Conception d'un réservoir cryogénique sphérique sans liner, tout composite, pour le stockage de propergols spatiaux

Les lanceurs spatiaux nécessitent d'importantes quantités de carburant, et donc de stockage. Les propergols classiques comme l'oxygène, l'hydrogène et l'azote peuvent être stockés sous forme gazeuse à température ambiante, mais leur faible densité imposerait des réservoirs très volumineux, alourdissant le véhicule spatial et limitant sa charge utile. Ces propergols sont idéalement stockés sous forme liquide à plus haute densité, permettant des réservoirs plus petits et moins nombreux, mais beaucoup doivent être refroidis à des températures ultra-froides (cryogéniques, généralement inférieures à -150 °C, soit -238 °F) pour liquéfier.

En avril 2020, Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Oklahoma, États-Unis) a annoncé le développement d'un cryoréservoir sphérique, sans liner, tout composite — un récipient sous pression pour le stockage de propergols cryogéniques sur les lanceurs spatiaux à propulsion par fusée.

Le défi du « Type V » : éliminer le métal

Les récipients sous pression sans liner — dits de Type V — sont un objectif de longue date dans la conception de réservoirs composites haute pression. Les récipients des Types I à IV intègrent traditionnellement au moins une part de métal, ne serait-ce qu'un revêtement entre le fluide stocké et l'enveloppe composite (Type IV). L'élimination des composants métalliques réduit considérablement le poids du réservoir, ce qui, pour les réservoirs de carburant de vaisseaux spatiaux, se traduit soit par une réduction des coûts de lancement, soit par une augmentation de la capacité d'emport.

Cependant, les conceptions tout composite pour carburants cryogéniques comme l'azote ou l'oxygène liquides se heurtent au problème insaisissable de la microfissuration du stratifié. Face à des températures extrêmes, la différence de coefficients de dilatation thermique (CTE) entre chaque pli peut provoquer fissures et fuites. De nombreux systèmes de résine deviennent également fragiles à température cryogénique, aggravant le phénomène. Selon le PDG d'ICT, Matt Villarreal, l'entreprise a développé un cryoréservoir sans liner qui élimine ces problèmes de microfissuration.

D'après Villarreal, les réservoirs de stockage cryogéniques tout composites — particulièrement les sphériques, de par leur encombrement réduit — sont considérés comme une technologie clé pour l'exploration et la survie à long terme dans l'espace. Bien que de nombreux atterrisseurs lunaires en développement par des agences comme la NASA intègrent un design sphérique, jusqu'ici tous étaient des sphères métalliques plus lourdes ou des récipients sous pression composites sur enroulement métallique (COPV). Le réservoir tout composite d'ICT, nommé CryoSphere, offre une option plus légère et plus efficiente pour le stockage de carburant.

Des voitures de course aux fusées

Avant les cryoréservoirs, Villarreal et son associé Michael Tate ont débuté dans la conception de récipients sous pression composites pendant leurs études à l'Université d'État de l'Oklahoma (Stillwater, Oklahoma, États-Unis). En 2008, ils ont rejoint l'équipe Formula SAE de l'école, qui travaillait sur un véhicule de type Formula One à l'échelle quart pour une compétition internationale. Pour attirer des financements d'entreprises locales de gaz naturel, ils ont converti le véhicule au gaz naturel comprimé (GNC), mais le réservoir de stockage GNC tout métal était si lourd qu'il affectait l'efficience énergétique, imposant de nombreux ravitaillements lors de l'épreuve d'endurance de 24 heures.

« Après la course, nous avons fait des recherches et découvert que la masse des réservoirs était un problème majeur dans de nombreuses industries, et une technologie clé pour l'énergie propre dans les transports et l'exploration spatiale », explique Villarreal.

Lors de leurs recherches sur les technologies allégeant les réservoirs GNC, ils ont commencé à concevoir des concepts de réservoirs composites Type V, sans liner, considérés comme le « Saint Graal » des récipients sous pression. Fin 2008, ils ont fondé CleanNG LLC pour développer des réservoirs haute pression pour le stockage de gaz naturel. Depuis 2013, le récipient sous pression cylindrique tout composite infiniteCPV de l'entreprise est utilisé dans des applications terrestres et industrielles pour stocker, comme prévu initialement, du gaz naturel comprimé, et de plus en plus du krypton, de l'azote et de l'hélium comprimés.

Au fil du développement, des constructeurs de véhicules spatiaux ont contacté CleanNG avec des financements R&D pour adapter leurs réservoirs aux engins spatiaux. « Au bout d'un moment, le cas économique est devenu plus attractif pour le spatial », note Villarreal.

En 2016, l'entreprise a changé de nom pour devenir Infinite Composites Technologies, et s'est concentrée principalement sur les projets spatiaux commerciaux, tout en travaillant sur des applications de défense comme les enveloppes de moteurs-fusées, les avions militaires et les drones. Dans cette transition, le design cylindrique infiniteCPV a été intégré à plusieurs lanceurs attendus pour 2020.

La CryoSphere, selon Villarreal, est essentiellement une évolution du réservoir infiniteCPV original.

Développement de la CryoSphere

Alors que l'activité d'ICT se tournait vers les besoins des engins spatiaux, Villarreal explique : « Nous avons commencé à voir une tendance : le vrai défi était de fabriquer des cryoréservoirs composites. » Les cryoréservoirs sont des récipients sous pression conçus pour résister non seulement à de hautes pressions, mais aussi à des températures extrêmement basses, comme les -200 °F requis pour le stockage d'azote liquide, d'oxygène liquide, de méthane liquide ou d'autres carburants et comburants utilisés sur les lanceurs spatiaux.

L'entreprise a obtenu un financement de l'État d'Oklahoma : une subvention de trois ans, 300 000 $, du Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST) en 2013 pour la caractérisation matériaux et les tests au niveau matériau d'un concept de cryoréservoir. « Le projet a été modérément réussi », dit Villarreal. « Nous avons identifié de bons candidats matériaux et eu une bonne indication que nous pouvions aller de l'avant avec le concept et postuler à d'autres appels. »

ICT a présenté son concept à la NASA Johnson Space Center (Houston, Texas, États-Unis) en 2018, puis a lancé un projet de développement rapide d'un cryoréservoir composite pour un démonstrateur d'atterrisseur lunaire — un véhicule similaire au précédent véhicule d'essai VTVL (décollage et atterrissage verticaux) Morpheus de la NASA. Les exigences de performance incluaient la tenue à 10 cycles d'azote liquide (LN2) à 100 psi, avec une chute de température à -290 °F puis retour à température ambiante. Le réservoir ne devait pas perdre plus de 10 psi lors d'un test hélium de 30 minutes entre chaque cycle LN2, et devait résister à un essai d'éclatement cryogénique post-cycle à 1 000 psi (±100 psi).

Le premier test sur un cryoréservoir cylindrique fut un succès partiel : seulement cinq cycles cryogéniques survivés. « Nous avons accéléré le projet et refait le design en environ huit semaines », raconte Villarreal. « Ce fut une course folle, et le réservoir a survécu à quelques cycles thermiques, puis a commencé à fuir. » Le problème : la microfissuration du stratifié. L'équipe a terminé les tests et est « revenue à la planche à dessin ».

La solution matériaux : graphène et additif propriétaire

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

Pour résoudre le dilemme de la microfissuration, ICT a mené des tests itératifs de plusieurs types d'additifs dans une matrice époxy propriétaire à durcissement chimique, à différentes concentrations. L'équipe a découvert une combinaison de deux additifs qui, lors des nouveaux tests, a permis au design de répondre aux exigences thermiques. L'un d'eux est le graphène.

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

« L'objectif est de maintenir les fibres en place quand on met le réservoir sous pression et qu'on applique la charge », poursuit Villarreal. À basse température, la résine devient fragile et se fracture — sous la pression, les fibres commencent à glisser les unes sur les autres et rompent les liaisons chimiques entre elles. Les plaquettes de graphène agissent comme renfort mécanique entre les couches de fibres, réduisant la probabilité de mouvement et de fracture.

Un additif propriétaire supplémentaire est aussi incorporé dans la matrice, rendant le stratifié plus ductile à basse température et créant des propriétés plus isolantes. Outre la microfissuration, « l'isolation est l'un des défis de ces cryoréservoirs », note Villarreal. Lors des tests, le nouveau design CryoSphere avec résine enrichie au graphène a mis près d'une heure avec de l'azote liquide « pour montrer des signes extérieurs de froid ». Sur les réservoirs précédents testés avec de l'azote liquide, du givre s'était formé sur la surface externe en 10 minutes.

Les défis de la géométrie sphérique

Luevano ajoute que le design sphérique fut un défi en soi. Selon Villarreal, l'avantage de la forme sphérique est une meilleure efficacité d'empaquetage pour des applications aux exigences de taille strictes, comme les atterrisseurs lunaires. Mais le risque de glissement des fibres lors de la fabrication était plus grand sur une surface sphérique que cylindrique, dû à l'angle d'enroulement nécessaire et à la finition de surface du mandrin qui ne créait pas assez de friction pour maintenir les fibres imprégnées en place — ce qui rendait le contrôle et le dépôt des fibres plus difficiles. Un autre défi : le logiciel de conception de motifs d'enroulement était optimisé pour les cylindres et ne pouvait générer de motifs faisables pour une sphère avec le flux de travail normal. « Nous avons dû être créatifs avec des contournements », ajoute-t-il.

Le design sphérique a aussi aidé involontairement sur la microfissuration. L'équipe a réalisé qu'il y avait environ 150 °F de différence de température entre le fond et le haut du réservoir, causée par le processus de remplissage d'une heure où l'azote liquide stagnait au fond à -290 °F tandis que l'azote gazeux dans la partie supérieure n'était qu'à -140 °F. « Quand vous avez de tels gradients thermiques aigus dans le stratifié, cela peut causer des fractures, car une partie essaie de se dilater à un rythme différent d'une autre », explique Villarreal. Ce gradient est atténué par la forme sphérique plus compacte, réduisant la disparité de température.

Avec le design optimisé en main, ICT a signé un contrat fin 2019 avec le Kennedy Space Center de la NASA (Cap Canaveral, Floride, États-Unis) pour livrer deux réservoirs cryogéniques sphériques à demi-échelle des réservoirs cylindriques de l'atterrisseur Morpheus. « Nos CryoSpheres ont réussi tous les tests de cycles thermiques avec vérifications hélium entre chaque cycle pour s'assurer qu'aucune microfissure ne s'était développée », dit Villarreal. « À notre connaissance, trois autres fournisseurs étaient en lice pour ce contrat, mais au moment où nous avions terminé les tests, aucun n'avait même créé son premier prototype. »

Prochaines étapes vers le vol spatial

Les tests se poursuivent. ICT a aussi obtenu un financement pour le programme MISSE de la NASA, qui envoie des matériaux sur la Station Spatiale Internationale (ISS) à des fins expérimentales. Pour cela, ICT a créé des sphères de deux pouces et demi de diamètre — une taille développée principalement pour les tests mais qui, selon Villarreal, pourrait servir dans des systèmes pneumatiques pour robots. « Elles ressemblent étrangement à de minuscules grenades », note-t-il. ICT a livré cinq CryoSpheres au Langley Advanced Research Center de la NASA (Hampton, Virginie, États-Unis) en février 2020. Le lancement MISSE vers l'ISS était prévu pour août 2020, mais reporté à probablement novembre. Une fois sur l'ISS, les CryoSpheres seront placées à l'extérieur de la station et étudiées pendant environ six mois avec des capteurs de radiations, pour tester l'endurance des matériaux face à la chaleur et aux radiations en orbite terrestre et sous exposition solaire directe. Si ces tests réussissent, ICT récupérera les CryoSpheres pour des tests cryogéniques supplémentaires et évaluer les effets de l'exposition aux radiations sur les matériaux. La préoccupation principale : l'impact sur les liaisons chimiques de la résine.

Après cela, l'étape suivante est la qualification vol. Villarreal indique qu'ICT a déjà réalisé environ la moitié des tests de qualification avec une version adaptée de la norme AIAA S-081B de l'American Institute of Aeronautics and Astronautics, et anticipe la fin des tests restants d'ici la fin du troisième trimestre 2020.

L'entreprise prévoit aussi de faire évoluer la taille du réservoir jusqu'à 48 pouces de diamètre, la taille spécifiée pour les atterrisseurs lunaires commerciaux en développement par la NASA, et travaille sur des partenariats pour envoyer la CryoSphere sur la Lune.

« Notre équipe repousse les limites de ce qui est possible avec les réservoirs tout composites », conclut Villarreal. « Cette technologie a le potentiel de révolutionner l'exploration spatiale et le transport durable. »