C’est le 11 janvier qu’a été présentée la nouvelle fusée de SpaceX, celle qui succédera à terme aux deux lanceurs actuels de l’entreprise, le Falcon 9 et le Falcon Heavy. Son look résolument rétro a immédiatement fait penser à la fusée dont se sert Tintin pour se rendre sur la Lune. Mais plus que son aspect général, ce sont les choix d’ingénierie de SpaceX qui interpellent.
L’entreprise américaine a en effet renoncé à une conception en fibre de carbone. À la place, elle utilise désormais un alliage spécial à base d’acier inoxydable. Celui-ci est utilisé aussi bien pour la fusée Starship (nom donné au véhicule spatial ainsi qu’à l’étage supérieur) que pour le booster Super Heavy (qui constitue le premier étage de l’engin).
Il peut sembler bien étrange de voir une entreprise comme SpaceX, pourtant en pointe dans l’industrie aérospatiale, opter pour un « banal » alliage de fer, de chrome et de carbone pour le fuselage de sa fusée. Surtout à l’heure où, justement, il existe sur le marché des combinaisons de matériaux beaucoup plus complexes. Mais il s’avère que ce choix de la vieille école a en réalité du sens.
Pourquoi un revirement aussi fondamental ? C’est au site Popular Mechanics qu’Elon Musk a bien voulu détailler les raisons de cette modification industrielle d’ampleur. Car il faut bien dire qu’au départ, le fondateur de SpaceX était un peu tout seul à aller dans cette direction. « C’est quelque peu contre-intuitif », a-t-il ainsi expliqué. « Il m’a fallu pas mal d’efforts pour convaincre l’équipe ».
Coût, facilité d’emploi…
Grossièrement, quatre arguments ont été avancés par Elon Musk pour privilégier l’alliage en acier inoxydable à une structure complexe en fibre de carbone : le coût du matériau au kilo, le faible taux de déchet par rapport à l’ancienne solution, la facilité d’emploi permettant une construction plus rapide et ses propriétés mécaniques lorsque le matériau est traité d’une certaine façon.
Concernant le prix, Elon Musk observe que la fibre de carbone coûte 135 dollars le Kg, contre 3 dollars pour l’acier. Le prix du kilogramme exploitable de fibre de carbone atteint même plutôt les 200 dollars si l’on tient compte de la part de carbone (35 %, d’après Elon Musk) qui n’est plus exploitable à cause de certaines manipulations réalisées pendant le processus de fabrication.
Hormis les considérations financières — qui comptent malgré tout pour SpaceX, qui est dans une logique de construction à bas coût — et industrielles — qui permet de ne pas gâcher le matériau et de le traiter avec moins de difficulté et plus vite qu’une solution à base de fibre de carbone –, ce sont surtout des constations physiques qui ont plaidé en faveur de cette nouvelle approche.
…mais aussi propriétés mécaniques
« La plupart des aciers, quand ils atteignent des températures cryogéniques, deviennent très fragiles. […]. C’est vrai pour la plupart des aciers, mais pas pour l’acier inoxydable qui a une teneur élevée en chrome-nickel. En fait, cela augmente la résistance et la ductilité [la faculté d’un matériau à se déformer sans se rompre, ndlr] est encore très élevée », observe Elon Musk.
L’acier inoxydable répond également bien en ce qui concerne la ténacité, une faculté limitant ou stoppant la propagation d’une fissure. Selon Elon Musk, un traitement cryogénique permet d’augmenter la résistance de 50 %. C’est un enjeu clé, car SpaceX veut réutiliser ses pièces de fusée, qui sont soumises à de fortes vibrations et à des températures élevées, deux facteurs pouvant aggraver les fissures.
Ce matériau a par ailleurs un point de fusion élevé, ce qui est heureux : la chaleur à la surface d’un véhicule spatial en rentrée atmosphérique atteint des températures extrêmement élevées. Ce matériau peut ainsi encaisser des pointes d’environ 815 à 870°C sans subir l’effondrement d’une autre de ses autres propriétés mécaniques, comme la résistance.
Un acier qui réagit bien sur une large plage thermique
Certes, Elon Musk note que la fibre de carbone fond, mais il relève qu’au-delà d’une certain point, la résine est détruite. « Donc typiquement, pour une température de fonctionnement stable, vous êtes vraiment limité », à 150, voire peut-être 180°C. Au-delà, le matériau s’affaiblit. « Il y a des fibres de carbone qui peuvent supporter 200°C, mais il y a aussi les effondrements de résistance ».
De façon générale, l’acier retenu a un comportement satisfaisant sur une grande plage thermique, que ce soit à très basse température — ce qui est requis pour le stockage des ergols, le carburant servant à propulser la fusée — ou très haute — les rentrées atmosphériques échauffent les surfaces à cause du contact à très haute vitesse entre l’atmosphère et le véhicule –.
Poids et refroidissement
Reste la question de la masse : l’acier pèse lourd. Mais du fait de ses propriétés, il sera possible d’alléger la structure en jouant sur d’autres éléments. Par exemple, le bouclier thermique pourra être aminci et retiré par endroits, compensant ainsi le surplus de masse causé par l’acier. Bien sûr, « la masse de l’écran thermique dépend de la température à l’interface », rappelle Elon Musk.
Or, puisque la fusée résistera mieux à la chaleur et qu’un système ingénieux d’évacuation de la chaleur a été imaginé, il est possible de réduire l’épaisseur de ce bouclier thermique. « Ce que je veux, c’est le tout premier bouclier thermique régénérant. Une couche à double paroi en acier inoxydable, en forme de coquille », explique le chef d’entreprise. Et entre ces deux plaques agirait le liquide de refroidissement.
Faire transpirer la fusée pour l’aider à refroidir
L’idée est de faire couler du liquide ou de l’eau entre les couches pour récupérer la chaleur et ensuite l’évacuer hors de la fusée via des micro-perforations sur la face extérieure. Ces micro-perforations ne seraient pas visibles à l’oeil nu, sauf à en se rapprochant beaucoup du fuselage. En somme, l’idée est de faire « transpirer » la fusée pendant les phases les plus décisives du vol.
« Pour autant que je sache, cela n’a jamais été proposé auparavant », se satisfait Elon Musk. Il ne reste plus qu’à voir si cette approche originale sera couronnée de succès. Et de voir si elle supportera le planning intensif suivi par SpaceX, où chaque élément doit pouvoir faire plusieurs vols. Le suivi de la fatigue des matériaux sera en l’espèce déterminant pour la suite.
L'entrée atmosphérique des débris de Mir dans Gravity
Source : Gravity
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