Le module CFRP permet d'économiser du poids sur la conception des fusées

« Ambitieux » peut être une caractérisation sous-estimée lorsqu'il s'agit des objectifs de l'industrie spatiale pour réduire le coût du transport spatial. À titre d'exemple, l'Administration nationale de l'atmosphère et de l'espace des États-Unis (NASA, Washington, DC) rapporte que l'un de ses objectifs est de réduire le coût de mise en orbite terrestre d'une charge utile de 10 000 $/lb aujourd'hui à des centaines de dollars la livre dans un délai de 25 ans, et des dizaines de dollars la livre d'ici 40 ans. Outre-Atlantique, les objectifs sont également ambitieux :l'Agence spatiale européenne (ESA, Paris, France), par exemple, a annoncé son intention pour Ariane 6 fusée pour égaler ou battre le coût de la charge utile par kilogramme du SpaceX (Hawthorne, CA, US) Falcon 9 , estimé à moins de 7 500 $/kg pour l'orbite de transfert géosynchrone (où résident la plupart des satellites) et à moins de 3 000 $/kg pour l'orbite terrestre basse.

Il ne faut donc pas s'étonner que l'allègement structurel des fusées soit poursuivi par de nombreuses organisations de l'industrie spatiale, ou que les matériaux composites soient mis en valeur dans de tels efforts. Le succès de ces activités dépend initialement de la recherche de moyens d'atteindre les objectifs d'allègement tout en respectant les normes déjà établies pour les composants métalliques de base, y compris la géométrie des pièces et les propriétés thermomécaniques.

Heureusement, de telles contraintes n'ont pas empêché la chaire des composites de carbone de l'Université technique de Munich (TUM, Munich, Allemagne) de dépasser les premières estimations d'une possible réduction de 30 % du poids du module de charge utile scientifique d'une fusée de recherche. En fait, le premier module de ce type en polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP), que TUM a conçu et construit dans le cadre du programme Rocket Experiments for University Students (REXUS), a obtenu une réduction de poids de plus de 40 %, rapporte Ralf Engelhardt, chercheur associé à la Chaire. des composites de carbone. Une telle réduction de poids offre de nombreuses options de réduction des coûts pour la mission :charges utiles plus lourdes, apogées plus élevées ou consommation de carburant réduite.

Concevoir dans les conditions aux limites

Le module de fusée de TUM comprend une section de la fusée de recherche REXUS, qui est financée par le Centre aérospatial allemand (DLR, Cologne, Allemagne), l'Agence spatiale nationale suédoise (SNSA, Stockholm, Suède) et l'ESA, et finance des projets universitaires à travers l'Europe . Les fusées de recherche REXUS sont lancées deux fois par an pour permettre l'expérimentation universitaire pendant le vol suborbital. Ils volent à une hauteur maximale de 80 à 100 km, avec une vitesse verticale maximale d'environ 1 200 m/s et une accélération maximale d'environ 20 G. La structure de base des modules de charge utile scientifique est en aluminium, avec un diamètre extérieur de 356 mm et une longueur de 300 mm. Le module TUM CFRP a été conçu pour la mission REXUS 23, pour laquelle la date de lancement actuellement prévue est début 2019.

Alors que le programme REXUS soutient généralement les projets scientifiques universitaires menés à l'intérieur les modules de charge utile scientifique, le projet TUM est unique en ce que le sujet de l'expérience est le module composite lui-même — sa conception, sa fabrication, ses performances et sa qualification pour le vol. « Notre objectif principal était de remplacer l'aluminium par du CFRP, ce qui n'est pas la mission habituelle », souligne Engelhardt.

Le module se compose d'une coque cylindrique en PRFC - 356 mm de diamètre et 300 mm de long, comme l'aluminium d'origine - et de deux bagues d'entrée de charge radiales-axiales composites thermoplastiques (radax), un mâle et une femelle, qui assurent la connexion par boulon aux modules adjacents . La conception CFRP a été créée pour répondre à des exigences de propriétés géométriques et thermomécaniques spécifiques, rendues nécessaires car le module doit fonctionner selon des normes cohérentes avec le reste de la fusée. Pour cette raison, la géométrie du module a été prédéfinie, y compris une exigence pour correspondre à l'épaisseur de paroi de la version en aluminium. Le module devait également atteindre la même rigidité que la version en aluminium. Les caractéristiques du module les moins flexibles sont la géométrie et les propriétés mécaniques des anneaux d'entrée de charge du module, qui doivent maintenir la position et l'intégrité par rapport aux modules auxquels ils sont attachés.

Le module TUM est fabriqué à partir d'un matériau en fibre de carbone/polyétheréthercétone (PEEK), sélectionné pour ses performances mécaniques et thermiques élevées, ainsi que pour sa résistance spécifique et sa rigidité supérieures à celles de l'aluminium. Dans l'assemblage final, une couche de liège est collée à la coque pour fournir une isolation thermique. En plus de la réduction de poids attendue de 30 %, TUM a également poursuivi une approche de fabrication efficace. La conception initiale comprend un concept de fabrication dans lequel les anneaux Radax sont formés à la presse à partir de granulés thermoplastiques à fibres longues (LFT), démoulés et préparés pour l'intégration ; puis le module complet est mis en place à l'aide d'un placement automatisé de fibres thermoplastiques avec consolidation in situ (TP-AFP).

Bien sûr, le module lui-même servant d'« expérience » principale, TUM a eu la possibilité de charger l'équipement nécessaire pour les expériences secondaires à l'intérieur du module. L'équipe a choisi de mesurer les températures internes à la structure composite à l'aide de capteurs à fibre optique (FOS) intégrés. Engelhardt explique que les FOS ont été choisis plutôt que les thermocouples parce que leur diamètre mince et leur forme fibreuse entraînent une réduction minimale des performances mécaniques de la coque en CFRP, et parce que les signaux optiques ne sont pas sujets à des perturbations dans les champs électromagnétiques rencontrés par la fusée. Quatre FOS - en particulier, des capteurs à réseau de Bragg à fibre capsulée (FBG) - sont intégrés pendant la fabrication TP-AFP à différentes positions et profondeurs dans le stratifié, et sont ensuite connectés à un système de mesure à l'intérieur du module qui actionne les capteurs. Le système de mesure collecte et gère les données et fournit une liaison descendante vers la station au sol.

Procédé de fabrication en deux étapes

Pour fabriquer le module, l'équipe de TUM forme d'abord les anneaux. Les granulés Victrex plc (Lancashire, Royaume-Uni) PEEK 450CA30 LFT (contenant de la fibre de carbone dans des longueurs de 2-3 mm) sont pressés dans des moules en forme d'anneau. La presse est chauffée à 390˚C, compactée à des niveaux de force croissants (50-200 kN), puis refroidie et démoulée à 100˚C.

La coque est fabriquée à partir de ruban préimprégné Teijin (Tokyo, Japon) Tenax unidirectionnel en fibre de carbone/PEEK sur l'équipement TP-AFP de l'AFPT GmbH (Doerth, Allemagne). Le processus TP-AFP permet la consolidation in-situ du ruban thermoplastique à température ambiante sur les anneaux d'entrée de charge CFRP. Aucune consolidation à l'autoclave n'est requise et la consolidation sur les anneaux précédemment fabriqués élimine le besoin d'attaches mécaniques ou d'adhésifs supplémentaires. Engelhardt est satisfait du résultat de ce processus en deux étapes. "C'est une nouvelle combinaison", note-t-il. « C'est toujours un défi de réaliser une consolidation in situ avec du ruban thermoplastique, mais ici, nous avons réussi à placer le ruban sur des anneaux monolithiques épais. »

Engelhardt est également satisfait de l'intégration de FOS, qui était un nouveau défi technique. TUM avait de l'expérience dans l'utilisation du FOS dans une résine pure, mais pas dans un stratifié composite, et n'utilisait pas de procédé AFP thermoplastique. L'équipe a relevé ce défi et obtenu des performances de qualification en vol.

Enfin, le module intègre une cloison séparée, qui sert de plaque de montage pour les appareils de mesure. La cloison est thermoformée dans sa forme de dôme à partir d'une feuille organique plate composée du même matériau en fibre de carbone/PEEK que le cylindre du module.

De la conception à la qualification

Pour atteindre la qualification de vol, TUM a fait progresser ce projet à travers un processus complet de test, de simulation et d'évaluation. Tout d'abord, les matériaux ont été caractérisés au niveau du coupon à température ambiante et à une température de service maximale de 135 °C. Les tests de sous-composants ont permis de garantir des performances de cisaillement interlaminaire acceptables de l'interface entre les anneaux et la coque, ainsi qu'une résistance à l'arrachement adéquate des attaches utilisées pour connecter les modules de la fusée. Les données des tests initiaux ont fourni des données pour la simulation et la conception.

L'analyse structurelle par éléments finis a aidé l'équipe à optimiser la superposition de stratifié. Le résultat pour le cylindre est une superposition symétrique de 34 couches (0˚/±15˚/±45˚/90˚). Après la fabrication du module, TUM a effectué des tests à grande échelle. Pour répondre aux charges de qualification de vol, le module a subi des tests de vibration de 0 à 300 Hz à un niveau de fréquence de 0,083 g ² /Hz. Il a également subi un test de flexion, qui a démontré des performances satisfaisantes sous la charge de qualification de 14 kNm.

Plus d'améliorations à venir

La mission REXUS 23 était initialement prévue pour mars 2018, mais a été reportée en raison de difficultés lors d'une précédente mission REXUS. Le lancement est désormais prévu pour fin février ou début mars 2019 depuis Kiruna, en Suède. L'équipe TUM a profité du temps supplémentaire pour construire un deuxième module et le tester/qualifier l'automne dernier. Dans cette nouvelle unité, au lieu de former à la presse les anneaux d'entrée de charge, l'équipe a fait couler les anneaux par centrifugation par Elekem Ltd. (Lancashire, Royaume-Uni). Les matières premières sont les mêmes, dit Engelhardt, et le module d'origine avec les anneaux formés à la presse répondait à toutes les qualifications de vol. Mais le nouveau module fait progresser les performances de l'anneau d'un niveau acceptable plus proche d'un niveau idéal. "Le processus de formage à la presse a encore besoin d'être optimisé", déclare Engelhardt, "mais il est très prometteur."

Un objectif futur, rapporte Engelhardt, et la raison pour laquelle TUM reviendra au formage à la presse à l'avenir, est de fabriquer les anneaux à partir de déchets provenant du processus AFP. « Nous prendrons les découpes et le matériel restant sur un rouleau, le déchiquerons, puis utiliserons ces petits morceaux pour former les anneaux à la presse », explique-t-il. Avec des données et une expérience limitées concernant ce processus de recyclage, TUM n'a pas été en mesure de le mettre en œuvre dans les limites de temps et de budget de son travail de Mission 23. L'espoir est de construire et de qualifier les anneaux fabriqués à partir de matériaux recyclés pour un vol spatial dans un futur proche.

Une fois la mission terminée, TUM utilisera les données FOS pour développer une image plus détaillée des charges thermiques sur le module pendant le vol. Une telle connaissance peut conduire à des modifications du choix des matériaux ainsi que de la conception et du dimensionnement des modules. « Des simulations thermiques ont été effectuées sur la base de mesures précédentes, mais nous aurons bientôt des données réelles », précise Engelhardt. « Nous pouvons constater que nous n'avons pas besoin d'avoir la température de transition vitreuse du PEEK (T_g ) de 143˚C », illustre-t-il. "Un T_g inférieur signifie que nous pourrions éventuellement utiliser un polymère moins cher. »

Un polymère moins cher et l'utilisation de matériaux recyclés contribueront à l'objectif global de l'industrie spatiale de réduire le coût du transport spatial par des ordres de grandeur. Mais la plus grande contribution de l'effort REXUS de TUM est sans aucun doute la réduction de poids de 40 % déjà atteinte.