La technologie au cœur de la course à l’espace du secteur privé

La nature volatile des moteurs de fusées spatiales signifie que de nombreux premiers prototypes finissent par être intégrés dans des talus de terre ou décorer la cime de tous les arbres qui sont assez malheureux pour les sites d’essai voisins. Les explosions involontaires sont en fait si courantes que les scientifiques des fusées ont trouvé un euphémisme pour désigner le moment où cela se produit : un démontage rapide et imprévu, ou RUD en abrégé.

Chaque fois qu’un moteur de fusée explose, la source de la panne doit être trouvée afin qu’elle puisse être réparée. Un nouveau moteur amélioré est ensuite conçu, fabriqué, expédié sur le site d’essai et mis à feu, et le cycle recommence, jusqu’à ce que le seul démontage qui ait lieu soit du type lent et programmé. Le perfectionnement des moteurs de fusée de cette manière est l’une des principales sources de retards de développement dans une industrie spatiale en pleine expansion.

Aujourd’hui, la technologie d’impression 3D, utilisant des alliages métalliques résistants à la chaleur, révolutionne le développement de fusées par essais et erreurs. Des structures entières qui auraient nécessité auparavant des centaines de composants distincts peuvent désormais être imprimées en quelques jours. Cela signifie que vous pouvez vous attendre à voir beaucoup plus de fusées exploser en petits morceaux dans les années à venir, mais les pièces dont elles sont réellement constituées sont appelées à devenir plus grandes et moins nombreuses à mesure que la course spatiale du secteur privé s’intensifie.

Les moteurs de fusée génèrent l’équivalent énergétique de la détonation d’une tonne de TNT chaque seconde, dirigeant cette énergie dans un échappement qui atteint des températures bien supérieures à 3 000 ℃. Les moteurs qui gèrent cela sans se dissimuler rapidement de manière imprévue mettent au moins trois ans à concevoir à partir de zéro, dont la plupart sont pris en charge par le processus cyclique de refonte, de reconstruction, de réallumage et de répétition.






C’est parce que les moteurs de fusée sont incroyablement complexes. Les moteurs F-1 de Saturn V qui ont projeté Neil Armstrong vers la Lune en 1969 avaient chacun 5 600 pièces fabriquées. Beaucoup d’entre eux provenaient de différents fournisseurs et devaient être individuellement soudés ou boulonnés à la main, ce qui prenait du temps.

Ce processus long et coûteux aurait pu être bien dans les années 1960, avec le gouvernement américain envoyant de l’argent à la Nasa pour alimenter la course à l’espace, mais pour les entreprises privées, cela prend tout simplement trop de temps.

Ajouter du carburant pour fusée

La clé d’un développement rapide du moteur est de réduire le nombre de pièces, ce qui réduit le temps nécessaire pour assembler le moteur et les perturbations causées par les retards de la chaîne d’approvisionnement. La façon la plus simple de le faire est de changer les procédés de fabrication. Les entreprises spatiales s’éloignent désormais des procédés de fabrication soustractifs – qui enlèvent de la matière pour façonner une pièce – au profit des procédés de fabrication additive qui construisent une pièce en y ajoutant petit à petit de la matière.

Moteurs-fusées imprimés en 3D : la technologie au cœur de la course à l'espace du secteur privé

Les moteurs de fusée F-1 qui ont lancé Apollo 11 vers la Lune étaient constitués de milliers de pièces individuelles. Crédit : Nasa/Wikimedia

Cela signifie l’impression 3D. De plus en plus, les ingénieurs privilégient un processus appelé frittage laser sélectif pour imprimer en 3D des pièces de moteur de fusée dans un processus additif. Il fonctionne en déposant d’abord une couche de poudre métallique, avant de fondre des formes dans la poudre avec des lasers. Le métal se lie là où il a fondu et reste poudreux là où il ne l’est pas. Une fois la forme refroidie, une autre couche de poudre est ajoutée et la pièce est constituée couche par couche. Pour les moteurs de fusée, une poudre de superalliage de cuivre Inconel est utilisée, car elle peut résister à des températures très élevées.

Le frittage laser sélectif permet d’imprimer plusieurs composants en interne, en une seule pièce unifiée, en quelques jours. Lorsqu’un RUD se produit et que le défaut est détecté, les ingénieurs peuvent créer un correctif à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D, intégrant des pièces très complexes dans de nouveaux moteurs de fusée pour des essais de tir quelques jours plus tard.

L’utilisation de l’impression 3D aide également les fabricants à réduire le poids de la fusée complète, car moins d’écrous, de boulons et de soudures sont nécessaires pour produire leur structure complexe. L’impression 3D est particulièrement utile dans la fabrication de la buse complexe refroidie par régénération d’un moteur, qui achemine le carburant froid autour du moteur chaud pour simultanément refroidir les parois du moteur et préchauffer le carburant froid avant la combustion.

Une refonte des moteurs Apollo F-1 à l’aide de l’impression 3D a réduit le nombre de pièces de 5 600 à seulement 40. Aucune entreprise n’a encore réduit ce nombre à un, mais il est indéniable que l’impression 3D a ouvert une nouvelle ère de rapidité, développement de moteurs de fusée réactifs.







Comment les ingénieurs impriment des pièces en 3D. Crédit : Stratasys Direct Manufacturing

Entreprise viable

Cela compte pour les entreprises spatiales privées. Construire une fusée n’est pas bon marché. Les investisseurs peuvent devenir volages à mesure que le tas de ferraille RUD commence à s’accumuler. Les entreprises en lice pour lancer des charges utiles dans l’espace subissent un coup de relations publiques chaque fois qu’elles sont obligées de repousser leurs calendriers de lancement en raison de fusées défectueuses.

Pratiquement toutes les nouvelles entreprises de fusées et les startups spatiales adoptent la technologie d’impression 3D sur métal. Il accélère leur phase de développement, les aidant à survivre aux années cruciales avant qu’ils ne parviennent à envoyer quoi que ce soit dans l’espace. A noter, Rocket Lab, qui utilise son moteur imprimé en 3D pour lancer des fusées depuis la Nouvelle-Zélande, et Relativity Space qui imprime en 3D l’intégralité de sa fusée. Au Royaume-Uni, il y a Skyrora et Orbex. Ce dernier vise à lancer une fusée à l’aide d’un moteur imprimé en 3D dès 2022.

Il reste à voir si une fusée entière, y compris son moteur, peut être imprimée en 3D en une seule pièce. Mais c’est clairement la direction à prendre pour une industrie dans laquelle une fabrication interne légère et complexe définira quelles charges utiles entreront en orbite et qui finiront par se dissimuler rapidement à un moment inopportun.


À la recherche de la science des fusées dans des endroits inattendus


Fourni par La Conversation

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.La conversation

Citation: Moteurs de fusée imprimés en 3D : La technologie au cœur de la course à l’espace du secteur privé (2021, 20 septembre) récupéré le 20 septembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-09-3d-printed-rocket-technology-private- secteur.html

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