Les microlanceurs sont une alternative aux lanceurs conventionnels. Capable de transporter des charges utiles allant jusqu'à 350 kilogrammes, ces systèmes de transport de taille moyenne sont conçus pour lancer de petits satellites dans l'espace. Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux IWS à Dresde et les experts en aérospatiale de la TU Dresden ont développé un moteur de fusée fabriqué de manière additive avec une tuyère aérospike pour les microlanceurs. Le prototype en métal à l'échelle devrait consommer 30 % de carburant en moins que les moteurs conventionnels. Il figurera en bonne place à l'avant-première de la Hannover Messe le 12 février et dans la vitrine du stand C18 dans le hall 16 de la Hannover Messe du 20 au 24 avril, 2020.

Le marché des petits satellites va certainement exploser dans les années à venir. Le Royaume-Uni vise à construire un port spatial dans le nord de l'Écosse, le premier sur le sol européen. La Fédération des industries allemandes (BDI) a également soutenu l'idée d'un port spatial national. Il doit servir de plate-forme pour les lanceurs de petite à moyenne taille qui transportent des instruments de recherche et de petits satellites dans l'espace. Ces microlanceurs sont conçus pour transporter une charge utile allant jusqu'à 350 kilogrammes. Les moteurs Aerospike sont un moyen efficace d'alimenter ces microlanceurs. Ils offrent les perspectives bienvenues de beaucoup moins de masse et de consommation de carburant beaucoup plus faible. Une équipe de recherche du Fraunhofer IWS et de l'Institut d'ingénierie aérospatiale de la TU Dresden a développé, fabriqué et testé un moteur aerospike au cours des deux dernières années. Le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) a financé le projet. Ce qui distingue ce moteur aerospike des autres, c'est que son injecteur de carburant, la chambre de combustion et la buse sont imprimées couche par couche dans un procédé de fabrication additive appelé fusion laser sur lit de poudre (L-PBF). La buse se compose d'un corps central en forme de pointe conçu pour accélérer les gaz de combustion.

« La technologie derrière les moteurs aerospike remonte aux années 1960. Mais notre capacité à produire des moteurs aussi efficaces est due à la liberté apportée par la fabrication additive et son intégration dans des chaînes de processus conventionnelles, " dit Michael Müller, assistant scientifique au Centre de fabrication additive de Dresde (AMCD), qui est exploité conjointement par Fraunhofer IWS et TU Dresden. Les moteurs de fusée Aerospike promettent des économies de carburant d'environ 30 % par rapport aux fusées conventionnelles. Ils sont également plus compacts que les systèmes conventionnels, ce qui réduit la masse globale du système. "Chaque gramme économisé vaut son pesant d'or dans les vols spatiaux car moins de carburant doit être mis en orbite. Plus le système global est lourd, plus sa charge utile doit être légère, " dit Mirco Riede, chef de groupe fabrication 3D chez Fraunhofer IWS et collègue de Michael Müller. La buse Aerospike développée par Fraunhofer IWS et TU Dresden s'adapte mieux à la pression changeante lors du voyage de la Terre à l'orbite. Cela le rend plus efficace, il consomme donc moins de carburant que les moteurs conventionnels.

Une buse fabriquée de manière additive avec un refroidissement conforme

"Nous avons opté pour une fabrication additive de la fusée en métal car le moteur nécessite un très bon refroidissement et nécessite des canaux de refroidissement internes. Ce système de refroidissement régénératif complexe avec des conduits internes labyrinthiques ne peut pas être fraisé ou coulé de manière conventionnelle, " dit Riede. Appliqué couche par couche, la poudre est ensuite fondue. Cette fusion laser sélective construit progressivement un composant avec des canaux de refroidissement d'un millimètre de large qui épousent les contours de la chambre de combustion. La poudre résiduelle dans les canaux est ensuite aspirée. Ce métal doit répondre à des exigences rigoureuses, restant solide à haute température et conduisant bien la chaleur pour assurer un refroidissement optimal. « Des températures de plusieurs milliers de degrés Celsius règnent dans la chambre de combustion, cela nécessite donc un refroidissement actif, " dit Muller.

Les scientifiques de Fraunhofer IWS et TU Dresden se tournent vers le système d'injection dans le but d'améliorer encore l'efficacité du moteur. Appelé CFDμSAT, ce projet est en cours depuis janvier 2020 avec le groupe Ariane et Siemens AG en tant que partenaires associés. Les injecteurs posent des défis majeurs de conception et de fabrication. "Les carburants servent d'abord à refroidir le moteur. Ils chauffent et sont ensuite induits dans la chambre de combustion. L'oxygène liquide et l'éthanol sont ajoutés séparément pour être mélangés via un injecteur. Le mélange gazeux résultant est enflammé. Il se dilate dans la chambre de combustion puis s'écoule à travers un interstice dans la chambre de combustion pour être décomprimé et accéléré par la tuyère, " note Müller, expliquant comment ce moteur produit de la poussée.

Essai à feu chaud du moteur

Les chercheurs basés à Dresde ont déjà testé le prototype du moteur aerospike dans une cellule d'essai à l'Institut d'ingénierie aérospatiale de la TU Dresden, atteindre une durée de combustion de 30 secondes. "Ce processus est spécial car il y a eu peu de précédents pour les tests de buses d'aérospike. Nous avons prouvé qu'un moteur à réaction à propergol liquide fonctionnel peut être produit par fabrication additive, " dit Muller.

Ce projet est un exemple de l'étroite collaboration entre la TU Dresden et des instituts de recherche non universitaires au sein d'un pôle scientifique appelé le concept DRESDEN. La TU Dresden est responsable de la conception et de la configuration du moteur ; Fraunhofer IWS pour la fabrication et la validation des matériaux. Leur première étape a été d'adapter la conception au processus de fabrication additive. Les chercheurs ont ensuite sélectionné et caractérisé le matériau. Prochain, ils ont produit les deux composants du moteur avec la méthode L-PBF et retravaillé leurs surfaces fonctionnelles. Les composants ont été assemblés par soudage laser et un scanner de tomodensitométrie a inspecté les pores et autres défauts. Cette évaluation non destructive peut également déterminer si la poudre frittée obstrue les canaux de refroidissement. Ce projet démontre comment les processus de FA peuvent être intégrés dans les chaînes de processus d'aujourd'hui de manière productive dans toutes les industries pour faire progresser l'état de l'art dans la fabrication.