Un bouclier hybride ablatif en céramique pour la rentrée dans l'atmosphère
Pour des missions comme le retour d'échantillons ou l'entrée dans l'atmosphère d'une planète gazeuse géante comme Jupiter, les charges thermiques sont bien plus élevées que lors d'une rentrée à partir d'une orbite terrestre basse. Ces missions sont en général difficiles à réaliser et dépendent fortement de la masse du véhicule spatial. Les matériaux ablatifs, conçus pour brûler de façon contrôlée, constituent une solution prometteuse pour les véhicules rentrant dans l'atmosphère. Depuis les années 1980, l'Europe n'a cependant mené que peu de recherches sur ces matériaux. Aujourd'hui, leur développement est considéré comme un élément important pour réduire sa dépendance dans le domaine des technologies spatiales critiques. C'est dans ce contexte que des chercheurs financés par l'UE ont lancé le projet HYDRA (Hybrid ablative development for re-entry in planetary atmospheric thermal protection). L'objectif était de développer un système de protection thermique innovant basé sur la combinaison de matériaux ablatifs et de matériaux réutilisables, plus performant que les matériaux carbonés phénoliques traditionnels. Le nouveau système intègre un bouclier extérieur ablatif avec une meilleure résistance à la chaleur, au-dessus de cadres structurels thermiques légers constitués de composites à matrice céramique. Cette conception mixte devrait améliorer la protection thermique et la résistance à la corrosion, tout en assurant une meilleure absorption des chocs et une meilleure tolérance aux dommages. Les chercheurs d'HYDRA ont sélectionné les missions de rentrée terrestre comme point de départ pour développer les spécifications de ce système de protection thermique mixte. Ils ont réalisé une matrice de matériaux ablatifs à la pointe de la technologie, à partir de critères sélectionnés parmi les plus significatifs, en accordant une attention particulière aux réglementations ITAR (International Traffic in Arms Regulations) du gouvernement des États-Unis. L'équipe a choisi deux différents matériaux pour le bouclier thermique: un feutre de graphite imprégné d'une résine phénolique et un composite avancé à base de liège. Elle a également sélectionné des composites à matrice céramique. Après un premier test sur l'ensemble des matériaux, les matériaux sélectionnés ont été testés de façon approfondie pour caractériser leur comportement face aux chocs thermiques, à des conditions extrêmes d'oxydation et aux vibrations. Les chercheurs ont d'autre part développé des modèles théoriques pour concevoir le bouclier thermique d'un véhicule de rentrée ayant la forme d'une capsule Apollo. Ce bouclier reposait sur cette couche supérieure mixte, mais aussi sur un isolant assurant un découplage thermique entre la sous-structure et le système mixte de protection thermique. Ce concept a démontré un gain de masse de près de 40 % par rapport au système ablatif autonome traditionnel. Le système mixte qui a été développé et optimisé pendant le projet HYDRA permettra une réduction importante de la masse et une augmentation simultanée des limites de température. Il devrait répondre aux défis des futures missions spatiales tout en libérant l'industrie spatiale européenne de sa dépendance envers des technologies spatiales d'origine étrangère.
Mots‑clés
Rentrée dans l'atmosphère, systèmes de protection thermique, matériaux ablatifs, composites à matrice céramique, industrie spatiale