire, c'est de maintenir les fibres en place pendant que vous pressurisez le réservoir et appliquez la charge sur le réservoir", explique Villarreal. À basse température, la résine devient cassante et commence à se fracturer - à mesure que la pression est ajoutée aux fibres, elles commencent à glisser les unes sur les autres et à rompre les liaisons chimiques entre elles, dit-il. Les plaquettes de graphène agissent comme un renfort mécanique entre les couches de fibres, réduisant ainsi le risque de mouvement et de fracture.

Un additif exclusif supplémentaire est également incorporé dans la matrice, rendant le stratifié plus ductile à basse température et créant plus de propriétés isolantes dans le stratifié. En plus de la microfissuration, «[l'isolation est] l'un des défis de ces cryotanks», explique Villarreal. Lors des tests, la nouvelle conception CryoSphere incorporant la résine améliorée au graphène a pris près d'une heure avec de l'azote liquide "pour montrer des signes extérieurs de froid". Bien qu'il n'y ait pas eu d'exigence particulière pour cela, il ajoute que sur les réservoirs précédents qu'ils avaient testés avec de l'azote liquide, du givre s'était formé sur la surface externe du réservoir dans les 10 minutes suivant le remplissage du réservoir avec de l'azote liquide.

En plus de la compatibilité cryogénique, Luevano ajoute que la conception sphérique était un défi en soi. Selon Villarreal, l'avantage de la forme sphérique est qu'elle permet une meilleure efficacité d'emballage pour les applications avec des exigences de taille strictes ou spécifiques, telles que les atterrisseurs lunaires. Cependant, l'un des défis était que le potentiel de glissement pendant la fabrication était plus important sur une surface sphérique que sur une surface cylindrique, ce qui, selon Villarreal, était dû à la fois à l'angle d'enroulement nécessaire et au fait que la finition de surface sur le mandrin ne créait pas suffisamment de friction pour maintenir les fibres imprégnées humides en place, ce qui rendait le contrôle et la pose des fibres plus difficiles. Un autre défi était que le logiciel de conception de modèles utilisé par l'équipe était optimisé pour les cylindres et ne pouvait pas générer de modèles réalisables pour la sphère en utilisant un flux de travail normal. "Nous avons dû faire preuve de créativité avec des solutions de contournement", ajoute-t-il.

La conception sphérique a également aidé à résoudre le problème de la microfissuration - un avantage non intentionnel, selon Villarreal. L'équipe s'est rendu compte lors d'une première itération de conception qu'il y avait une différence de température d'environ 150 ° F entre le fond du réservoir et le haut du réservoir, causée par le processus de remplissage d'une heure au cours duquel l'azote liquide était assis au fond de la moitié du réservoir à -290°F tandis que l'azote gazeux remplissant la moitié supérieure n'était qu'à -140°F. "Lorsque vous obtenez ces gradients de température très prononcés dans le stratifié, cela peut provoquer des fractures, car une partie essaie de s'étirer à un rythme différent de l'autre", explique Villarreal. Ce gradient entre le haut et le bas du réservoir est atténué grâce à une forme sphérique plus petite, ce qui contribue à réduire la disparité de température.

Nouvelle conception optimisée en main, ICT a signé un contrat fin 2019 avec le Kennedy Space Center de la NASA (Cap Canaveral, Floride, États-Unis) pour fournir deux réservoirs cryogéniques sphériques pour les tests qui étaient la moitié de l'échelle du Morpheus chars d'atterrissage. "Nos CryoSpheres ont terminé tous les tests du cycle thermique avec des contrôles d'hélium entre chaque cycle pour s'assurer que les microfractures ne s'étaient pas développées", a déclaré Villarreal. « À notre connaissance », ajoute-t-il, « il y avait trois autres fournisseurs en lice pour ce contrat, mais au moment où nous avons terminé les tests, aucun des autres fournisseurs n'avait encore créé ses premiers prototypes. »