Comment les matériaux composites ont façonné l'exploration spatiale

Le 20 juillet 2019 marquait le 50e anniversaire du premier alunissage Apollo. Bien qu'à l'époque où la capsule Apollo a été construite, l'industrie des composites était encore à ses débuts et les matériaux n'étaient pas encore largement utilisés, la capsule Apollo a utilisé une technologie composite précoce sous la forme d'un bouclier thermique ablatif fait d'Avcot, une résine époxy novolac avec fibres de silice dans une matrice nid d'abeille phénolique fibre de verre. Un nid d'abeille fibre de verre était collé à la structure primaire et le matériau pâteux était injecté dans chaque alvéole individuellement. Depuis Apollo, les composites avancés ont évolué par bonds et ont joué un rôle significatif dans les programmes spatiaux avec utilisation dans les lanceurs, la navette spatiale, satellites, télescopes spatiaux et la Station Spatiale Internationale.

Aujourd'hui, la race humaine se trouve prête pour de nouvelles étapes passionnantes dans l'exploration spatiale. L'administration actuelle a appelé à un retour sur la lune par des astronautes américains d'ici 2024 et a annoncé un budget 2021 de plus de 25 milliards $ pour le programme d'exploration spatiale humaine de la National Aeronautics and Space Administration (NASA, Washington, D.C., États-Unis). L'administrateur NASA Jim Bridenstine dit que le budget est « l'un des budgets les plus forts de l'histoire de la NASA ».

En plus d'un autre tir lunaire, la NASA a des missions actuelles et à venir pour étudier notre système solaire du soleil aux lunes glacées des planètes les plus externes et au-delà. Les missions pour explorer le soleil sont actuellement en cours : au moment de cette écriture, la Parker Solar Probe surveille actuellement l'atmosphère du soleil et un Solar Orbiter a été lancé avec succès. Des efforts sont aussi en cours pour faire avancer l'exploration des exoplanètes et galaxies lointaines à travers la mission Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) et le James Webb Space Telescope, ce dernier ayant fait des progrès vers la préparation au lancement au cours de l'année passée.

De nouveaux vaisseaux et programmes ont aussi résulté ces dernières années de la collaboration accrue entre agences spatiales nationales et internationales ainsi que compagnies commerciales. Par exemple, SpaceX (Hawthorne, Californie, États-Unis), avec son vaisseau Crew Dragon, et Boeing Space and Launch (Arlington, Virginie, États-Unis), avec son vaisseau Starliner, courent vers le premier vol spatial habité américain depuis l'arrêt du programme navette spatiale en juillet 2011. Les deux compagnies ont effectué des vols de test avec la NASA dans l'espoir d'une mission habitée en 2021.

Du soutien accru au programme spatial de la NASA à la croissance explosive de l'espace commercial, la race humaine semble vraiment prête pour le prochain grand âge spatial. Les composites et matériaux avancés jouent un rôle de plus en plus grand dans la fabrication des lanceurs, vaisseaux et instruments qui rendent toute cette exploration possible.

Lune

Le programme global pour retourner les humains sur la lune est nommé d'après Artémis, la déesse grecque de la lune et de la chasse, la sœur jumelle d'Apollon — et l'étendue du programme est vaste. Artemis établira une base en orbite lunaire, permettant aux astronautes non seulement d'explorer davantage la lune, mais aussi d'utiliser la lune comme avant-poste pour des missions éventuelles vers Mars. Plusieurs projets composent le programme Artemis, incluant un nouveau système de lancement lourd connu sous le nom de Space Launch System (SLS), le vaisseau d'équipage Orion, une station spatiale en orbite lunaire connue sous le nom de Gateway et un alunisseur. Les composites avancés entrent dans tous ces composants d'une manière ou d'une autre.

Lanceur lourd

Étage fusée SLS en préparation pour expédition. Source | NASA

Le Space Launch System (SLS)

Le nouveau véhicule de lancement lourd de la NASA vise à permettre l'exploration au-delà de l'orbite terrestre. En 2015, la NASA a investi dans une machine de placement de fibres automatisé (AFP) d'Electroimpact (Mukilteo, Washington, États-Unis) pour fabriquer des pièces de fusée à grande échelle comprenant des structures sandwich de plus de 8 mètres de diamètre faites de peaux carbone avec un noyau nid d'abeille aluminium. La tête AFP tient jusqu'à 16 bobines de fibre de carbone et est positionnée au bout d'un bras robot de 21 pieds (6,4 m) qui place les fibres sur une surface d'outillage en motifs précis pour former des structures de formes et tailles variables.

Des structures sandwich similaires sont créées par RUAG Space (Decatur, Alabama, États-Unis) en utilisant un procédé de stratifié manuel. L'entreprise travaille avec Dynetics (Huntsville, Alabama, États-Unis) sur un Universal Stage Adapter (USA) qui joindra l'étage supérieur du SLS au module d'équipage Orion. RUAG Space fabriquera la coquille de 8,4 m de diamètre de l'adaptateur comprenant quatre quarts de panneau nid d'abeille composite qui seront collés à chaud ensemble (En savoir plus).

Le véhicule d'équipage multi-mission Orion

Constitué d'un module de commande fabriqué par Lockheed Martin (Bethesda, Maryland, États-Unis) et un module de service fourni par l'Agence Spatiale Européenne (ESA, Paris, France) et fabriqué par Airbus Defence and Space (Ottobrunn, Allemagne), Orion est le cœur du programme Artemis et emmènera les astronautes dans l'espace, servira de véhicule d'exploration pendant le voyage spatial et ramènera l'équipage sur Terre.

Le système de propulsion d'Orion inclut de nombreux composants fabriqués par Aerojet Rocketdyne (Sacramento, Californie, États-Unis), incluant huit moteurs auxiliaires bipropulsifs de 110 livres de poussée basés sur la famille de moteurs R-4D d'Aerojet Rocketdyne. Aerojet Rocketdyne fournit aussi le moteur d'éjection du Launch Abort System (LAS) et des vaisseaux sous pression composites sur-enroulés pour le vaisseau. En début 2020, Aerojet Rocketdyne a installé une machine d'enroulement fibre de carbone pour produire ses enveloppes de moteur-fusée solide (En savoir plus).

Pour la rentrée, Orion utilise un bouclier thermique de 5 m de diamètre en fibre de carbone fabriqué par Lockheed Martin qui est fabriqué comme structure sandwich comportant des peaux fibre de carbone et un noyau nid d'abeille titane. Le bouclier thermique est ensuite recouvert de panneaux d'Avcot — le même matériau ablatif utilisé pour les missions Apollo (En savoir plus).

Quatre coussins de compression de matériau ablatif sont attachés au bouclier thermique avec des boulons en titane aux points où le module de commande s'attache au module de service. Les coussins de compression doivent résister aux charges structurales pendant le lancement et l'ascension, ainsi qu'au pyro-choc (des boulons explosifs) pendant la séparation des deux modules. Ils doivent aussi répondre aux exigences de rentrée pour la résistance haute température et l'ablation. Des coussins carbone/phénolique ont été utilisés sur le premier véhicule de test Orion de vol, mais montraient des preuves de fissures inter-laminaires post-vol et ont été remplacés par une solution tissée 3D connue sous le nom de 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT) qui utilise un matériau quartz tissé 3D de Bally Ribbon Mills (Bally, Pennsylvanie, États-Unis) et un système de résine cyanate ester de Toray Advanced Composites (En savoir plus).

La plateforme orbitale lunaire-Gateway (LOP-G)

Gateway est une station spatiale en orbite lunaire développée par la NASA avec des partenaires internationaux incluant agences spatiales russe, canadienne, japonaise et européenne. Les divers modules pour la station sont en développement et employeront probablement des matériaux composites d'une certaine façon.

Un Roll-Out Solar Array (ROSA) développé par l'Air Force Research Laboratory (AFRL ; Dayton, Ohio, États-Unis) et Deployable Space Systems en utilisant des composites à haute déformation (HSC) sera utilisé dans le programme Gateway. Les HSC sont des matériaux composites minces, légers, conçus pour s'insérer dans de petits paquets et se déployer en se déroulant. Le système ROSA utilise deux longerons HSC en fibre de carbone pour dérouler et tendre une grande couverture de panneau solaire. (En savoir plus sur les HSC).

Une autre contribution potentielle à Gateway est le Canadarm-3. Proposé par l'Agence Spatiale Canadienne (Longueuil, Québec, Canada), l'appareil est un bras robotique de 8,5 m construit en composites fibre de carbone. Les précédents systèmes Canadarm ont été utilisés sur la navette spatiale et la Station Spatiale Internationale (ISS).

Alunisseurs

De nombreuses entreprises travaillent sur des concepts de système d'alunissage pour Artemis, tous incluant un potentiel pour matériaux composites. Par exemple, Blue Origin (Kent, Washington, États-Unis) s'associe avec Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Virginie, États-Unis) et Draper (Cambridge, Massachusetts, États-Unis) sur un système d'alunissage à trois véhicules proposé : l'alunisseur Blue Moon de Blue Origin, un véhicule « Transfer Element » fourni par Northrop Grumman qui positionnera le système d'alunissage en orbite lunaire, et un véhicule « Ascent Element » fourni par Lockheed Martin qui ramènera les astronautes en orbite lunaire depuis la surface de la lune. Un système de guidage de descente et avionique de vol seront fournis par Draper. Plusieurs autres entreprises travaillant sur concepts d'alunisseurs incluent Boeing, Dynetics, SpaceX et Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colorado et Madison, Wisconsin, États-Unis).

En plus des alunisseurs habités, la NASA anticipe le besoin pour des alunisseurs petits et moyens pour permettre une variété d'investigations scientifiques et grosses charges utiles de démonstration technologique.

Combinaisons Artemis

En octobre 2019, la NASA a dévoilé deux nouveaux designs de combinaisons spatiales — une nouvelle Exploration Extravehicular Mobility Unit (xEMU) et la combinaison Orion Crew Survival System (OCSS) — toutes deux qui seront utilisées pour les missions lunaires du programme Artemis.

La combinaison xEMU offre rapporté une gamme de mobilité bien améliorée par rapport aux combinaisons actuellement utilisées pour l'activité extra-véhiculaire (EVA). Selon ILC Dover (Frederica, Delaware, États-Unis), qui a une relation de longue date avec la NASA pour la fabrication de combinaisons spatiales, la combinaison xEMU est une mise à jour d'une combinaison de marche avancée livrée à la NASA en 2016 connue sous le nom de Z-2.

« Depuis 2016, ILC Dover a continué d'améliorer le design des combinaisons de marche, ainsi que combinaisons zéro-g et combinaisons entrée de lancement », dit Dan Klopp, marketing produit pour ILC Dover.

Le prototype de combinaison spatiale Z-2 comporte des éléments torse et hanche en carbone/époxy dans le design. (Voir « On Mars, not just any suit will do » pour plus sur l'utilisation des composites dans les combinaisons spatiales.)

La combinaison spatiale OCSS de la NASA est conçue comme combinaison pressurisée de lancement et entrée pour les membres d'équipage Orion. Bien que la NASA n'ait pas publié de détails sur les matériaux dans le nouveau design, c'est un pari sûr qu'une bonne quantité de composites y sont impliqués. Les combinaisons de lancement et entrée de l'ère navette comportaient une couche externe de Nomex méta-aramide résistant à la flamme de DuPont (Richmond, Virginie, États-Unis). Les précédentes Extravehicular Mobility Units (EMUs) ont utilisé des combinaisons de Nomex, du Kevlar para-aramide (aussi développé par DuPont) et du Gore-Tex, une membrane de tissu imperméable, respirante fabriquée par W.L. Gore & Assoc. (Newark, Delaware, États-Unis) (En savoir plus).

Mars

Une grande partie de l'initiative Artemis est de préparer l'envoi d'humains sur Mars. En attendant, la NASA travaille aussi vers une mission non habitée vers Mars cet été qui établira un nouveau rover robotique et un hélicoptère exploratoire robotique sur la planète rouge.

Une aeroshell en forme de capsule protégera le rover Mars 2020 pendant l'entrée dans l'atmosphère de Mars et l'atterrissage. L'aeroshell est fait d'un nid d'abeille aluminium avec peaux fibre de carbone. Le bouclier thermique utilise un système de protection thermique en ablator carbone imprégné phénolique (PICA) tuilé.

Le rover Mars 2020 lui-même fait environ 3 m de long, 2,7 m de large et 2,2 m de haut. Bien que la NASA n'ait pas publié de détails sur les matériaux utilisés pour construire le rover, on sait qu'Advanced Composites Training (ACT, London, Ontario, Canada) a servi de consultant au Jet Propulsion Laboratory (JPL, Pasadena, Californie, États-Unis) de la NASA sur l'utilisation de matériaux composites pour la construction du rover Mars 2020 (En savoir plus).

À 1 050 kg, le rover pèsera moins qu'une voiture compacte moyenne. Il doit être à la fois léger et durable pour le voyage vers la planète rouge, et aussi assez fort pour porter caméras et instruments scientifiques, ainsi que l'hélicoptère Mars — un autre engin intensif en composites qui sera utilisé pour explorer la planète.

L'hélicoptère Mars est construit de plus de 1 500 pièces individuelles de fibre de carbone, aluminium grade vol, silicium, cuivre, feuille et mousse et pèse pas plus de 1,8 kg (En savoir plus).

Soleil

Deux missions sont actuellement en cours pour améliorer notre compréhension du soleil et ses comportements, toutes deux avec l'objectif ultime de prévoir les tempêtes solaires qui peuvent affecter les systèmes électriques terrestres, communications satellites et GPS.

Parker Solar Probe

La Parker Solar Probe a été lancée en août 2018 et effectue des mesures in-situ et imagerie pour étudier la couronne du soleil et le vent solaire. Pour endurer les températures extrêmes dans cette région, la sonde utilise un bouclier réfléchissant léger de 4,5 pouces (11,4 cm) d'épaisseur. Ce système de protection thermique (TPS) est fait de mousse composite fibre de carbone sandwichée entre deux stratifiés carbone et revêtu de peinture céramique blanche sur la face face au soleil. Le bouclier a été conçu par Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (Laurel, Maryland, États-Unis) et construit chez Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, États-Unis).

La plupart des instruments de la sonde sont cachés derrière le TPS, et des capteurs le long du bord du bouclier thermique maintiennent le vaisseau positionné correctement. Les panneaux solaires utilisés pour alimenter l'engin peuvent être rétractés dans l'ombre du bouclier thermique pour protection. Un système de refroidissement simple qui opère en faisant circuler environ un gallon d'eau est aussi employé pour maintenir les panneaux solaires et l'instrumentation au frais.

En janvier 2019, la NASA a rapporté que la Parker Solar Probe opérait comme conçu suivant sa quatrième approche rapprochée du soleil, connue comme un périhélie. Le TPS de l'engin a atteint une nouvelle température record de 1 134 °F (612 °C), bien que le vaisseau et instruments derrière ce bouclier thermique protecteur restaient à une température d'environ 85 °F (30 °C). Pendant les trois périhélies les plus proches en 2024-25, le TPS verra des températures autour de 2 500 °F (1 370 °C).

Solar Orbiter

Solar Orbiter, une mission collaborative entre l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et la NASA, a été lancée en février 2020. L'orbiteur est sur une trajectoire unique qui permettra à son ensemble complet d'instruments de fournir les premières images jamais faites des pôles du soleil.

Le vaisseau est protégé par un bouclier solaire en couches composite fibre de carbone/titane avec ouvertures pour divers instruments. Le bouclier thermique de 147 kg peut résister jusqu'à 970 °F (521 °C) et utilise une couche de feuille de titane de 0,05 mm d'épaisseur pour refléchir la chaleur. Le bouclier est supporté par un panneau de support de 2,94 × 2,56 m qui fait environ 5 cm d'épaisseur et est fait de nid d'abeille aluminium léger avec deux peaux fibre de carbone à haute conductivité thermique. Une protection supplémentaire est fournie par une isolation multicouche capable de résister à 572 °F (300 °C). Le bouclier thermique de Solar Orbiter est revêtu d'une fine couche noire de phosphate de calcium.

Au-delà du système solaire

En août 2019, des ingénieurs aux installations de Northrop Grumman à Redondo Beach, Californie, États-Unis, ont mécaniquement connecté l'Optical Telescope Element du James Webb Space Telescope (JWST), qui inclut miroir et instruments scientifiques, et le Space Craft Element, qui combine le pare-soleil du JWST et le vaisseau, pour la première fois. Bien que les deux composants du télescope aient été testés individuellement, cela marque la première fois que les deux moitiés ont été combinées en un observatoire unique. L'étape était importante pour Webb alors que le télescope avance vers son lancement prévu en 2021.

Le JWST est le télescope spatial le plus puissant et complexe jamais construit — 100 fois plus puissant que le télescope Hubble. Conçu pour explorer le cosmos en utilisant la lumière infrarouge, le télescope permettra aux astronomes d'observer les objets les plus distants de l'univers, fournissant des images d'étoiles distantes, exoplanètes et premières galaxies formées. Le télescope est aussi un exemple excitant de comment les composites permettent les satellites et vaisseaux spatiaux.

La plateforme du télescope est composée de trois composants majeurs — l'Optical Telescope Element (OTE), l'Integrated Science Instrument Module (ISIM), et le Space Craft Element (SCE), qui inclut le bus du vaisseau et le pare-soleil de taille court de tennis.

Le JWST emploie un longeron arrière en fibre de carbone pour supporter les miroirs, instruments et autres éléments du télescope — un total de plus de 2 400 kg (2,5 tonnes) de matériel. La structure est aussi responsable de maintenir le télescope stable pendant de longues périodes de collecte de lumière. Le longeron arrière ne peut pas varier plus de 38 nanomètres malgré des températures extrêmes allant de -243 °C à -208 °C (-406 °F à -343 °F).

Le longeron arrière est fait de préimprégné comprenant fibre de carbone fournie par Toray Advanced Composites et résine cyanate ester d'Hexcel (Stamford, Connecticut, États-Unis). La structure inclut plus de 10 000 pièces légères en composite fibre de carbone. La structure entière du longeron arrière inclut la section centrale, les assemblages d'ailes et le support de longeron arrière (BSF), et mesure environ 7,3 × 5,9 × 3,4 m quand entièrement déployé. Il ne pèse que 989 kg, mais supportera des instruments pesant plus de 3 311 kg — une charge utile de plus de 300 % de son propre poids.

En plus du miroir primaire et structure de longeron arrière, l'OTE du JWST inclut son Deployable Tower Assembly (DTA), la structure de support du miroir secondaire et le cadre ISIM qui abrite les instruments scientifiques du télescope et systèmes de refroidissement. Ces structures sont faites avec un préimprégné de fibre de carbone à module ultra-élevé et résine cyanate ester de Toray Advanced Composites.

« Ces matériaux sont de très bons matériaux de banc optique », dit Sean Johnson, gestionnaire produit, thermodurcissables pour Toray. « La haute rigidité de la fibre UHM fournit une structure très stable [et] fournit un certain amortissement. C'est très bon pour les basses températures [que JWST] va voir. »

Le SCE, ou bus du vaisseau, est aussi fait de composites fibre de carbone de Toray et abrite la propulsion du vaisseau, systèmes de support d'observatoire, énergie solaire, systèmes de refroidissement actif et communications. Le bus doit simultanément être léger mais capable de résister à une force équivalente à 45 tonnes tout en supportant l'observatoire pendant le lancement.

En octobre 2019, le JWST a passé avec succès ses tests de déploiement de pare-soleil et est actuellement programmé pour lancement en 2021. (En savoir plus).

Un bond de géant

Les prochaines années mettront en place la scène pour un tout nouvel âge d'exploration spatiale. Alors que les vaisseaux et systèmes nécessaires pour ce nouvel âge d'or continuent d'évoluer, les fournisseurs et fabricants de composites seront constamment challengés pour pousser les matériaux et technologies à de nouvelles limites.