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Hors-série N°2 · Octobre 2024

Matériaux extrêmes pour l'espaceLa synthèse des travaux du DSMR

Composites céramiques, alliages réfractaires, protections de rentrée et boucliers contre les débris : comment l'IFRAS choisit, conçoit et éprouve les matériaux de ses programmes.

Publié le 17 octobre 2024 15 min de lecture IFRAS-HS-02
Version imprimée, 72 pages

Avant-propos

On ne voit jamais les matériaux d'une mission. On les remarque quand ils cèdent.

Un engin spatial est d'abord un assemblage de matériaux soumis à ce que la physique a de plus rude : le vide, des écarts de plusieurs centaines de degrés, des vibrations au lancement, des impacts à dix kilomètres par seconde et, au retour, un plasma plus chaud que la surface de certaines étoiles. Chaque programme de l'IFRAS repose sur des choix de matériaux faits des années avant le vol.

Ce deuxième hors-série présente le travail du département Structures, Matériaux et Résistance. Il ne prétend pas tout couvrir. Il explique les grandes familles de matériaux que nous étudions, les contraintes auxquelles elles répondent, et la manière dont nous les mettons à l'épreuve avant de les confier à un équipage.

« Un matériau n'est jamais bon dans l'absolu. Il est bon pour une température, une durée, une charge. Tout notre métier consiste à préciser ce “pour”. »

Je remercie les trois pôles du département, et nos collègues du DPET et du DSTI, dont les calculs et les mesures thermiques irriguent une grande partie de ces pages.

Nathalie GarnierDirectrice du département DSMR
1 600 °Csur le bouclier d'une capsule qui revient d'orbite
2 600 °Cpour un retour direct depuis Mars
10 km/svitesse typique d'un débris qui percute un engin
−170 °Cau sol pendant la nuit lunaire

01Le matériau fixe la limite

Pour un ingénieur, un matériau se résume rarement à une seule qualité. Il doit être assez résistant pour porter une charge, assez rigide pour ne pas se déformer, assez léger pour ne pas alourdir le lancement, et garder ces propriétés sur toute la plage de températures qu'il rencontrera. Dans l'espace, ces exigences se contredisent souvent.

La masse pèse sur tout. Chaque kilogramme placé en orbite coûte cher, et beaucoup plus encore lorsqu'il doit aller jusqu'à Mars et en revenir. D'où la place des composites : en associant des fibres et une matrice, on obtient un matériau plus léger et plus résistant que chacun de ses composants.

La température, ensuite. Un satellite en orbite basse passe de l'ombre de la Terre au plein soleil seize fois par jour, avec des écarts de plus de 250 °C. Un bouclier de rentrée monte à plus de 1 500 °C en quelques minutes. Un propulseur chauffe en continu pendant des milliers d'heures. Aucun matériau ne convient à toutes ces situations.

Enfin, la durée. Beaucoup de matériaux supportent une température extrême pendant quelques secondes. Très peu la supportent pendant des mois, surtout lorsqu'elle varie. C'est souvent la fatigue, l'accumulation de petits cycles, et non un effort unique, qui finit par fissurer une pièce.

02De −250 à 3 000 °C : à chaque milieu ses matériaux

Chaque famille de matériaux a une plage d'emploi : au-dessous, elle devient cassante ; au-dessus, elle s'oxyde, fond ou perd sa résistance. Choisissez un milieu pour voir quelles familles conviennent.

Plages indicatives d'emploi durable, protection comprise. Au-delà, certaines familles tiennent quelques secondes ou quelques minutes, ce qui suffit parfois : un bouclier de rentrée ne sert qu'une fois.

03Composites céramiques : rendre la céramique tenace

Les céramiques techniques, comme le carbure de silicium, résistent à des températures où les meilleurs métaux ont déjà cédé. Elles sont aussi trois fois plus légères qu'un superalliage de nickel. Leur défaut est connu de tous ceux qui ont laissé tomber une assiette : elles sont fragiles. Une fissure, une fois amorcée, traverse la pièce sans rencontrer d'obstacle.

Les composites à matrice céramique contournent ce problème. On tisse des fibres céramiques, puis on les enrobe d'une matrice de même nature. Entre les deux, une couche très fine, l'interphase, est volontairement faible : quand une fissure l'atteint, elle dévie le long de la fibre au lieu de la couper. Le matériau s'endommage progressivement au lieu de casser net.

Le carbure de silicium a un autre atout : chauffé à l'air, il se couvre d'une fine couche de silice qui le protège de l'oxydation, jusque vers 1 600 °C. Au-delà, cette couche ne suffit plus. Tout l'enjeu des travaux actuels est de gagner une centaine de degrés, en protégeant les fibres et en ajoutant des revêtements.

En ce moment au DSMRDepuis juin, le banc à plasma HÉLIOS-3 soumet un composite céramique destiné aux boucliers de rentrée à des cycles de chauffage de plusieurs minutes. La campagne se poursuivra jusqu'en 2025. Un article paru ce mois-ci présente une nouvelle génération de ces composites pour les tuyères.

04Alliages réfractaires : chauds, lourds et exigeants

Niobium, molybdène, tantale, tungstène : ces métaux fondent entre 2 400 et 3 400 °C, bien au-dessus du fer ou du nickel. Ils gardent leur rigidité à des températures où l'acier coule presque. On les retrouve dans les extensions de tuyère, les chambres de combustion des petits moteurs et les grilles des propulseurs ioniques.

Ils ont trois défauts. Ils sont lourds : le tungstène est presque deux fois et demie plus dense que l'acier. Ils s'oxydent très vite à l'air chaud, au point que le molybdène se transforme en fumée d'oxyde au-delà de 700 °C ; il faut donc les protéger par des revêtements. Enfin, certains deviennent cassants à froid, dès la température ambiante pour le tungstène.

Pour PROMETHEUS, le DSMR étudie la tenue des grilles d'accélération, qui doivent garder leur forme au dixième de millimètre pendant des milliers d'heures tout en étant érodées par les ions. Un article paru en septembre décrit comment des fissures de fatigue apparaissent dans ces alliages sous l'effet des cycles de chauffe et de refroidissement.

05Rentrée atmosphérique : le bouclier qui se consume

Une capsule qui revient d'orbite basse entre dans l'atmosphère à près de 8 km/s. L'air, comprimé devant elle, devient un plasma, et la surface du bouclier dépasse 1 500 °C. Au retour de Mars, la vitesse d'entrée atteint 11 à 12 km/s. Or le flux de chaleur croît à peu près comme le cube de la vitesse : il est trois à quatre fois plus intense.

Il existe deux stratégies. Les protections réutilisables, en céramique ou en composite, supportent la chaleur et la rayonnent. Elles conviennent aux rentrées depuis l'orbite. Les protections ablatives se consument volontairement : en se décomposant, elles absorbent l'énergie et forment une couche de gaz qui éloigne le plasma de la paroi. Elles ne servent qu'une fois, mais ce sont les seules à supporter un retour interplanétaire.

C'est aussi le choix retenu pour les capsules de descente d'ARTEMIS-9, qui déposeront l'équipage et le matériel à la surface de Mars. Le DSMR y travaille avec le DPET, qui modélise l'écoulement et les échanges de chaleur, et le DSTI, qui simule la dégradation du matériau au fil de la descente.

06Débris et orbite : l'usure invisible

En orbite, un éclat d'un centimètre frappe avec l'énergie d'une voiture lancée en ville. Les débris de quelques millimètres sont trop petits pour être suivis depuis le sol et trop nombreux pour être évités. Il faut donc blinder. Le principe est contre-intuitif : plutôt qu'une paroi épaisse, on place une tôle mince à distance de la structure. Elle pulvérise le projectile, et le nuage de fragments s'étale avant d'atteindre la paroi principale.

En février 2023, le DSMR a montré au canon à gaz léger CHOC-2 qu'un bouclier glissant deux tissus techniques entre deux tôles arrête des projectiles 2,7 fois plus lourds qu'un bouclier classique de même masse. Ce concept protège aujourd'hui les modules d'habitation d'ARTEMIS-9, partis le 14 juillet.

L'orbite use aussi les matériaux sans les percer. L'oxygène atomique, présent en orbite basse, ronge les films polymères et les résines. Les ultraviolets jaunissent les revêtements et modifient leur capacité à rejeter la chaleur. Le pôle Fatigue et rupture suit ce vieillissement sur des échantillons exposés plusieurs années.

07Lune et Mars : bâtir avec ce que l'on trouve

À la surface de la Lune, le sol passe de +120 °C le jour à −170 °C la nuit, qui dure plus de quatorze jours terrestres. La poussière, faite de grains anguleux jamais érodés par le vent ou l'eau, raye les joints, bloque les mécanismes et s'infiltre partout. Sur Mars, l'atmosphère protège un peu du froid et des rayonnements, mais la poussière y est fine et omniprésente.

Transporter tous les matériaux depuis la Terre est hors de portée. D'où l'intérêt pour le régolithe, le sol local. Chauffé au-delà de 1 000 °C, il se fritte : ses grains se soudent sans fondre. Le DPET a montré en 2023 qu'un bloc de régolithe fritté peut stocker la chaleur du jour lunaire pour traverser la nuit. Le DSMR étudie la même technique pour fabriquer des dalles, des murs de protection et des pièces simples sur place.

Ces matériaux ne remplaceront pas les alliages et les composites de la structure principale. Mais chaque tonne produite sur place est une tonne de moins à lancer, et les murs de régolithe offrent aussi une protection contre les rayonnements et les micrométéorites.

08Les moyens d'essai du DSMR

Aucun matériau ne vole sans avoir été éprouvé au sol, souvent au-delà des conditions attendues. Le département dispose de six installations principales, sur les sites de Bordeaux et de Toulouse.

Tableau 1Installations d'essai du département
InstallationCe qu'elle reproduitOrdre de grandeur
Banc à plasma HÉLIOS-3BordeauxLa rentrée atmosphérique : un jet de plasma chauffe l'échantillon comme l'air comprimé devant une capsule.jusqu'à 1 800 °C en surface
Canon à gaz léger CHOC-2BordeauxLes impacts de débris et de micrométéorites.projectiles à 7 km/s
Four haute températureBordeauxLe vieillissement et l'oxydation à chaud, sous air ou sous vide.jusqu'à 2 000 °C
Machine d'essais biaxiauxToulouseLes efforts combinés que subit une structure : traction, compression, cisaillement.charge dans deux directions
Tour de choc instrumentéeToulouseLes chocs de séparation d'étage et d'atterrissage.chocs de plusieurs milliers de g
Banc vibro-acoustiqueToulouseLe bruit et les vibrations du lancement.jusqu'à 150 dB
Les essais thermiques sous vide, qui simulent les cycles jour-nuit en orbite, sont réalisés dans les chambres du programme ATLAS.

09Entretien avec Clara Duchêne

Clara DuchêneIngénieure de recherche au pôle Matériaux composites du DSMR, responsable de la campagne HÉLIOS-3.

À quoi ressemble une journée d'essai au banc à plasma ?
À beaucoup de préparation pour quelques minutes de tir. On instrumente l'échantillon, on règle le jet, on vérifie les caméras thermiques. Puis le plasma chauffe la surface pendant trois à cinq minutes, et tout se joue là. Le lendemain, on découpe l'échantillon au microscope pour voir ce que la chaleur a changé à l'intérieur. C'est souvent là que se trouvent les vraies surprises.
Qu'est-ce qui rend un composite céramique si difficile à mettre au point ?
Il faut maîtriser toute la chaîne. La tenue finale dépend du tissage des fibres, de l'épaisseur de l'interphase, de la porosité de la matrice, du revêtement. Changer un seul paramètre peut faire gagner cinquante degrés ou en faire perdre cent. C'est pour cela qu'on avance échantillon par échantillon, en recoupant chaque essai avec les simulations du DSTI.
Vous étiez aussi dans l'équipe du bouclier contre les débris.
Oui, et les deux sujets se ressemblent plus qu'on ne le croit. Dans les deux cas, on ne cherche pas un matériau qui ne s'abîme jamais. On cherche un matériau qui s'abîme d'une façon prévisible, et qui protège ce qu'il y a derrière. C'est la même philosophie qui a guidé la conception du bouclier multicouche.

10Feuille de route

Les travaux présentés ici ont servi à qualifier les matériaux d'ARTEMIS-9, parti en juillet, et préparent ceux qui permettront d'étendre la colonie. Les prochaines étapes, telles qu'elles sont prévues à la date de parution :

  1. Lancement de la campagne HÉLIOS-3Cycles de chauffage d'un composite céramique pour bouclier de rentrée.
  2. Fin des essais au banc à plasmaPublication des résultats à la suite de la campagne.
  3. Retour d'expérienceComportement des modules d'ARTEMIS-9 après leur installation sur Mars.
  4. Matériaux de construction martiensPremiers essais de briques de régolithe pour l'extension de la colonie.
  5. Modules d'extensionLes matériaux étudiés dans ce numéro équiperont les prochains envois vers la colonie.

Hors-série N°2, octobre 2024. Directeur de la publication : Jean-Luc Rousseau. Coordination scientifique : Nathalie Garnier. Contributions : pôles Matériaux composites, Structures avancées et Fatigue et rupture du DSMR, avec le DPET et le DSTI ; service Communication scientifique. La version imprimée (72 pages) comprend les fiches techniques des sept familles de matériaux.