Protection thermique navette spatiale

[inviteecefb678]

Bonsoir tous le monde,
Je suis en 3ème année de licence énergétique et j'ai un dossier à faire sur la protection thermique des navettes spatiales sur l'aspect matériaux.

Je suis actuellement à la recherche d'informations sur ce sujet. J'ai trouvé pour le moment qu'on utilisait de la céramique technique, du carbone-carbone... et aussi le nouveau prototype de protection sous forme de tissu isolant (composé de quartz et silice ...)

Si quelqu'un avait des sites et adresses où je pourrais récolter des informations supplémentaires sur les matériaux utilisés pour la protection des navettes.

Je rechercher également (en vain pour le moment) une animation qui montre la rentrée dans l'atmosphère d'une navette spatiale pour montrer l'intérêt d'une protection thermique.

Merci pour votre aide
Bonne soirée
-----

[Vador59]

Salut tout le monde

Ce site répond-il à tes attentes???

http://www.capcomespace.net/dossiers...ttle/index.htm

(rubrique protection thermique)

Bon courage et à bientôt!
Bonne soirée à tous

Vador

[Vador59]

Complément de réponse: je n'ai pas de video de retour dans l'atmosphère du Shuttle, mais en voici une du projet de démonstrateur européen PreX (renommé IXV)

http://www.dailymotion.com/relevance...n-douceur_tech

Cela t'aide-t-il?

[invitebba55d79]

Les tuiles de la navette spatiale sont faites à base de silice (SiO2)
et présentent à l'échelle microscopique une structure fibreuse qui permet de maximiser la surface en contact avec l'air et donc la dissipation d'énergie sous forme radiative.

De nos jours, les composites à base de carbone sont en passe d'être de plus en plus utilisés, car ils résistent très bien aux hautes températures. Le problème, c'est qu'ils s'oxydent de manière catastrophique à plus de 1000°C, c'est pourquoi on les utilisera dans des applications moins chaudes ou de courte durée de fonctionnement (cf avion X-43A), ou en tant que bouclier ablatif (les boucliers thermiques des sonde sont à base de carbone).

Concernant la recherche dans ce domaine, l'industrie aérospatiale se porte de plus en plus sur des céramiques ultra-réfractaires et particulièrement résistantes à l'oxydation HT. La NASA se penche tout particulièrement sur les carbures et les diborures d'hafnium ou de zirconium (ZrC,ZrB2, HfC, HfB2) associés à du SiC (20%).

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteecefb678]

Merci beaucoup pour vos réponses !!
Vador je connais le site capcom y'a une grande partie sur la protection thermique de l'orbiter c'est interessant ca et ta vidéo est plutôt pas mal y'a un passage qui m'intéresse ^^.

Merci To pour tes précisions. J'aurais voulu savoir si tu avais pas un article de ce que tu as dit où c'était détaillé ?
est ce que tu travailles dans le domaine ou tu tires les informations d'un site internet ?

merci beaucoup

[invitebba55d79]

Je suis ingénieur depuis peu et j'ai fait mon stage de fin d'étude à l'ONERA. Je travaillais sur des calculs aérothermiques et l'élaboration de nouveaux matériaux ultra-hautes températures dans le cadre d'un projet européen visant à construire un avion de ligne hypersonique d'ici 25 ans (genre A2).

Malheureusement je pense qu'il n'y a pas de sites très pointus dans ce domaine, c'est pourquoi il faut lire les publications scientifiques rédigées par les chercheurs des quatres coins du monde, mais c'est parfois compliqué d'y accéder et tout est en anglais.

Tu peux trouver tout ça sur sciencedirect.com : http://www.sciencedirect.com/, bien sûre c'est payant, mais si il y a une activité recherche dans ton école peut être qu'ils y ont accès.
Dans la fonction rechercher tapes par exemple "UHTC" (Ultra High Temperature Ceramic) ou "hypersonic" ou les deux... et tu trouveras énormément d'articles et des résumés gratuits.
Pour les sites, il y a wikipedia en anglais sur la rentrée atmosphérique qui est assez complet en ce qui concerne les composites ablatifs à base de carbone utilisés dans l'aérospatiale :
http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_reentry

[inviteecefb678]

ha oui !! wikipédia est beaucoup plus remplis en anglais !! lol

sinon tu as fait quelle formation ?

Merci pour ces renseignements.
Je voulais savoir j'ai lu que certaines navettes avait une couche ablasive avant la protection thermique (pour limiter la température de la protection j'imagine). Est ce que cette couche est présente sur beaucoup de vaisseau ou justement on tend à diminuer son utilisation pour obtenir un unique matériau de protection ?

J'ai également vu que suivant la zone exposé (nez, bord des ailes, ou dessous de la navette) on avait pas le même type de matériaux. Par exemple pour l'orbiter (le lien de vador), il parle de l'utilisation de 4 matériaux céramique, carbone et 2 autres types. Est ce une question de coût ou c'est pour une autre raison ?

Merci beaucoup pour ces indications

[invitebba55d79]

Ce qui est de plus en plus à la mode dans l'industrie aérospatiale, c'est d'essayer de concevoir des vaisseaux et des systèmes réutilisables. Or, il est évident que cela n'est pas possible avec des systèmes de protection ablasifs ou qui se détériorent, puisqu'ils ne peuvent être utilisés qu'une seule fois. (il faut je crois 15000h de travail entre deux lancements consécutifs d'une navette spatiale pour changer les tuiles).
La tendance est donc de plus en plus d'essayer de les remplacer par des matériaux hautes performances, capables de résister dans la durée aux échauffement et à l'oxydation haute température.
Bien évidement, on en est pas encore là, et pour certaines applications, comme la rentrée atmosphérique à forte vitesse, on a encore besoin de systèmes ablasifs. Cependant, le fait d'utiliser les deux, un système ablasif au début pour ralentir suffisamment la navette, puis une protection permanente haute performance, est aujourd'hui un compromis qui va dans ce sens.

Il y a pleins d'autres avantages liés à l'utilisation d'une protection permanente unique, comme la diminution considérable du poids ou la fiabilitées accrue. De plus, la physique pour comprendre et prévoir le comportement d'un bouclier ablasif est extrêmement complexe.

Pour ce qui est de l'utilisation de différents matériaux pour la construction d'une navette, ce n'est pas tellement une histoire de coût (le prix des matériaux n'est en général pas un facteur limitant dans le spatial). La raison et que toutes les parties d'une navette ne doivent pas répondre au même cahier des charges, et donc les matériaux changent :
Le nez et les bords d'attaque sont en général les zones les plus chaudes, mais les efforts mécaniques y sont faibles,et ces parties sont de faible dimension, l'utilisation de céramiques hautes températures (SiO2, SiC, ZrO2...), en pièces massives ou en revêtements est donc parfaitement adaptée.
En revanche, l'emplenture des ailes, est soumis à des échauffements relativement faibles mais des contraintes mécaniques très importantes, on privilégiera donc un alliage métallique (superalliage de titane ou nickel, inconnel...), ou mieux, un composite à base de fibres de carbone (tridimensionnel ou bidimensionnel selon les efforts), et une matrice organique phénolique ou PIC.

Sinon pour ma formation , bha j'ai fait une école d'ingénieur à paris et suivi une spécialisation en matériaux, et en ce moment je fais un master en physique des plasmas.

[inviteecefb678]

c'est trop bien !!! merci beaucoup pour tes réponses ! on va pouvoir creuser un peu plus avec ses compléments d'info !

merci beaucoup pour ton aide car c'est vrai que c'est pas évident de trouver des infos sur les boucliers thermiques sur internet et on a chercher dans des bouquins dans les BU mais on a pas trouver grand choses

donc je te remercie beaucoup
on va cogiter un peu la dessus et je te tiens au courant si j'ai besoin de d'autre infos

Bon weekend

[inviteec0d6e6f]

Ce qui est de plus en plus à la mode dans l'industrie aérospatiale, c'est d'essayer de concevoir des vaisseaux et des systèmes réutilisables.

popopopo....

Si j'ai bien suivi, on passe de la navette réutilisable, à Orion, non réutilisable non ?
As-tu l'exemple d'un passage actuel, ou projeté, d'un système consommable a un système réutilisable dans la catégorie des lanceurs spatiaux actuels, toute nations confondues ??

non ?

moi non plus

[invite410752ba]

popopopo....

Si j'ai bien suivi, on passe de la navette réutilisable, à Orion, non réutilisable non ?

Eh be... Non, justement la capsule Orion aux dernières nouvelles est censée être réutilisable

A+

[inviteec0d6e6f]

Eh be... Non, justement la capsule Orion aux dernières nouvelles est censée être réutilisable

A+

Ha ba !!! ha ok

si t'as un petit lien stp, thx

bon en tout cas, il n'y aurait quand même, alors, que la capsule de reutilisable, ce qui fait quelques misérables tout petit pourcent de la masse totale du lanceur.
Le Shuttle, c'était l'engin en entier quand même ... y compris les boosters.
Seul, le reservoir ventral était perdu.

c'est donc quand même une regression très importante sur le point de la réutilisation.

On peut tout de même dire que la voie du lanceur réutilisable a pris du plomb dans l'aile avec le relatif semi-echec (2 pertes et un prix de lancement astronomique) du Shuttle.

Bien sûr, cependant, c'est vrai que l'industrie spatiale est amenée a terme a s'orienter vers du reutilisable.
Je ne pense pas, cependant, que ça soit une de leur obsessions actuelles, car on peut voir avec le shuttle que l'engin réutilisable peut-être une fausse bonne idée qui se revèle un véritable gouffre financier a chaque tir.

Je dirais donc réutilisable oui, mais seulement si ça coute moins cher a terme, sinon consommable.
C'est quand même ça la philosophie actuelle des agences spatiales.
Une philosophie tout ce qu'il y a de plus logique, d'ailleurs.

[invite410752ba]

Ha ba !!! ha ok

si t'as un petit lien stp, thx

Mais bien sur...

http://fr.wikipedia.org/wiki/Orion_(...hicule_spatial)

http://www.nasa.gov/mission_pages/co...ion/index.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Orion_(spacecraft)

Et plus d'autres si affinité... LOL

De plus tu as oublier de mentionner outre le gouffre financier à chaque tir, l'autre gouffre financier pour son entretient et ses udaptes

[inviteec0d6e6f]

Et plus d'autres si affinité... LOL

me tentes pas ...LOL

merci je vais lire ça

[invitebba55d79]

popopopo....

Si j'ai bien suivi, on passe de la navette réutilisable, à Orion, non réutilisable non ?
As-tu l'exemple d'un passage actuel, ou projeté, d'un système consommable a un système réutilisable dans la catégorie des lanceurs spatiaux actuels, toute nations confondues ??

non ?

moi non plus

Le projet Orion est un projet à court terme, sa rentrée en fonction étant prévue pour 2009-2010, et qui répond à l'urgence de remplacer la navette spatiale. Moi je parle plus de la recherche dans ce secteur, qui se concentre de plus en plus vers des systèmes réutilisables ! et les projets actuellement à l'étude ne manquent pas :
http://www.futura-sciences.com/fr/ne...tilisable_730/
Aujourd'hui, essayer de construire un tel vaisseau réutilisable serait prématuré et serait effectivement un gouffre financier car la technologie n'est pas encore mature. Cependant, l'avenir du spatial passe par ce genre de technologie car cela pourrait réduire le coût d'accès à l'espace de façon considérable.
Quand je parle de court ou long terme, le projet européen d'avion hypersonique sur lequel j'ai travaillé s'inscrit sur au moins une vingtaine d'année!

[invite782086ac]

Le système de transport spatial réutilisable c'est le serpent de mer de ces dernières décennies quand même. Aucun projet, expérimental ou opérationnel n'a tenu ses promesses.
Les ingés buttent sur le problème de la propulsion combinée qui est loin d'être aussi simple qu'on a bien voulu parfois le faire croire.

La tendance s'est même inversée avec les lanceurs VEGA, FALCON, les lanceurs aéroportés (Orbital sciences), soit des lanceurs consommables mais à bas coûts. Le low cost de la mise sur orbite. Et même là, les déboires de la société Falcon montrent que c'est loin d'être facile....
On cherche plutot à réduire les couts de conception et fabrication des lanceurs.
Paradoxallement, c'est la sémiorka russe qui est imbattable... un lanceur russe produit en grande série et toujours increvable !
ça c'est de la mécanique robuste !

[inviteec0d6e6f]

Je me pose quand même la question de savoir si le shuttle n'aurait pas été un vrai bon truc si les militaires n'avaient pas considérablement gonflé les spécifications et donc le tarif du tir.

C'est surtout a cause d'eux que les couts ont flambé, n'oublions pas.
Tout ça pour ensuite se rendre compte qu'ils avaient rêvé.
Je suis sûr que c'est l'administration Reagan qui, au final est responsable de ce 3/4 d'echec (quand même pas echec complet).
Mais c'était la guerre froide ...

[invite782086ac]

J'avais lu l'histoire de la génèse du shuttle. La NASA s'appuyant sur son expérience des X-15 désirait un shuttle plus petit, parce que les dimensions d'un engin plus modeste cadraientt davantage avec les données et calculs amassés durant les vols des X15. En ce sens leur approche relevait d'un certain pragmatisme. Leurs codes de calcul étaient prêt, y avait plus qu'à faire un engin pour le transport d'astronautes en orbite vers le skylab (à l'époque).

Seulemment voilà, malgré tout il fallait défendre le budget devant le congrès, alors que le programme lunaire venait de se faire sabrer. La NASA a accepté l'apport des militaires pour être appuyée dans sa démarche en arguant du fait que l'Air Force (notamment) pouvait bénéficier des capacité de cette mini-navette. Mais, le pentagon est revenu vers eux avec un projet plus "ambitieux", en voyant là la possibilité de faire du shuttle un programme militaire visant à placer les engins lourds de la défense à moindre cout sur orbite ; réleguant -dans leur idée- les "expéditions d'astronautes"- à une option du programme qui relevait des affaires de la NASA.
Donc dès le départ, leurs positions se trouvaient en porte à faux.
Ensuite, c'est l'histoire d'un compromis, et comme tous les compromis....

[inviteecefb678]

Et quand on parle de matériau réutilisable (notamment pour la protection thermique toujours), sur quel type de matériaux pense t-on s'orienter dans les futurs recherches ?

car aujourd'hui si j'ai bien compris, les principaux sont les céramiques hautes technologies, le carbone-carbone et quoi d'autre ?

Donc sachant les tuiles de céramiques s'abiment après les vols et que le carbone est assez ablatif, par quoi va t-on les remplacer ?

merci

[invitebba55d79]

Et quand on parle de matériau réutilisable (notamment pour la protection thermique toujours), sur quel type de matériaux pense t-on s'orienter dans les futurs recherches ?

car aujourd'hui si j'ai bien compris, les principaux sont les céramiques hautes technologies, le carbone-carbone et quoi d'autre ?

Donc sachant les tuiles de céramiques s'abiment après les vols et que le carbone est assez ablatif, par quoi va t-on les remplacer ?

merci

Si les tuiles de la navette se déteriorent lors des rentrées atmosphériques, c'est qu'elles sont faites à base de silice (SiO2), qui est une céramique dont le point de fusion tourne autour de 1750°C, alors que les parties les plus chaudes de la navette peuvent atteindre 1650°C!

Cependant, les chercheurs ont identifier toute une famille de céramiques beaucoup plus résistantes, et qui ne tarderont pas, quand les procédés de fabrication seront au point, d'être utilisés dans ce secteur. Comme je l'ai dit, la NASA se penche beaucoup sur les diborures d'Hafnium et de zirconium (Tf ~3000°C), associés à du SiC et du TaSi2. Mais il en existe encore plein d'autres! même si leur nombre est limité.
L'idéal serait de disposer d'un matériaux capable de résister à l'oxydation vers 2400-2600°C, car cela permettrait de faire sauter un certains nombre de verrous technologiques dans le secteur aéronautique et spatial et notamment dans les applications de propulsion (revêtement des tuyères composites, vannage des gaz chauds, chambres de combustion...).

[inviteecefb678]

d'accord très intéressant tout ça !!

et j'ai lu sur capcom.espace qu'on essayait de développer un bouclier gonflable qui permettait d'alléger énormément le poids de la navette. Mais je ne vois nulle part en quoi serait fais ce type de bouclier.

Nous voulons parler dans notre projet des matériaux futurs qui permettront la protection des navettes donc ce serait intéressant de pouvoir développer un poil cet partie

si quelqu'un à des infos sur ce bouclier gonflable faites moi signe ? (To2 ? ^^)

[Vador59]

Salut à tous!

Une petite référence sur les projets de la Nasa: ils ne concernent pas la navette mais auraient pu être extrapolés...
http://www.imaginascience.com/actual...ments=1&id=200

L'idée apparemment est d'utiliser une partie du gaz pour créer une sorte de "tampon" au moment de la rentrée atmosphérique.

Une idée similaire avait été développée pour les pénétrateurs de la mission Mars 96 (échec en orbite terrestre et retombée dans l'atmosphère). Référence:http://www.nirgal.net/mars96.html

bonne soirée à tous!

[inviteec0d6e6f]

très ingénieux !
Y a le bouclier gonflable ET une émission de gaz a son sommet qui crée une couche de protection qui se reparti sur le bouclier gonflable et qui empêche la chaleur d'être en contact direct avec lui.

De belles économies de masse des engins a en attendre !
une rentrée, c'est quelques minutes, seulement, ou il faudra fournir du gaz au bouclier gonflable.

Ça a de l'avenir, ça ! reste à le mettre au point.

[inviteecefb678]

c'est clair c'est super intéressant !!! mais on ne dit pas quel gaz on utilise pour éloigner la chaleur et quel est le matériau utilisé pour la protection gonflable ?

cette technologie permettrait d'alléger considérablement le poids j'imagine !!

[inviteec0d6e6f]

d'un autre coté, ils ne parlent pas beaucoup des problèmes de pressions dynamique que va encaisser le bouclier.
C'est que ça va pousser grave sur ce truc là ... va falloir qu'un truc gonflable puisse encaisser une pression assez énorme, pas seulement de la chaleur.

[invitebba55d79]

J'avoue que je n'ai jamais entendu parler de ce genre de système, et j'aurais été loin de m'imaginer que la NASA s'y intéresserait autant. Il est vrai que c'est ingénieux, car le "ballon" est isolé des gaz chauds issus de l'onde de choc. j'imagine qu'ils envisagent de le remplir d'un gaz neutre et pas trop lourd, comme de l'argon.

Cette stratégie d'isoler de l'air extérieure le véhicule spatial en créant autour une ambiance gazeuse différente est la base des systèmes de protection ablasifs actuels. Par exemple l'évaporation d'un bouclier en carbone refroidit la couche limite et augmente son opacité pour limiter les transferts radiatifs entre le véhicule et l'onde de choc.
Des systèmes ont même été imaginés qui consistaient à éjecter de l'eau en avant du véhicule pour refroidir l'air.

Cependant, je reste assez septique sur cet engin :
Tout d'abord ils pensent par exemple pouvoir réduire le poids par rapport à un bouclier classique ce qui m'étonne un peu vu le volume qu'occupe l'airbag et la pression qu'il faudrait mettre à l'intérieur pour pas qu'il ne s'écrase (la décélération d'une capsule peut atteindre 10G).
En plus, comme ils le disent dans la version anglaise du document, on achoppe encore une fois sur un problème de matériaux pour réaliser ce tissu! car si il est possible de trouver des céramiques pouvant résister à de très hautes températures, il est impossible d'en faire des fibres souples, et les matériaux les plus réfractaires sont en générale très rigides et cassants.
Enfin, la simple simulation du comportement d'un tel airbag me semble extrêmement complexe : écoulements compressibles hypersoniques+aérothermochimie +écoulement diphasique (deux gaz)+interaction fluide / structure avec des grandes déformations...
ça me semble pas simple du tout la physique d'un truc pareil!!!
Je pense que des tests en soufflerie seront indispensables, mais là encore il y a un problème relevé dans l'article : les souffleries hypersoniques fonctionnent en rafales! c'est à dire pendant des temps très brefs! or ce système, très souple, nécessite du temps pour s'ouvrir ou changer de forme.
Dommage qu'il n'y ait pas plus d'infos sur le net, car je trouve ça très étonnant!

[inviteecefb678]

oui c'est carrément intéressant mais à mon avis très (trop ?) complexes à réaliser ... il n'y a pas beaucoup d'infos sur internet mais je pense que je pourrais toujours en parler dans mon projet ...

[inviteec0d6e6f]

La NASA est très enthousiaste pour cette technologie en termes d'économies de poids (ce qui signifie des lancements meilleur marché ou davantage de place pour le matériel scientifique embarqué). Il existe cependant de nombreux défis à relever avant que cette technologie soit au point.

La NASA est rarement enthousiaste sur les projet qui n'ont pas d'avenir.
Sans t'éprendre trop dessus, je penses qu'il est important que tu cites ça. Même sans rentrer dans le détail, c'est quand même une très bonne piste pour le futur.

[inviteecefb678]

oui
car en gros on va faire une intro, on va parler du phénomène physique qu'il y a lors de la rentrée dans l'atmosphère et donc pourquoi il est important de protéger les navettes. Ensuite, on va prendre 2 exemples je pense en montrant les différences et les matériaux qui sont utilisés en détaillant les caractéristiques des matériaux. et J'aimerais faire une troisième partie qui parle des innovations tant au niveau matériau qu'au niveau nouvelle solution de protection.

donc c'est pour ca que je pense que comme tu dis en parler est important sans trop m'étendre la-dessus. je pourrais également parler ce que disais To2 sur l'utilisation du zirconium, carbure ...

[invite782086ac]

Pour la rentrée atmosphérique, il a été évoqué l'usage d'un bouclier MHD. (MagnétoHydroDynamique)
Donc, on se passe carrément d'un bouclier traditionnel, lourd et encombrant et délicat à entretenir par un système MHD.

Ce serait intéressant de l'évoquer dans ta partie innovation.
La MHD est une innovation en R&D très prometteuse. Prace qu'elle peut servir à plein d'autres choses.