Un carbone ouvert

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13135 (2023) Citer cet article

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Les missions d'exploration spatiale s'appuient sur des boucliers thermiques ablatifs pour la protection thermique des engins spatiaux lors des vols d'entrée dans l'atmosphère. Bien que des recherches dédiées soient nécessaires pour les missions futures, la communauté scientifique a un accès limité aux matériaux ablatifs généralement utilisés dans l'aérospatiale. Dans cet article, nous rapportons le développement du matériel expérimental de laboratoire d’ablation-recherche HEFDiG (HARLEM), un ablateur carbone-phénolique conçu pour répondre aux besoins en matériaux ablatifs dans les expériences de laboratoire. HARLEM est fabriqué à partir de préformes en fibre de carbone à base de polyacrylonitrile et d'un procédé de traitement simplifié pour l'imprégnation phénolique. Nous avons caractérisé les performances de protection thermique de HARLEM dans des expériences à jet d'arc menées dans la soufflerie à plasma PWK1 de l'Institut des systèmes spatiaux de l'Université de Stuttgart. Nous avons évalué les performances du nouveau matériau en mesurant le taux de récession de surface et la température à l'aide d'installations de photogrammétrie et de thermographie au cours des expériences, respectivement. Nos résultats montrent que les performances de protection thermique de HARLEM sont comparables à celles des ablateurs carbone-phénoliques existants qui ont été validés dans différentes installations à jet d'arc ou en vol, comme le démontrent les calculs de la chaleur effective d'ablation et la microscopie électronique à balayage des échantillons tels que produits. La fabrication en interne d'ablateurs carbone-phénolique permet l'ajout de diagnostics intégrés aux ablateurs, permettant l'acquisition de données sur la pression interne et des techniques d'analyse de pyrolyse plus sophistiquées.

Les engins spatiaux pénétrant dans les atmosphères planétaires subissent des charges aérothermiques élevées et nécessitent des systèmes de protection thermique dédiés1,2. À des vitesses d’entrée supérieures à 11 km/s, les écrans thermiques ablatifs sont généralement utilisés pour la protection thermique en raison des flux thermiques extrêmes auxquels les engins spatiaux doivent résister3. Une compréhension approfondie des mécanismes combinés sous le terme ablation et de leur impact sur les performances des boucliers thermiques est essentielle pour optimiser les systèmes de protection thermique et réduire les risques impliqués dans les missions spatiales les plus difficiles.

Les ablateurs carbone-phénoliques sont les matériaux ablatifs de pointe et ont fréquemment été choisis pour les systèmes de protection thermique des missions de découverte3. Ils sont capables de dissiper de grandes quantités de chaleur par ablation et, du fait de leur forte teneur en carbone, par réémission de rayonnement4,5. Pour évaluer les performances des matériaux ablatifs et étudier leur interaction complexe avec des flux à haute enthalpie, les chercheurs reproduisent les conditions d’entrée atmosphérique dans des souffleries à plasma. Les données générées lors de ces expériences sont cruciales pour valider les modèles numériques, qui sont ensuite utilisés pour concevoir et optimiser les matériaux de bouclier thermique. Cependant, obtenir des paramètres de matériaux précis au cours d’une expérience reste un défi, notamment lors de l’analyse de processus internes, nécessitant un équipement de diagnostic spécialisé. Pour améliorer la qualité de la recherche, il est nécessaire de disposer de données matérielles plus fondamentales et de nouvelles techniques de diagnostic capables de mesurer des paramètres auparavant inaccessibles.

Les techniques de diagnostic nécessitent souvent à la fois la production de matériel et la mise en œuvre d’instruments, ce qui peut être difficile à reproduire. De plus, les méthodes de traitement utilisées pour fabriquer les ablateurs conventionnels ne sont généralement pas divulguées dans la littérature ouverte, car elles sont souvent exclusives et détenues par des entreprises ou des agences gouvernementales. Par exemple, les rapports décrivant le développement de l’ablateur carbone-phénolique PICA6,7,8 ne permettent pas sa reproduction, même si la méthode a été brevetée9,10. D'autres ablateurs carbone-phénoliques, notamment ASTERM, AQ61 et ZURAM11, ainsi que d'autres variantes d'ablatateurs telles que AVCOAT, Cork P50, MA-25S, MonA, SLA-561 et ACUSIL sont des matériaux exclusifs appartenant à diverses organisations, dont la NASA. Ames Research Center, le Centre aérospatial allemand, Airbus SE, Amorim Cork Composites, Textron Inc., Peraton Inc. et Lockheed Martin Corp. En conséquence, la capacité de la communauté des chercheurs à étudier ces matériaux est limitée, ce qui peut entraver le développement de systèmes avancés de protection thermique pour les missions d’exploration spatiale.