Mission
L’introduction massive des matériaux composites constitue aujourd’hui un enjeu stratégique majeur pour le transport spatial. Leur adoption permet de concevoir des lanceurs plus performants, à la fois sur le plan technique et économique. Le principal atout de ces matériaux réside dans leur capacité à associer une résistance mécanique élevée à une masse très réduite, un levier essentiel pour améliorer le rapport poussée/poids et réduire les coûts de lancement. Le développement récent des composites à matrice thermoplastique (CMT) a apporté une réponse concrète à plusieurs limites rencontrées avec les matrices thermodurcissables : durée de vie restreinte des préimprégnés, manipulation complexe, émissions de composés volatils et contraintes de recyclabilité.
Les thermoplastiques, en revanche, ne présentent pas de durée d’utilisation limitée, sont non réactifs avant mise en œuvre, offrent de meilleures conditions HSE et se prêtent à des procédés de fabrication automatisés (AFP, ATL, soudage laser ou induction). Ces procédés robotisés permettent une grande liberté de conception, une réduction des rebuts matière et une répétabilité accrue, tout en limitant les opérations manuelles. Cette évolution technologique trouve un terrain d’application privilégié dans la conception des étages supérieurs cryogéniques des lanceurs. Le démonstrateur PHOEBUS (Prototype for a Highly OptimizEd Black Upper Stage), financé par l’ESA et développé par ArianeGroup et MT Aerospace, illustre parfaitement cette ambition. L’objectif est de valider la faisabilité d’un étage cryogénique composite qui préfigurera une future évolution d’Ariane 6 à l’horizon 2030. Les gains attendus sont significatifs : allègement de plus de 2 tonnes, amélioration du ratio masse utile / masse au décollage, et réduction des coûts de production. L’utilisation de réservoirs composites sans liner pour le stockage d’ergols cryogéniques (hydrogène ou oxygène liquides) soulève toutefois des défis majeurs. Le principal enjeu réside dans la maîtrise de la perméation des ergols et de l’intégrité de l’enveloppe sous des contraintes couplées : pression interne élevée, retrait thermique important, et, selon la nature de l’ergol, agressions chimiques à très basse température.
Ces phénomènes ont été largement étudiés non seulement dans le spatial, mais aussi dans les domaines du stockage d’hydrogène sous pression et du transport de gaz liquéfiés (industrie énergétique, cryogénie du CERN, etc.). Si les outils de simulation et de caractérisation des matériaux composites ont considérablement progressé, des lacunes subsistent dans la conception et l’analyse des interfaces et des zones d’assemblage. Dans un système complet, le réservoir principal doit être connecté à de nombreux équipements (capteurs, vannes, lignes de transfert cryogéniques) dont la géométrie est souvent complexe et qui peuvent eux-mêmes être réalisés en composite thermoplastique.
La performance globale du système dépend donc de la qualité des jonctions et des interfaces. Le présent projet s’inscrit dans cette problématique : il vise à étudier les solutions d’assemblage de lignes de transfert cryogéniques réalisées en composite thermoplastique, à l’exclusion des procédés mécaniques classiques (boulonnage, rivetage).
Une étude préliminaire permettra d’identifier la configuration géométrique d’intérêt et les conditions opératoires associées. Deux approches d’assemblage seront évaluées.
1. Le soudage thermoplastique, qui repose sur l’établissement d’un contact intime entre les surfaces à assembler. Sous l’effet d’un chauffage contrôlé (laser, induction, résistance), les chaînes polymères s’interdiffusent pour former une interface cohésive. La géométrie de la zone soudée, les paramètres thermomécaniques (température, pression, durée) et, le cas échéant, l’ajout d’un film thermoplastique intermédiaire seront optimisés pour garantir la continuité structurale.
2. Le collage structural, qui requiert la sélection d’adhésifs à la fois compatibles chimiquement avec les ergols et développant une bonne adhésion avec les substrats. Leur mise en œuvre peut s’avérer plus simple, et la possibilité de moduler épaisseur et propriétés mécaniques de l’adhésif offre des variables de conception supplémentaires.
Une fois la configuration d’assemblage retenue, des essais mécaniques et thermomécaniques approfondis permettront de qualifier l’intégrité structurelle des jonctions et d’identifier les modes de défaillance éventuels. Ces essais seront complétés par des analyses thermomécaniques simulant les conditions de service afin de vérifier qu’aucune décohésion n’est susceptible de générer des chemins de fuite, ce qui serait critique en opération. Enfin, des essais représentatifs à l’échelle du laboratoire permettront de valider le comportement des assemblages choisis en condition cryogénique réelle et d’établir une base de données expérimentale utile pour la conception de futurs étages cryogéniques de lanceur spatiaux.
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