Des matériaux céramiques hybrides qui absorbent la chaleur pourraient faciliter les vols hypersoniques
Un voyage hypersonique implique de se déplacer à Mach 5 ou plus, c’est-à-dire au moins cinq fois plus vite que la vitesse du son, soit environ 6 000 km/h. En se déplaçant à de telles vitesses, la chaleur intense générée par l’air dans l’atmosphère peut compromettre l’intégrité structurelle des avions et des fusées. Les températures qui frappent les véhicules peuvent s’élever bien au-delà de 2 000 °C, tandis que les particules et gaz corrosifs peuvent fortement endommager leur surface. Les problèmes structurels résultent principalement de l’oxydation et de l’ablation – l’air et les gaz extrêmement chauds érodent les couches superficielles des matériaux métalliques des engins qui se déplacent à des vitesses hypersoniques. Les systèmes de protection thermique doivent résister à des températures aussi extrêmes et à des vibrations mécaniques intenses lors de la montée en orbite ou de la rentrée dans l’atmosphère depuis l’espace. En ce qui concerne les moteurs, les tuyères des moteurs-fusées sont confrontées à des environnements thermochimiques et mécaniques hostiles engendrés par des propergols de haute performance. Les moteurs de fusée de la prochaine génération devront être plus chauds pour brûler le carburant plus efficacement. Ainsi, les moteurs brûlants seront ceux qui supporteront des températures très élevées / des chaleurs accablantes. «Les composites à matrice céramique, qui sont constitués de fibres céramiques noyées dans une matrice céramique, sont les seuls matériaux qui pourraient éventuellement survivre à des chocs thermiques élevés et à des contraintes mécaniques critiques. Toutefois, les composites à matrice céramique classiques ne satisfont pas aux exigences d’ablation associées, ce qui entraîne la destruction des lanceurs lors de leur rentrée atmosphérique ou leur perte dans l’espace après le premier lancement», fait remarquer Diletta Sciti, coordinatrice du projet C3HARME financé par l’UE.
Des matériaux céramiques hybrides qui repoussent les limites
C3HARME a développé et testé une nouvelle classe de matériaux hybrides appelés composites à matrice céramique à ultra-haute température (UHTCMC) qui répond aux problèmes liés au vol hypersonique. Cette nouvelle classe associe des composites à matrice céramique légers, qui présentent une résistance aux chocs thermiques et une robustesse élevées, et leurs homologues plus lourds et plus durs – les céramiques à ultra-haute température – qui affichent une érosion plus faible au-delà d’une certaine température. Ces matériaux hybrides permettent également de modifier et d’adapter expérimentalement leur structure à toutes les échelles. Le caractère unique de ces matériaux, réside dans le fait qu’ils ont été conçus à l’aide de procédés avancés qui réduisent le temps et les coûts de synthèse. Les chercheurs ont exploité le potentiel du frittage par décharge de plasma qui permet une consolidation ultra-rapide, ainsi que l’infiltration et la pyrolyse des polymères, qui est la méthode standard de fabrication des actuels composites à matrice céramique contenant des composants en carbure de silicium ou de carbone. L’équipe est parvenue à produire plus de 1 000 échantillons de différentes formes. «Nous avons battu le record du disque le plus épais jamais synthétisé, avec une hauteur totale de 160 mm et un poids de 11 kg – une référence pour le frittage par décharge de plasma», ajoute Diletta Sciti.
Des matériaux auto-réparateurs et rentables
Dans certaines conditions, les UHTCMC peuvent réparer les dommages naissants avant qu’ils ne se propagent. Sous l’effet d’une contrainte thermique, les substances de taille nanométrique ajoutées dans la formule du matériau céramique déclenchent la formation d’une couche protectrice solide externe et d’une phase liquide interne qui réparent les défectuosités. Cette capacité auto-réparatrice permet de réutiliser la fusée pour plusieurs rentrées atmosphériques. «Les nouveaux matériaux développés ont montré une érosion et une ablation quasi nulles par rapport aux composites carbone-carbone actuellement utilisés dans les tuyères de fusée», remarque Diletta Sciti. «La disponibilité d’une nouvelle famille de matériaux offrant une intégrité structurelle, une protection thermique ainsi qu’une érosion et une ablation quasi nulles favorisera le développement de propergols plus efficaces, tandis que les composants réutilisables réduiront les coûts et les déchets.» Les applications potentielles des UHTCMC vont bien au-delà du vol hypersonique. Ces nouveaux matériaux pourraient être utilisés pour prolonger la durée de vie des composants dans les réacteurs nucléaires ou les systèmes solaires à concentration thermodynamique de la prochaine génération.
Mots‑clés
C3HARME, fusée, hypersonique, composites à matrice céramique, ablation, systèmes de protection thermique, tuyères de fusée, composites à matrice céramique à ultra-haute température