NCC et Thales Alenia Space font évoluer les réservoirs spatiaux en composites

Filiale à 100 % de l’université de Bristol, NCC est une organisation à but non lucratif qui transforme la recherche scientifique et technique en impact industriel. Avec les conseils de Thales Alenia Space, NCC a fabriqué un réservoir de démonstration entièrement en composite sans revêtement intérieur (type V) représentatif de ceux utilisés pour les réservoirs de propergol, un produit de propulsion, des lanceurs et des satellites, offrant un gain de poids estimé à 30 % par rapport aux réservoirs métalliques conventionnels actuellement utilisés. NCC a fait cette démonstration afin de susciter l’intérêt du Royaume-Uni pour la fabrication de réservoirs en composite destinés aux besoins futurs en matière de propulsion spatiale. Ce projet démontre comment la technologie avancée des composites peut jouer un rôle essentiel dans les futures structures techniques de propulsion spatiale.

Des matériaux composites dans l’espace

L’objectif général du projet SpaceTank était de développer au Royaume-Uni les outils de recherche et développement nécessaires à la fabrication et à l’inspection des réservoirs sous pression de type V. Ce projet permettrait à NCC de mieux soutenir la croissance de l’économie britannique dans le domaine des lanceurs spatiaux et de la propulsion des satellites. Dans un secteur où les prix sont déterminés par la masse de lancement et où une réduction de poids d’un kilogramme peut rapporter des milliers de livres aux fabricants de lanceurs et de satellites, NCC montre comment les composites peuvent jouer un rôle essentiel dans la réduction du poids structurel d’un réservoir afin de réduire les coûts de lancement des satellites.

Les réservoirs sont importants dans l’industrie spatiale pour contenir les nombreux liquides et gaz nécessaires aux missions, tels que l’hélium, l’hydrogène liquide, l’oxygène liquide et le RP-1. Il est essentiel pour la réussite des missions spatiales que ces réservoirs soient aussi légers, solides et durables que possible. Le projet SpaceTank, d’une durée d’un an, s’est concentré sur le développement d’une nouvelle solution de fabrication de réservoirs destinés à contenir des propergols et des agents de pressurisation classiques.

Certaines entreprises explorent déjà l’utilisation de matériaux composites dans la conception de réservoirs spatiaux. NCC cite par exemple, Virgin Orbit (États-Unis) et RocketLab (Nouvelle-Zélande) qui ont toutes deux développé et testé des réservoirs composites comme alternative au métal pour leurs fusées Launcher One et Electron respectivement. De même en Australie, avec Omni Tanker et ses partenaires qui cherchent à développer et à commercialiser un réservoir d’hydrogène liquide composite sans revêtement intérieur. En Europe, NCC constate également que MT Aerospace développe des matériaux et des méthodes de fabrication et procède à des essais pour un nouveau réservoir de carburant pour fusées. Le projet SpaceTank du NCC permet ainsi au Royaume-Uni de se positionner comme un acteur clé dans ce domaine.

Les caractéristiques de conception et performances

Le démonstrateur SpaceTank de NCC mesure 750 mm de long et 450 mm de diamètre, avec une capacité de stockage de fluide supérieure à 96 l. Ce SpaceTank a été conçu et fabriqué avec une épaisseur de paroi nominale de 4,0 à 5,5 mm, ce qui lui permet de résister à une pression de 85 bars de propergol. Le corps principal en composite de carbone ne pèse que 8 kg, mais comme pour toutes les structures techniques, le SpaceTank offre d’autres possibilités d’optimisation de cette réduction de poids. La pression nominale du SpaceTank de NCC peut être augmentée en utilisant des fibres de carbone plus résistantes et en augmentant l’épaisseur du composite. Le SpaceTank pourrait également être optimisé en termes de poids et de coût pour des applications à pression beaucoup plus faible en utilisant un matériau composite plus fin et moins rigide.

Au cours du projet SpaceTank, l’équipe de NCC a mis au point une méthode pour intégrer les orifices de soupapes métalliques à l’outil lavable, afin d’éliminer tout assemblage secondaire et toute opération de collage nécessaires pour le produit final. Ces orifices de soupapes ont été maintenus dans l’outillage, ce qui a permis de les coller au composite de carbone au cours de la dernière étape du processus de fabrication.

« Les réservoirs et systèmes de carburant légers joueront un rôle important dans les futurs véhicules propulsés par (le moteur) Sabre. Réduire la masse et le poids des composants représente un défi de taille, et nous sommes enthousiasmés par le projet innovant SpaceTank du NCC », a déclaré Richard Varvill, directeur technique chez Reaction Engines, une entreprise britannique qui travaille depuis des décennies sur un moteur-fusée à combustion atmosphérique destiné aux avions spatiaux et autres véhicules hypersoniques.

Une combinaison d’expertises

Le processus de fabrication du SpaceTank a nécessité l’intervention de divers acteurs des composites. Pour le corps principal en composite de carbone, le NCC a utilisé du préimprégné de carbone époxy MTC510 fourni par SHD Composites d’une largeur de bande de 300 mm. Le MTC510 est un système de résine époxy spécialement conçu pour durcir entre 80 °C et 120 °C et renforcé pour augmenter sa tolérance aux dommages.

Ce matériau a été préparé pour le processus de fabrication du SpaceTank par Bindatex, qui a procédé à un refendage de précision de la bande en largeur étroite et a livré 22 000 m de matériau au format 6,35 mm, parfaitement préparé conformément aux exigences de NCC pour une utilisation dans sa cellule de fabrication Coriolis Automated Fibre Placement (AFP).

Le ruban fendu a été déposé sur l’outillage lavable à l’aide du système d’enroulement filamentaire sous tension Coriolis AFP. Une combinaison d’enroulement hélicoïdal et circulaire conçue par les ingénieurs de NCC à l’aide du logiciel d’enroulement filamentaire breveté Cadwind de Material a été utilisée pour déposer plus de 24 couches de matériau d’une épaisseur nominale de 5,5 mm. L’épaisseur et la direction/l’angle d’enroulement utilisés l’étaient uniquement à des fins de démonstration mais NCC peut augmenter ou diminuer l’épaisseur de la paroi composite et modifier l’angle d’enroulement et la structure des plis afin d’optimiser entièrement le réservoir pour une pression ou une charge spécifique.

Après le dépôt du matériau, le SpaceTank de NCC a été inspecté afin de détecter d’éventuels défauts et variations d’épaisseur. Il a ensuite été durci en autoclave à 100 °C, puis réinspecté. Des techniques d’inspection par ultrasons C-Scanning et thermographie non destructives (NDT) ont été utilisées après le durcissement, et ces méthodes ont été comparées et contrastées pour déterminer leur adéquation à l’inspection de futurs réservoirs à la recherche de défauts tels que la délamination et la porosité. Le noyau interne de l’outillage a, pour finir, été lavé à l’eau froide sous pression afin de vider la cavité interne du réservoir.

La technique d’outillage pour le NCC SpaceTank sans revêtement s’est avérée difficile, ce qui a conduit NCC à développer un processus de moulage en partenariat avec AeroConsultants, en utilisant leur matériau de noyau soluble dans l’eau Aqua. L’outil fini comprend un noyau mâle centralisé d’une épaisseur nominale de 30 mm, moulé en deux parties puis collé. Il comporte 3 anneaux de renfort internes lavables qui ont été conçus et fabriqués pour aider à résister à la charge de torsion prévue lors de la stratification composite automatisée et à la pression exercée pendant le durcissement en autoclave.

« Les réservoirs composites sont importants pour nous car ils permettent de réduire considérablement le coût et le poids des futurs systèmes satellitaires. Grâce à l’aide apportée par le NCC pour améliorer les performances de nos systèmes, nous pouvons fournir le meilleur service possible aux gouvernements, institutions et entreprises qui comptent sur nous », a conclu Roger Ward, directeur technique chez Thales Alenia Space.

Cover photo: NCC