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structures et matériaux des engins spatiauxARRIÈRE-PLAN ET STATUTSLes structures des engins spatiaux – petits ou grands – doivent être faites de matériaux qui résistent,sans défaillance ou déformation excessive, aux contraintes statiques, dynamiques et thermiques qui se produisent pendant le lancement, le déploiement et le service. Les charges utiles et les équipements auxiliaires doivent également être protégés contre les déformations, les vibrations et les variations de température indésirables. Les appendices tels que les antennes et les réflecteurs, qui sont trop grands pour être intégrés dans l’engin spatial dans leur configuration opérationnelle, doivent être conditionnés dans un état replié pendant le lancement et déployés par la suite. Ces exigences de conception doivent être respectées dans le cadre des directives relatives au poids, au coût et à la fiabilité qui sont toujours inextricablement liées et doivent être réévaluées dans le contexte de la philosophie des petits engins spatiaux. Le poids structurel des engins spatiaux n’a toujours représenté qu’environ 20 % du poids sec total. Cependant, l’économie de poids structurel peut revêtir une importance accrue pour de nombreuses missions de petits engins spatiaux, où chaque kilogramme enlevé à la structure est précieux, et peut fournir une capacité accrue pour une charge utile supplémentaire, des dispositifs de contrôle autonomes ou des équipements auxiliaires. Bien que la structure de l’engin spatial et le matériau qui la compose soient des entités inextricablement liées par leur influence sur le coût, la résistance, la rigidité, le poids, la fiabilité et l’adaptabilité au changement, il est néanmoins utile d’examiner séparément les questions qui peuvent être considérées comme relevant principalement de la catégorie des structures ou de celle des matériaux.STRUCTURESÀ l’heure actuelle, dans la plupart des petits engins spatiaux, une simple structure en treillis assure la résistance primaire aux charges statiques et dynamiques, tandis que des panneaux plats (souvent en sandwich) supportent la charge utile et le contenu de l’engin. Bien qu’il ne semble pas qu’une grande attention ait été accordée à l’optimisation de la configuration structurelle de l’engin spatial, les missions futures exigeront une conception plus efficace de la structure du bus central. Heureusement, les recherches passées sur les structures et les matériaux des engins spatiaux et les applications en vol dans les avions et les grands bus spatiaux ont permis de mettre à disposition des configurations éprouvées et à haut rendement, telles que des structures de coque raidies et des panneaux de raidissement de la peau. En plus des structures de bus conventionnelles, il existe un besoin de structures déployables et à usage spécial sur la plupart des vaisseaux spatiaux, quelle que soit leur taille. Structures déployablesPour accomplir sa mission, un petit engin spatial peut avoir besoin d’un appendice, tel qu’une perche ou une surface, qui est très grand par rapport à la taille de l’engin. De tels appendices doivent être conditionnés dans des états repliés pendant le lancement, puis déployés avant l’exploitation. Les engins spatiaux passés et présents ont utilisé une variété de structures déployables articulées comme des perches supportant des instruments ou des couvertures de cellules solaires ou comme des structures de surface formant des antennes ou des réseaux solaires. Certaines de ces structures déployables ont été développées dans les années 1960 et au début des années 1970 pour être utilisées sur les petits engins spatiaux de l’époque, mais au cours des deux dernières décennies, le développement avancé à la NASA et au DoD dans le domaine des structures déployables a été presque entièrement orienté vers les grandes antennes et plates-formes, en particulier celles pour lesquelles la précision est une exigence dominante.La plupart des structures déployables existantes ne sont considérées comme fiables qu’après avoir été testées de manière approfondie par des déploiements répétés au sol, ce qui est compliqué et coûteux en raison de la nécessité de contrer les effets de la gravité sur des configurations conçues pour fonctionner dans un environnement spatial sans gravité. Malgré cela, l’expérience récente des vols a donné lieu à un nombre affligeant de problèmes de déploiement. Les petits vaisseaux spatiaux bon marché pourraient nécessiter de nouvelles conceptions déployables fiables et plus simples. L’un des axes actuels des efforts de développement concerne l’utilisation de structures gonflables, qui pourraient être moins chères et plus fiables que les structures articulées. Interaction entre les structures de commande et les structures intelligentes L’ère des interactions entre les structures de commande et les structures est bien entamée, tout comme celle de leur progéniture, les structures intelligentes2. Ces technologies présentent un intérêt particulier pour la conception des petits engins spatiaux. Contrecarrer l’environnement de charge dynamique pendant le lancement par la fourniture d’un emballage structurel suffisamment rigide peut ne pas avoir de sens dans un petit vaisseau spatial si la suppression active des vibrations peut atteindre l’isolation requise43~ L’interaction contrôle-structures se réfère au couplage entre les déplacements des structures déformables et la performance des systèmes de contrôle.2 Une structure intelligente a des capteurs et des actionneurs comme parties intégrantes avec un ordinateur de contrôle qui est nécessaire pour contrôler activement les vibrations et la forme.
44Technologie pour les petits vaisseaux spatiaux(de la contrainte dynamique et l’accélération) avec une masse plus faible. En outre, après le lancement, l’interaction entre les structures de commande et la conception intelligente des structures joue un rôle important dans la suppression de la gigue Le problème de la gigue peut en fait être accentué dans les petits engins spatiaux par les effets d’échelle. Bien que la plupart des petits engins spatiaux actuels soient conçus sans recourir à l’interaction entre les structures de commande et les structures intelligentes, ces techniques avancées deviendront essentielles au fur et à mesure que les charges utiles scientifiques et autres deviendront plus sensibles et que les exigences de pointage et les contraintes de précision dimensionnelle deviendront plus sévères.Les structures intelligentes expérimentales développées par la NASA, par le DoD et ailleurs consistent en des couches de matériaux composites contenant des capteurs et des actionneurs piézoélectriques4 pour contrôler le comportement mécanique. D’autres technologies d’actionnement possibles sont basées sur des matériaux à mémoire de forme (par exemple, le nitinol), des effets électrostrictifsS et magnétostrictifs, 6 et des micromoteurs. Le laboratoire Phillips de l’armée de l’air américaine a démontré qu’il était possible d’augmenter de deux ordres de grandeur l’amortissement structurel des engins spatiaux et a fourni des démonstrations en orbite de l’utilisation de capteurs et d’actionneurs intégrés pour la suppression active et passive des vibrations.MATÉRIAUXL’aluminium est le matériau classique des structures de vol de tous types. En outre, les matériaux composites fibre de graphite/polymère-matnx, qui présentent des rapports résistance/densité et rigidité/densité beaucoup plus élevés, sont largement utilisés dans les avions et les engins spatiaux, davantage dans les satellites commerciaux que dans les engins spatiaux de la NASA, et encore moins dans les engins spatiaux militaires. Pour les premiers petits engins spatiaux, la tendance a été d’utiliser uniquement de l’aluminium et d’éviter les coûts supplémentaires perçus des matériaux plus avancés. Les futurs petits engins spatiaux, qui devront être plus performants et plus légers, utiliseront nécessairement des matériaux avancés. L’état d’avancement de ces matériaux avancés candidats est discuté ci-dessous.3 La plus grande difficulté est l’inacceptabilité des vibrations induites par les perturbations pendant les périodes de performances critiques.4 Un dispositif piézoélectrique subit un changement réversible de dimension lorsqu’une force électrique est appliquée. Le changement de dimension dépend de la polarité du Delhi.~ l, ~s Un effet électrostrictif est un changement dimensionnel réversible dans un matériau lorsque celui-ci est soumis à un champ électrique. La direction du changement dimensionnel est indépendante de la polarité du champ électrique.6 Un effet magnétostrictif est un changement dimensionnel réversible dans un matériau lorsque ce dernier est soumis à des champs électriques ou magnétiques.
Structures et matériaux des vaisseaux spatiauxAlliages aluminium-lithiumUne alternative à l’utilisation d’alliages d’aluminium conventionnels pour la conception des vaisseaux spatiaux pourrait être l’utilisation d’alliages aluminium-lithium. La densité plus faible des alliages d’aluminium-lithium, associée à leur rigidité légèrement accrue et, dans certains alliages spécifiques, à leur résistance plus élevée, pourrait permettre de réaliser des économies de poids immédiates de 7 à 20 % avec peu de changements nécessaires dans la fabrication et la conception. De plus, certains alliages spécifiques d’aluminium-lithium et de magnésium-aluminium-lithium présentent une résistance nettement accrue aux températures cryogéniques, une propriété importante pour les réservoirs d’oxygène et d’hydrogène liquides. Les alliages d’aluminium-lithium peuvent offrir une rigidité élastique jusqu’à 12 % supérieure et, dans le cas de l’alliage 2090 d’Alcoa, une augmentation de près de 20 % de la résistance à la traction par rapport aux alliages d’aluminium conventionnels tels que le 2219 et le 2014. De plus, les techniques de traitement et de fabrication (par exemple, l’usinage, le fraisage chimique, le soudage à l’arc avec électrode de tungstène, le formage par grenaillage, etc.) similaires à celles utilisées pour les alliages conventionnels peuvent être utilisées pour les alliages d’aluminium-lithium. En outre, des études (par exemple, chez General Dynamics et à la NASA) suggèrent que les techniques de traitement7 à faible coût et à forme quasi nette des alliages d’aluminium-lithium, qui sont en cours de développement, pourraient permettre de réaliser des économies de 20 à 30 % par rapport aux structures usinées intégrales. Cependant, bien que le remplacement des alliages conventionnels par des alliages d’aluminium-lithium puisse être réalisé sans modification de la conception, et que plusieurs alliages soient en train d’être testés en vol comme composants d’avions commerciaux, il faut faire attention à l’utilisation des pièces forgées de certains alliages d’aluminium-lithium en raison de leur faible ténacité à travers l’épaisseur (courte transversale).Les alliages aluminium-lithium suivants sont actuellement disponibles : ….Wel~a~ite_ est un alliage aluminium-lithium développé par Martin Marietta, qui présente d’excellentes caractéristiques de soudage, de solidité, de ténacité comparable à celle de l’aluminium et de résistance à la corrosion sous contrainte. Deux variantes de Weldalite sont les alliages 2195 et MD345 de Reynolds Metals.L’alliage 2090 a été développé par Alcoa pour remplacer l’alliage conventionnel 7075-T6, et pour certaines applications, pour remplacer l’alliage 2024-T3. L’alliage 2090 a la résistance la plus élevée de tous les alliages aluminium-lithium.L’alliage 8090 a été développé par Alcan, avec une résistance inférieure d’environ 15 à 20 pour cent à celle de l’alliage 2090, mais une meilleure tolérance aux dommages et une meilleure ténacité à court terme (Venkateswara Rao et Ritchie, 19921). Le traitement de la forme presque nette permet d’obtenir une pièce qui nécessite peu d’usinage du produit fini
46Technologie pour les petits engins spatiauxÀ ce jour, les alliages d’aluminium-lithium n’ont pas été utilisés dans les structures des petits engins spatiaux, bien qu’ils soient apparus dans la conception des lanceurs.Composites polymères-matricesDans les programmes de petits engins spatiaux actuellement prévus, on observe une tendance à l’exploitation considérable des composites organiques-matrices dans les éléments de la poutrelle structurelle, dans les réservoirs de propergol (ou comme enveloppes sur les réservoirs métalliques) et dans les composants de la vitre plate ! Des économies de poids très significatives (peut-être 25 à SO pour cent) pourraient être réalisées dans la structure de l’engin spatial grâce à l’utilisation de composites à matrice polymère. Cependant, la question du coût de ces composites ne peut être dissociée de l’effort d’ingénierie nécessaire pour établir la confiance dans leur utilisation, qui varie en fonction de l’expertise dont disposent les agences et les sociétés individuelles. Néanmoins, le niveau global de l’expérience accumulée dans la conception des composites aux États-Unis, en particulier dans l’industrie aéronautique et les grandes entreprises. .a. – , , , ~ ~ ~ ~ – ~ ~ , , , – ~ at, ~spacecraft prime contractors, devrait être suffisamment élevé pour contrecarrer les tendances résiduelles à accepter les pénalités de poids associées aux conceptions basées sur l’utilisation exclusive d’alliages d’aluminium conventionnels. En outre, les estimations de l’industrie suggèrent que les coûts de l’époxy graphite ou de matériaux composites similaires peuvent en fait, à long terme, être inférieurs à ceux des métaux monolithiques dans la même application. Bien que les composites à matrice polymère soient soumis à des effets de dégradation de l’environnement spatial dont il faut tenir compte, rien n’indique jusqu’à présent que leurs performances structurelles seraient sérieusement menacées par les expositions de trois à cinq ans actuellement envisagées pour la plupart des missions de petits engins spatiaux. Plusieurs entrepreneurs et laboratoires gouvernementaux, dont SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space et Lawrence Livermore National Laboratory, développent des techniques pour la production économique de structures composites pour les engins spatiaux. Les formes structurelles, telles que les tubes, peuvent être obtenues à des coûts variables auprès de plusieurs fournisseurs commerciaux, qui vont des fabricants de manches de clubs de golf aux maîtres d’œuvre de l’aérospatiale. D’autres fibres composites à matrice polymère bien utilisées sont la fibre de verre et le Keviar, qui sont traités de la même manière que les fibres de graphite. La fibre de verre, en particulier la variante S-glass, peut être soumise à une déformation de 3 % sans dommage et est utile pour les applications nécessitant une grande capacité de déformation, mais sa résistance et sa rigidité ne sont pas remarquables. La fibre de Keviar, par contre, a une résistance à la traction spécifique et une rigidité élevées et est utile lorsque les propriétés électriques ou diélectriques sont importantes. Cependant, la fibre de kéviar présente une résistance à l’écrasement en compression relativement faible.Composites métal-matriceLes composites métal-matrice sont de plus en plus disponibles et peuvent être utilisés pour les châssis et les composants des engins spatiaux. En tant que matériaux de châssis d’engins spatiaux, les alliages d’aluminium renforcés par des particules ou des fibres de carbure de silicium, d’alumine ou de bore peuvent offrir les avantages d’une rigidité et d’une résistance accrues ; toutefois, ces matériaux peuvent être un ordre de grandeur plus coûteux que les alliages d’aluminium classiques et présenter certains inconvénients en matière de propriétés mécaniques (par exemple, les alliages renforcés par des particules ont, jusqu’à récemment, montré des propriétés de ductilité et de ténacité médiocres). En outre, certains composites métal-matrice, tels que les alliages de magnésium renforcés de graphite, peuvent offrir une rigidité accrue à des coefficients d’expansion thermique (pour la stabilité dimensionnelle) comparables à ceux des composites graphite-résine. La NASA envisage d’utiliser des composites à matrice métallique en bore-aluminium pour certaines applications dans les structures primaires de ses véhicules de transfert spatial et des alliages silicium-carbure-particules d’aluminium pour les réservoirs cryogéniques. Le titane et les composites titane-matrice sont généralement applicables aux environnements à haute température. Par exemple, l’alliage Timetal 2IS renforcé au carbure de silicium est utile à des températures allant jusqu’à 800°C et présente une excellente résistance à la corrosion et à l’oxydation à des températures élevées.Les composites métal-matrice ont également trouvé des applications comme matériaux légers, solides et hautement conducteurs pour les systèmes de gestion thermique à haute température. Par exemple, Rockwell a mis au point des composites cuivre-matrice renforcés par des fibres de graphite, de molybdène ou de tungstène pour des structures à refroidissement actif dans les tuyères d’avions et de fusées hypersoniques et dans les ailettes de radiateurs pour les systèmes d’énergie spatiale. Ces composites sont stables en cas de flux thermique élevé et dans les applications de cycle thermique, et ils offrent une meilleure résistance au fluage par rapport aux alliages conducteurs classiques. Fairchild Space and Defense Corporation travaille sur des panneaux électro-émissifs pour la gestion thermique des petits engins spatiaux.Composites carbone-carboneLes composites carbone-carbone sont généralement utilisés dans des applications nécessitant des températures extrêmes, typiquement jusqu’à environ 1650°C. En fait, combinés à un refroidissement actif, ils peuvent être utilisés pour les bords d’attaque du nez, des ailes et de la queue des cellules d’avion exposées à des températures allant jusqu’à 3300°C. Pour le véhicule National Aerospace Plane, par exemple, les composites carbone-carbone ont été utilisés comme de minces panneaux fixés mécaniquement à la structure composite sous-jacente en titane-matr~x sur certaines parties du fuselage. Cependant, malgré leur très haute résistance thermique, les composites carbone-carbone sont très sensibles à l’oxydation ; sur le National Aerospace Plane, ils ont dû être protégés par de minces revêtements multicouches de carbure de silicium. Pour les engins spatiaux, les composites carbone-carbone pourraient permettre de réduire considérablement le temps et le coût de fabrication des structures grâce à des procédés de purification rapide. La NASA met au point des techniques de traitement en continu et en discontinu pour les cadres tubulaires des engins spatiaux en carbone-carbone et les panneaux de précision des réflecteurs, des antennes, des radiateurs et des aérofreins avec des revêtements thermiques, réfléchissants et radiateurs appropriés.47
48Technologie pour les petits engins spatiauxSYSTÈMES DE STRUCTURE/MATÉRIAUXLe défi que devront relever les concepteurs imaginatifs à l’ère des petits engins spatiaux sera de réunir les technologies des matériaux avancés, des structures, des appendices déployables et de l’interaction commande-structures dans des configurations petites et peu coûteuses. Il existe un vaste ensemble de technologies des structures et des matériaux applicables aux aéronefs et aux grands engins spatiaux (et aux petits engins spatiaux des premières décennies de l’espace) qui peuvent servir de tremplin à la conception des petits engins spatiaux actuels et futurs, mais, dans divers domaines techniques et leur synthèse, il existe un large éventail de besoins en matière de recherche et de développement. Le remplacement de l’aluminium par des alliages aluminium-lithium dans les structures métalliques traditionnelles, mentionné plus haut, entraînerait des économies de poids immédiates, bien que modestes. Mais la base de connaissances actuelle pour la production et la conception de matériaux composites, en particulier les composites à matrice polymère, doit non seulement être absorbée en profondeur, mais il se peut qu’elle doive être considérablement améliorée par la communauté émergente des petits vaisseaux spatiaux, afin de répondre aux exigences de réduction des coûts et à la promesse de réduction du poids. La conception d’assemblages et de fixations simples, fiables et bon marché dans les structures composites est un problème de systèmes de structures/matériaux qui ne disparaîtra jamais, tout comme l’exigence connexe d’une conception et d’une fabrication faciles à modifier pour s’adapter aux changements imprévus (mais inévitables) des configurations des structures payantes. Bien que certains concepts et technologies existants pour le stockage compact et le déploiement fiable des appendices puissent trouver une application continue pour les petits engins spatiaux, il existe un potentiel considérable pour de nouvelles inventions et de nouveaux développements dans ce domaine, étant donné le conflit inévitable entre la petitesse de la structure et le désir d’avoir de grands appendices. Enfin, dans le contexte d’une recherche théorique et de laboratoire considérable, mais avec peu d’expérience de vol, les ingénieurs des petits engins spatiaux devront s’impliquer fortement dans les technologies naissantes d’interaction entre les structures de commande et les structures intelligentes et leurs promesses passionnantes, y compris leur intégration dans le système de l’engin spatial en tant qu’éléments de réduction des coûts et du poids.CONSTATATIONS ET RECOMMANDATIONS PRIORITAIRESLa NASA a un rôle potentiellement important à jouer dans la création, l’amélioration et l’application de la technologie des structures et des matériaux pour les petits engins spatiaux, à la fois dans sa capacité traditionnelle d’agence pour la recherche scientifique de pointe. generic enaineerina-science research~…..,O..~ Orocu sea sur des sujets pertinents particuliers et en tant que chef de file de projets conjoints avec l’industrie destinés à démontrer la conception, la fabrication et le déploiement de petits engins spatiaux performants, fiables et adaptables, conformément aux directives centrales de faible coût et de faible poids. Comme toujours, la vigilance est essentielle pour s’assurer que ces activités s’alimentent mutuellement.
Structures et matériaux d’engins spatiauxLes recommandations explicites suivantes pour l’action de la NASA sont énumérées dans un ordre de priorité qui reflète le jugement intégré du Pane} sur la technologie des petits engins spatiaux, après avoir considéré l’état de développement de la nouvelle technologie et les gains potentiels que l’on peut raisonnablement attendre.I. La recherche sur des flèches et des surfaces déployables simples et peu coûteuses devrait être mise en avant. Les objectifs devraient inclure une grande fiabilité de déploiement, un rangement compact et une précision adéquate. Il est essentiel de prouver par des essais au sol que le déploiement dans l’espace est réussi.2. Un programme conjoint NASA-industrie devrait être lancé pour démontrer le développement de petits engins spatiaux avancés basés sur des composants polymères, en exploitant les technologies disponibles et nouvelles, le cas échéant, pour répondre aux exigences de faible coût, de faible poids, de fiabilité et d’adaptabilité. La NASASmall Spacecraft Technology Initiative peut remplir cet objectif.3. En coordination avec les recherches en cours dans les universités et les autres agences gouvernementales, les efforts de recherche devraient être intensifiés dans le domaine des structures intelligentes et de l’interaction contrôle-structures. La recherche devrait avoir un caractère générique et se concentrer sur les besoins spécifiques des petits engins spatiaux.4. Un programme de démonstration à court terme avec l’industrie devrait être entrepris pour concevoir, construire et qualifier une petite structure d’engin spatial basée principalement sur les configurations de conception structurelle actuelles qui exploitent des alliages d’aluminium-lithium au lieu de l’aluminium afin de déterminer la faisabilité d’une réduction rapide du poids avec un effort et un coût minimaux.5.Une expertise suffisante en matière de technologie des composites à matrice polymère devrait être maintenue au sein de la NASA afin d’identifier et de poursuivre les opportunités de recherche visant à améliorer la résistance, la rigidité, les propriétés thermiques et l’économie de fabrication, en accordant une attention particulière aux possibilités de composants à usage multiple et à l’ingénierie des fixations et des joints modulaires.49