NCC : réservoir composite Type V sans liner établit nouvelle référence propulsion spatiale

Le National Composites Centre (NCC, Bristol, Royaume-Uni), avec le conseil industriel du constructeur aérospatial Thales Alenia Space (Cannes, France), a fabriqué un démonstrateur de réservoir tout-composite sans liner (Type V) dans le cadre du projet SpaceTank. Il est dit représentatif de ceux utilisés pour les réservoirs de propergol de lanceurs et de satellites, offrant une économie de poids estimée à 30 % par rapport aux réservoirs de propergol métalliques conventionnels actuels. Le NCC a démontré cela pour susciter l'intérêt du Royaume-Uni pour la fabrication de réservoirs composites pour les futurs besoins de propulsion spatiale. Selon le NCC, ce projet vitrine montre comment la technologie des composites avancés peut jouer un rôle vital sur les futures structures conçues pour la propulsion spatiale en réduisant le poids structural du réservoir et en abaissant les coûts de lancement des satellites (télécharger le PDF de l'étude de cas).

Objectifs du projet SpaceTank

L'objectif global du projet SpaceTank était de développer les outils de recherche et développement basés au Royaume-Uni nécessaires à la fabrication et à l'inspection de vaisseaux sous pression cryogéniques. Plus spécifiquement, le projet d'un an s'est concentré sur le développement d'une nouvelle solution de fabrication pour des réservoirs devant contenir des propergols cryogéniques.

Contexte industriel

L'industrie spatiale reconnaît le rôle critique des matériaux composites dans l'espace, certaines entreprises explorant déjà leur utilisation dans la conception de réservoirs spatiaux. Par exemple, Virgin Orbit (Long Beach, Californie, États-Unis) et Rocket Lab (Auckland, Nouvelle-Zélande) ont tous deux développé et démontré des réservoirs composites comme alternatives au métal pour les fusées Launcher One et Electron respectivement. En Australie, Omni Tanker (Smeaton Grange) et ses partenaires cherchent à développer et commercialiser un réservoir d'hydrogène liquide sans liner (LH₂) en composite, et plus près de chez nous en Europe, MT Aerospace (Augsbourg, Allemagne) développe des matériaux et méthodes de fabrication et subit des tests pour un nouveau réservoir de carburant de fusée novateur. Le projet NCC SpaceTank devrait élever le Royaume-Uni comme acteur clé dans ce domaine.

Caractéristiques du démonstrateur

Le démonstrateur NCC SpaceTank créé mesure 750 mm de long, a un diamètre de 450 mm et une capacité de stockage de fluide de plus de 96 litres. Il a été conçu et fabriqué avec une épaisseur de paroi nominale de 4,0 à 5,5 mm, ce qui permet au réservoir de résister à 85 bar de propergol sous pression. Le corps principal en composite de fibre de carbone comprend 8 kg de masse de matériau, mais selon le NCC, comme pour toutes les structures conçues, il y a d'autres opportunités avec SpaceTank pour optimiser davantage cette réduction de poids. De plus, la pression nominale du NCC SpaceTank peut être augmentée avec l'utilisation de fibres de carbone à plus haute résistance et en augmentant l'épaisseur du composite. Alternativement, le SpaceTank pourrait être optimisé pour le poids et le coût pour des applications à pression beaucoup plus faible en utilisant un matériau composite plus fin et à plus faible rigidité.

Innovation dans l'intégration des ports de vanne

Au cours du projet SpaceTank, l'équipe du NCC a développé une méthode innovante pour inclure les ports de vanne de fluide métalliques sur l'outil lavable, éliminant le besoin de toute opération d'assemblage et de collage secondaire nécessaire pour le produit final. Ces ports de vanne de fluide étaient maintenus dans l'outillage novateur, leur permettant d'être co-collés à la fibre de carbone lors de la dernière étape du processus de fabrication.

Matériaux et procédé de fabrication

Le corps principal du réservoir utilise du préimprégné époxy carbone MTC510 fourni par SHD Composites (Mooresville, Caroline du Nord, États-Unis) en largeur de bande de 300 mm. Le MTC510 est un système de résine époxy spécialement conçu pour polymériser entre 80 °C et 120 °C et est durci pour augmenter sa tolérance aux dommages.

Ce matériau a été préparé pour le processus de fabrication SpaceTank par Bindatex (Bolton, Royaume-Uni), qui a également effectué le refendage de précision en largeur étroite de la bande et a retourné 22 000 mètres (environ 72 178 pieds) du matériau en format 6,35 mm préparé selon les exigences du NCC pour une utilisation dans sa cellule de placement automatisé de fibres (AFP) Coriolis (Quévén, France).

La bande refendue a été déposée sur l'outillage lavable en utilisant l'opération de filament winding sous tension du système AFP Coriolis. Une combinaison de bobinage hélicoïdal et annulaire conçue par les ingénieurs du NCC en utilisant le logiciel de filament winding Cadwind de Material's (Bruxelles, Belgique) a été utilisée pour déposer plus de 24 couches du matériau jusqu'à une épaisseur nominale de 5,5 mm. L'épaisseur et la direction/angle de bobinage utilisés ici étaient pour démonstration seulement ; il est possible pour le NCC d'augmenter ou de diminuer l'épaisseur de paroi composite et de modifier l'angle de bobinage et la structure de plis pour optimiser pleinement le réservoir pour une exigence de pression ou de chargement spécifique.

Immédiatement après le dépôt du matériau, le NCC SpaceTank a été inspecté pour les défauts et la variation d'épaisseur. Il a ensuite été polymérisé en autoclave à 100 °C et réinspecté ensuite. L'inspection par ultrasons C-Scan et la thermographie, techniques d'essais non destructifs (END), ont été utilisées après polymérisation, et ces méthodes ont été comparées et contrastées pour leur adéquation à l'inspection de futurs réservoirs pour des défauts tels que délaminage et porosité. Finalement, après avoir complété l'évaluation qualité END, l'âme d'outillage interne a été lavée à l'eau froide sous pression pour laisser la cavité interne du réservoir vide.

Outillage à noyau hydrosoluble

Selon le NCC, la technique d'outillage pour le SpaceTank sans liner s'est avérée difficile, ce qui a conduit au développement d'un procédé de coulée en partenariat avec AeroConsultants (Huntingdon, Royaume-Uni) en utilisant le matériau de noyau hydrosoluble Aqua de cette entreprise. L'outillage fini comporte un noyau mâle centralisé avec une épaisseur de paroi nominale de 30 mm qui est coulé en deux parties puis collé. L'outillage comporte trois anneaux de raidissement internes (lavables) qui ont été conçus et fabriqués pour aider à résister au chargement de torsion attendu pendant la pose automatisée du composite et à la pression exercée pendant la polymérisation en autoclave.

Cette démonstration par le NCC fournit maintenant une base de recherche au Royaume-Uni pour le développement futur de réservoirs de propergol et aide à soutenir une nouvelle chaîne d'approvisionnement britannique pour des composants et équipements de pointe pour la fabrication de réservoirs composites.

Les futures activités de recherche dans ce domaine soutiendront également l'augmentation de la part de 5 % du Royaume-Uni dans l'économie spatiale mondiale. Un rapport du gouvernement britannique en mai 2021 a montré que les revenus de l'industrie spatiale britannique sont passés de 14,8 milliards de livres en 2016/2017 à 16,4 milliards de livres en 2018/2019. Le rapport sommaire pour l'UK Space Agency a également souligné que plus de 3 000 emplois ont été créés dans le secteur spatial britannique au cours des deux dernières années (2019-2021).