Module CFRP avancé réduit poids fusée, boostant efficacité lancement

« Ambitieux » peut être une caractérisation sous-estimée quand il s'agit des objectifs de l'industrie spatiale pour réduire le coût du transport spatial. Un cas en point, l'Administration nationale de l'aéronautique 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 par livre dans 25 ans, et des dizaines de dollars par livre dans 40 ans. De l'autre côté de l'Atlantique, les objectifs sont aussi élevés : l'Agence spatiale européenne (ESA, Paris, France), par exemple, a déclaré son intention pour la fusée Ariane 6 d'égaler ou battre le coût par kilogramme de charge utile du Falcon 9 de SpaceX (Hawthorne, CA, États-Unis), estimé à moins de 7 500 $/kg pour orbite de transfert géosynchrone (où résident la plupart des satellites) et moins de 3 000 $/kg pour orbite terrestre basse.

Il ne devrait pas surprendre, alors, que l'allègement structurel de fusée est poursuivi par de nombreuses organisations de l'industrie spatiale, ou que les matériaux composites sont mis en vedette dans de tels efforts. Le succès dans ces poursuites dépend initialement de trouver des moyens d'atteindre les objectifs d'allègement tout en se conformant aux standards déjà établis pour composants métal de base, incluant géométrie de pièce et propriétés thermomécaniques.

Heureusement, de telles contraintes n'ont pas empêché la Chaire de Composites Carbone de l'Université Technique de Munich (TUM, Munich, Allemagne) de dépasser les premières estimations d'une possible réduction de poids de 30 % du module de charge utile scientifique d'une fusée de recherche. En fait, le premier tel module en polymère renforcé fibre de carbone (PRFC), que TUM a conçu et construit sous le programme Rocket Experiments for University Students (REXUS), a atteint une réduction de poids supérieure à 40 %, rapporte Ralf Engelhardt, associé de recherche à la Chaire de Composites Carbone. Une telle réduction de poids produit de nombreuses options d'économie de coûts pour la mission : charges utiles plus lourdes, apogées plus hautes ou consommation de carburant réduite.

Conception dans conditions 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. Elles volent à une hauteur maximale de 80-100 km, avec une vitesse verticale maximale d'environ 1 200 m/s et accélération maximale d'environ 20G. La structure de base des modules de charge utile scientifique est en aluminium, avec un diamètre extérieur de 356 mm et longueur de 300 mm. Le module CFRP de TUM a été conçu pour la Mission REXUS 23, pour laquelle la date de lancement attendue actuelle est début 2019.

Alors que le programme REXUS soutient typiquement des projets scientifiques universitaires menés à l'intérieur des 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, fabrication, performance et qualification pour le vol. « Notre objectif principal était de remplacer l'aluminium par du PRFC, ce qui n'est pas la mission typique », souligne Engelhardt.

Le module consiste en une coque cylindrique PRFC — 356 mm de diamètre et 300 mm long, comme l'aluminium original — et deux anneaux d'entrée de charge radiaux-axiaux (radax) en composite thermoplastique, un mâle et un femelle, qui fournissent connexion boulonnée aux modules adjacents. Le design CFRP a été créé pour répondre à des exigences géométriques et thermomécaniques spécifiques, nécessité parce que le module doit performer selon des standards cohérents avec le reste de la fusée. À cause de cela, la géométrie du module était pré-définie, incluant une exigence de correspondre à l'épaisseur de paroi de la version aluminium. Le module devait aussi atteindre la même rigidité que la version aluminium. Les caractéristiques les moins flexibles du module sont la géométrie et propriétés mécaniques des anneaux d'entrée de charge du module, qui doivent maintenir position et intégrité relatives aux modules auxquels ils sont attachés.

Le module TUM est fait de matériau fibre de carbone/polyétheréthercétone (PEEK), sélectionné pour sa haute performance mécanique et thermique, ainsi que sa résistance spécifique et rigidité supérieures comparées à l'aluminium. Dans l'assemblage final, une couche de liège est collée adhésivement à la coque pour fournir isolation thermique. En plus de la réduction de poids attendue de 30 %, TUM a aussi poursuivi une approche de fabrication efficace. Le design initial inclut un concept de fabrication dans lequel les anneaux radax sont formés par presse à partir de granulés thermoplastiques fibres longues (LFT), démoulés et préparés pour intégration ; puis le module complet est stratifié par placement de fibre automatisé thermoplastique avec consolidation in-situ (TP-AFP).

Bien sûr, avec le module lui-même servant comme « expérience » primaire, TUM avait l'opportunité d'embarquer l'équipement nécessaire pour expériences secondaires à l'intérieur du module. L'équipe a choisi de mesurer températures internes à la structure composite en utilisant des capteurs à fibre optique intégrés (FOS). Engelhardt explique que les FOS ont été choisis au lieu de thermocouples parce que leur diamètre fin et forme fibreuse résultent en réduction minimale de la performance mécanique de la coque PRFC, et parce que les signaux optiques ne sont pas sujets à perturbation dans les champs électromagnétiques que la fusée rencontre. Quatre FOS — spécifiquement, capteurs à réseau de Bragg en fibre capsulée (FBG) — sont intégrés pendant la fabrication TP-AFP à différentes positions et profondeurs dans le stratifié, et sont plus tard connectés à un système de mesure à l'intérieur du module qui opère les capteurs. Le système de mesure collecte et gère les données, et fournit une liaison descendante vers la station au sol.

Processus de fabrication en deux étapes

Pour fabriquer le module, l'équipe TUM forme d'abord les anneaux. Des granulés LFT Victrex plc (Lancashire, Royaume-Uni) PEEK 450CA30 (contenant fibre de carbone en longueurs 2-3 mm) sont formés par presse 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 faite de bande préimprégnée carbone/PEEK unidirectionnelle Tenax de Teijin (Tokyo, Japon) sur équipement TP-AFP d'AFPT GmbH (Doerth, Allemagne). Le processus TP-AFP permet la consolidation in-situ de la bande thermoplastique à température ambiante sur les anneaux d'entrée de charge PRFC. Aucune consolidation autoclave n'est requise, et la consolidation sur les anneaux précédemment fabriqués élimine le besoin de fixations mécaniques ou adhésifs additionnels. 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 la consolidation in-situ avec bande thermoplastique, mais ici, nous avons placé avec succès la bande sur des anneaux épais, monolithiques. »

Engelhardt est aussi satisfait de l'intégration FOS, qui était un nouveau défi technique. TUM avait de l'expérience en employant FOS dans résine pure, mais pas dans un stratifié composite, et pas en utilisant un processus AFP thermoplastique. L'équipe a relevé ce défi et atteint la performance de qualification vol.

Finalement le module incorpore un bulkhead séparé, qui sert de plaque de montage pour dispositifs de mesure. Le bulkhead est thermoformé en forme de dôme à partir d'une organofeuille plate composée du même matériau carbone/PEEK que le cylindre du module.

De la conception à la qualification

Pour atteindre la qualification vol, TUM a fait avancer ce projet à travers un processus complet de test, simulation et évaluation. D'abord, les matériaux étaient caractérisés au niveau coupon à température ambiante et à température de service maximale de 135°C. Les tests de sous-composants ont aidé à assurer performance de cisaillement interlaminaire acceptable de l'interface entre anneaux et coque, ainsi que résistance d'arrachement adéquate des fixations utilisées pour connecter les modules de la fusée. Les données des tests initiaux ont fourni entrée pour simulation et design.

L'analyse structurelle éléments finis a aidé l'équipe à optimiser la stratification. Le résultat pour le cylindre est une stratification symétrique 34 couches (0°/±15°/±45°/90°). Suite à la fabrication du module, TUM a conduit des tests à pleine échelle. Pour répondre aux charges de qualification vol, le module a subi des tests de vibration de 0-300 Hz à un niveau de fréquence de 0,083 g²/Hz. Il a aussi subi un test de flexion, qui a démontré performance réussie sous charge de qualification de 14 kNm.

Plus d'améliorations à venir

La mission REXUS 23 était originellement programmée pour mars 2018, mais a été reportée due à difficultés lors d'une mission REXUS précédente. Le lancement est maintenant programmé pour fin février ou début mars 2019 depuis Kiruna, Suède. L'équipe TUM a profité du temps additionnel en construisant un second module et en le testant/qualifiant l'automne dernier. Dans cette nouvelle unité, au lieu de former les anneaux d'entrée de charge par presse, 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 original avec anneaux formés par presse a rencontré toutes les qualifications vol. Mais le nouveau module avance la performance des anneaux d'un niveau acceptable vers un niveau plus proche de l'idéal. « Le processus de formage par presse a encore besoin d'optimisation », dit Engelhardt, « mais c'est très prometteur. »

Un objectif futur, rapporte Engelhardt, et la raison pour laquelle TUM retournera au formage par presse dans le futur, est de faire les anneaux à partir de matériel rebut du processus AFP. « Nous prendrons les découpes et matériel restant sur un rouleau, le broyerons, puis utiliserons ces petits morceaux pour former les anneaux par presse », explique-t-il. Avec des données et expérience limitées liées à ce processus de recyclage, TUM n'a pas pu l'implémenter dans les restrictions de temps et budget de son travail Mission 23. L'espoir est de construire et qualifier les anneaux faits de matériel recyclé pour un vol spatial proche futur.

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 mener à modifications de choix matériau ainsi que design et dimensionnement du module. « Des simulations thermiques ont été effectuées basées sur mesures précédentes, mais nous aurons bientôt des données réelles », pointe Engelhardt. « Nous pourrions trouver que nous n'avons pas besoin du Tg de PEEK de 143°C », illustre-t-il. « Un Tg plus bas signifie que nous pourrions possiblement utiliser un polymère moins cher. »

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