MT Aerospace et ArianeGroup ont signé des contrats avec l'ESA le 14 mai 2019 pour développer Phoebus, un prototype d'étage supérieur noir hautement optimisé. Les étages supérieurs des fusées sont généralement fabriqués en aluminium, mais le passage aux composites de carbone réduit les coûts et pourrait générer une capacité de charge utile supplémentaire de deux tonnes. Crédit :ArianeGroup
Les futures fusées pourraient voler avec des réservoirs en plastique léger renforcé de fibres de carbone grâce à des recherches révolutionnaires menées dans le cadre du programme préparatoire des futurs lanceurs de l'ESA.
En s'appuyant sur des études antérieures, MT Aerospace en Allemagne a démontré une nouvelle conception d'un réservoir à petite échelle fait d'un plastique unique renforcé de fibres de carbone (CFRP) qui est non seulement étanche à l'hydrogène liquide, mais aussi compatible avec l'oxygène liquide, sans l'utilisation d'un revêtement métallique.
Un char fait uniquement de CFRP est beaucoup plus léger que le métal, nécessite moins de pièces et est donc plus rapide et moins cher à fabriquer.
Il s'agit d'une réalisation marquante comme d'habitude, le stockage des ergols cryogéniques comme ceux-ci refroidis à -253˚C nécessite des réservoirs à chemises métalliques pour les rendre étanches, avec ou sans suremballage composite.
« Les réservoirs de carburant sont des éléments essentiels à la sécurité de tout système de propulsion, " a expliqué Hans Steininger, PDG de MT Aerospace. « Nous avons apporté la preuve qu'un réservoir sous pression haute performance en CFRP peut résister aux contraintes cryogéniques. À l'avenir, l'utilisation de chars CFRP haute performance ne doit pas seulement permettre des lancements de fusées en toute sécurité, il peut également exploiter l'avantage d'une masse nettement inférieure par rapport aux réservoirs métalliques."
"C'est un formidable pas en avant. Nous avons trouvé un composite de carbone et une méthode de traitement très spécifiques qui nous permettront d'envisager de nouvelles architectures et combinaisons de fonctions pour les étages supérieurs de fusée qui ne sont pas possibles avec le métal, " a ajouté Kate Underhill, Chef de projet étage supérieur et démonstrateurs de propulsion dans le cadre du programme préparatoire des lanceurs du futur à l'ESA.
Les tests montrent que le plastique léger renforcé de fibres de carbone est suffisamment solide pour remplacer le métal utilisé dans les structures de fusée d'étage supérieur. Il s'agit d'une étape importante en Europe pour le développement d'un prototype d'étage supérieur « noir » hautement optimisé, Phébus, une initiative conjointe de MT Aerospace et ArianeGroup, financé par le programme préparatoire des futurs lanceurs de l'ESA. MT Aerospace a testé la résistance d'un réservoir d'oxydant à petite échelle en plastique renforcé de fibre de carbone. Lors de ces tests, le réservoir a été rempli et vidangé plusieurs fois, pressurisé au-delà des limites opérationnelles et testé aux chocs pour garantir l'absence d'inflammation du réservoir d'oxygène. Capteurs de pression surveillés, Température, contrainte ou une fuite possible. L'analyse des résultats et la bonne intégrité structurelle globale du réservoir prouvent la technologie à utiliser dans un étage supérieur Phoebus. Crédit :MT Aerospace AG
"Le métal est étanche. Pour recréer la même propriété avec le composite de carbone, il a fallu un tissage complexe de fibre de carbone noire et une résine spéciale. Le matériau a résisté aux températures cryogéniques, cycles de pression et substances réactives sur un certain nombre d'essais distincts."
Suite à ces tests « bouteille », des démonstrateurs de réservoirs à petite échelle avec protection thermique intégrée seront bientôt construits pour d'autres tests. Les données collectées alimenteront le développement d'un démonstrateur grandeur nature d'un futur étage supérieur hautement optimisé, appelé Phoebus.
Phoebus aura des réservoirs d'hydrogène et d'oxygène de 3,5 m de diamètre, protection thermique, éléments d'assemblage structurels et disposent des nouvelles technologies en avionique, structures et équipements de propulsion. CFRP sera appliqué dans les réservoirs, la structure d'interface entre les deux réservoirs et le cylindre extérieur représentatif de la peau extérieure de l'étage supérieur.
Le démonstrateur Phoebus sera testé avec des fluides cryogéniques en 2023 pour confirmer les performances fonctionnelles des technologies et de nouvelles méthodes de production rentables dans le cadre d'un nouveau contrat visant à faire progresser le développement d'étages supérieurs hautement optimisés.
"Voici un excellent exemple de la façon dont le soutien de l'ESA aux technologies de pointe matures conduit à des avancées majeures. Ce nouveau matériau léger à base de carbone permettrait la fabrication d'un étage supérieur d'Ariane 6 plus léger de deux tonnes - une masse libérée pour les charges utiles, " a déclaré Daniel Neuenschwander, Directeur des transports spatiaux de l'ESA.
Le projet Phoebus est une initiative conjointe de MT Aerospace et ArianeGroup en Allemagne pour valider des technologies clés développées avec le soutien de l'ESA depuis mai 2019.
