Prend la chaleur ! Entrée, les charges utiles de descente et d'atterrissage sur des corps atmosphériques nécessitent des matériaux spéciaux. Une nouvelle technique à l'étude pour fabriquer et appliquer des carreaux de système de protection thermique (TPS) pourrait économiser de l'argent et réduire le calendrier des engins spatiaux, et le temps de montage. Crédit :Joe Brock, Centre de recherche Ames de la NASA
Une nouvelle approche de la conception et de la fabrication de systèmes de protection thermique anti-chaleur (TPS) pour les engins spatiaux est en cours de développement et de test, offrant la promesse de fabriquer des carreaux de plus grande taille tout en réduisant la main-d'œuvre, coût et gaspillage.
TPS, ou pare-chaleur, forment la surface extérieure du vaisseau spatial - appelé l'aéroshell - et offrent une protection lorsque le véhicule plonge dans les atmosphères planétaires. Cette technologie est essentielle pour assurer le succès de la mission. En raison de la nature des matériaux TPS conventionnels et de la grande taille du nouveau vaisseau spatial, les conceptions récentes de boucliers thermiques ont consisté en un grand nombre de carreaux de taille limitée qui sont installés individuellement, certains avec des couches d'isolation de contrainte et avec des espaces entre les carreaux soigneusement remplis. C'est une procédure lourde et chronophage.
Idée de rationalisation
Les ablateurs conformes sont un type de TPS flexible. Ils forment une barrière protectrice qui peut être mise en forme pendant le traitement, prenant la forme d'un vaisseau spatial, ce qui facilite l'intégration. Ces barrières dissipent la chaleur lorsque le vaisseau spatial pénètre dans l'atmosphère.
Une idée nouvelle et rationalisante consiste à produire des ablateurs conformes au moyen d'un traitement par infusion sous vide fermé. Le TPS conforme peut être formé en grands segments et directement lié à un aéroshell sans couche de contrainte intermédiaire entre la tuile TPS et la structure aeroshell. Cela a le potentiel d'alléger le fardeau du calendrier de développement d'un engin spatial, montage et budget.
Ce travail en cours est dirigé par Adam Sidor du Georgia Institute of Technology, membre de la promotion 2014 des boursiers de recherche en technologie spatiale de la NASA.
Le programme de bourses de recherche en technologie spatiale de la NASA (NSTRF) est financé par la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de l'agence. Les bourses permettent aux étudiants de réaliser des activités inventives, recherche sur les technologies spatiales sur leurs campus respectifs et dans les centres de la NASA et/ou dans des laboratoires de recherche et développement américains à but non lucratif.
Une nouvelle approche pour appliquer des tuiles anti-chaleur aux engins spatiaux utilise une méthode d'infusion sous vide. Crédit :Adam Sidor
Sidor travaille avec des spécialistes du NASA Ames Research Center, s'appuyant sur leur expertise dans les matériaux ablatifs conformes et l'approche de traitement actuelle de ces matériaux qui utilisent le moulage et l'immersion - mais une méthode qui peut entraîner de grandes quantités de résines et de solvants gaspillés.
Processus VIP
"Ces ablateurs conformes améliorent les matériaux ablatifs précédents, " Sidor dit, et sont plus faciles à installer, réduire les déchets de traitement et la main-d'œuvre à des coûts relativement bas. "Ils répondent à de nombreuses difficultés inhérentes aux matériaux d'ablation plus traditionnels, " il ajoute.
Le traitement par infusion sous vide (VIP) a été choisi comme procédé de fabrication candidat pour les ablateurs conformationnels. Le moulage fermé utilise des outils scellés plutôt qu'ouverts pour améliorer la pénétration de la résine et contrôler les composés volatils.
Travail de validation de principe
L'approche VIP utilise la pression du vide pour attirer la résine dans un substrat de fibre. Les procédés de moulage fermé comme le VIP sont utilisés depuis des années dans l'industrie des composites. Mais modifier cette technique et l'appliquer aux ablateurs conformes est une nouvelle application, Sidor explique. "Ma recherche VIP améliore l'état de l'art en termes de réduction des déchets et des coûts. C'est un processus très efficace et facile à mettre en œuvre, " il dit.
En collaboration avec les experts TPS du centre de recherche Ames de la NASA, Sidor a démontré la technique VIP à petite échelle. Prochain, le processus sera étendu pour produire des segments TPS plus grands, il dit.
Le diagramme illustre la configuration expérimentale du traitement par perfusion sous vide (VIP). Crédit :Adam Sidor
Ce travail de preuve de concept chez Ames sur le processus VIP a donné des résultats encourageants, Remarques de Sidor. « Mon plan est d'augmenter la taille du TPS et de créer des géométries plus complexes qui ressemblent en fait à de véritables carreaux de protection thermique. »
Méthodologie automatisée
Grâce à son effort financé par le NSTRF, Les recherches de Sidor à Georgia Tech sont également axées sur le travail informatique pour développer une méthodologie automatisée pour concevoir des écrans thermiques conformes.
« Mettre cette méthodologie en code informatique pour modéliser un processus très complexe, alors vous pouvez en quelque sorte recracher la conception de fabrication pour faire réellement votre bouclier thermique, " dit Sidor.
Sidor dit qu'il espère que le travail est suffisamment général et large pour s'appliquer à de nombreux matériaux TPS et missions spatiales différents. Il considère que ses recherches sont appliquées aux futurs atterrisseurs de Mars, ainsi que des engins spatiaux robotiques qui plongent profondément dans l'atmosphère de la lune de Jupiter, Europe, ainsi que ceux qui sondent Titan, une lune énigmatique de Saturne.
"J'aime vraiment l'aspect expérimental de ce travail du NSTRF. Les étudiants diplômés de ma région n'ont pas toujours l'occasion de le faire. J'ai la chance de faire des expérimentations pratiques et de me salir les mains. C'est donc amusant, " conclut Sidor.
