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Introduction : la rentrée comme scénario thermique extrême
Le retour d’un engin spatial dans l’atmosphère terrestre est l’une des phases les plus exigeantes d’une mission sur le plan thermique. Lors de la rentrée atmosphérique, l’extérieur du véhicule atteint des températures supérieures à 1500 °C, causés par les ondes de choc, la chaleur de friction et les effets du plasma dans la haute atmosphère. Parallèlement, la structure est soumise à de fortes contraintes mécaniques. Le bouclier thermique (Thermal Protection System, TPS) a pour mission de protéger l’engin spatial et ses composants internes de ces conditions extrêmes, idéalement à plusieurs reprises. L’exigence de réutilisation est de plus en plus présente dans les programmes spatiaux actuels, qu’il s’agisse d’agences gouvernementales comme la NASA et l’ESA ou de promoteurs privés.
Alors que les systèmes précédents utilisaient des matériaux ablatifs ou céramiques, l’attention se porte de plus en plus sur une catégorie de matériaux qui allie les deux propriétés suivantes : une résistance mécanique élevée et une bonne conductivité thermique – les matériaux composites à matrice métallique, ou MMC (Metal Matrix Composites). Ces matériaux sont composés d’une matrice métallique (par ex. par exemple l’aluminium, le titane ou le nickel) avec des particules ou des fibres céramiques incorporées (par ex.SiC ou Al₂O₃, par exemple), qui confèrent au matériau des propriétés spécifiquement souhaitées. Leur potentiel réside notamment dans l’intégration structurelle de fonctions de protection thermique, ce qui permet de réduire considérablement le poids, la complexité et les coûts (Oluseyi et al., 2021).
Mais la décision de savoir si un tel matériau peut résister aux exigences extrêmes d’une rentrée ne repose pas uniquement sur des hypothèses de modèles théoriques ou des essais de matériaux classiques. Le site connaissance précise des propriétés thermophysiques dans des conditions proches de la réalité est cruciale – en particulier la diffusivité thermique, la conductivité et la capacité thermique sur une large plage de températures. C’est là qu’intervient une méthode qui s’est imposée dans la caractérisation des matériaux pour les applications à haute température : Analyse Flash Laser (LFA).
L’analyseur laser flash s’est révélé être une méthode précise et sans contact pour mesurer la diffusivité thermique et constitue la base de la détermination de la conductivité thermique dans le cas de matériaux complexes comme les MMC. Elle est particulièrement utile pour les échantillons anisotropes ou poreux – tels que ceux rencontrés dans les configurations réelles de TPS. Elle permet une évaluation pertinente de la conductivité thermique dans les directions axiale et radiale et peut être utilisée sur de larges plages de température, ce qui est essentiel pour l’évaluation des matériaux TPS.
Cet article examine donc comment les MMC pour les systèmes de protection thermique peuvent être évalués à l’aide de l’analyse flash laser. Il s’appuie sur des recherches récentes, notamment sur le développement par la NASA de concepts TPS métalliques réutilisables (NASA LaRC, 2004) et sur des études récentes de science des matériaux portant sur la caractérisation des MMC à haute température (Oluseyi et al., 2021). L’accent est mis non seulement sur les propriétés des matériaux eux-mêmes, mais aussi sur les exigences métrologiques et l’interprétation des données LFA dans le contexte de scénarios d’utilisation réels.
L’objectif est de donner un aperçu approfondi de l’évaluation thermophysique des matériaux composites métalliques pour les applications spatiales et de montrer la contribution des méthodes d’analyse modernes au développement de boucliers thermiques réutilisables.
Base technologique des matériaux : les composites à matrice métallique comme matériaux TPS de nouvelle génération
Pour les systèmes de protection thermique (TPS) qui doivent être réutilisables tout en restant fiables dans des conditions extrêmes, le choix des matériaux appropriés est un critère essentiel. Dans le domaine de l’aérospatiale, la tension entre l’isolation thermique, l’intégrité mécanique et la réduction de la masse domine depuis des décennies. Les matériaux composites à matrice métallique (MMC) offrent à cet égard une alternative attrayante aux matériaux TPS traditionnels tels que les céramiques ou les composites polymères ablatifs.
Les MMC sont constitués d’une matrice métallique – souvent de l’aluminium, du titane ou du nickel – dans laquelle est insérée une phase de renforcement composée de particules céramiques (par ex. ex. carbure de silicium, oxyde d’aluminium) ou des fibres courtes. La combinaison ciblée des deux phases permet d’optimiser les propriétés telles que la conductivité thermique, la stabilité à l’oxydation, la résistance aux températures élevées et la résistance aux chocs thermiques au niveau du système (Oluseyi et al., 2021).
L’un des principaux arguments en faveur de l’utilisation de MMC dans les composants TPS est la possibilité d’intégrer des fonctions thermiques dans la structure. Alors que les couches TPS classiques doivent souvent être appliquées en plus sur une structure porteuse – par exemple sous forme de carreaux ou de panneaux – les MMC peuvent servir simultanément de système de support de charge, de conduction thermique et d’amortissement thermique. Cela permet non seulement de réduire le poids total, mais aussi d’augmenter la réutilisabilité en réduisant la tendance au délaminage ou à la fissuration après un cyclage thermique répété.
Dans la pratique, il apparaît toutefois que les propriétés des MMC dépendent fortement du système de matériaux, de la voie de fabrication et de la microstructure. Les composites aluminium-SiC, par exemple, se caractérisent par une conductivité thermique élevée et une faible densité, mais leur stabilité à l’oxydation est limitée au-delà de 600 °C. En revanche, les MMC à base de titane offrent une excellente stabilité à haute température, jusqu’à plus de 1000 °C, mais présentent des défis plus importants en termes de traitement et de liaison fibre-matrice.
Une compréhension approfondie des propriétés thermophysiques – en particulier la diffusivité thermique et la conductivité thermique en fonction de la température – est donc fondamentale pour qualifier ces matériaux de manière ciblée pour les applications TPS.
Une autre caractéristique des MMC modernes est qu’ils sont de plus en plus faciles à fabriquer par fabrication additive, notamment grâce à des procédés tels que la fusion de lit de poudre laser (LPBF) ou le dépôt d’énergie dirigé (DED). Celles-ci permettent un ajustement ciblé de la microstructure locale ainsi que l’intégration de transitions graduelles entre les matériaux, qui peuvent mieux compenser les contraintes thermomécaniques. Combinés à des méthodes telles que l’analyse flash laser, ces systèmes de matériaux peuvent non seulement être développés, mais également testés et évalués avec précision.
La section suivante présente donc la méthodologie de mesure de l’analyse flash laser (LFA) – et explique comment elle permet de déterminer avec précision les caractéristiques thermophysiques cruciales des MMC pour la plage de températures élevées.
Mesure : l'analyse flash laser, clé de la caractérisation thermique des MMC
La performance thermique d’un matériau dans des conditions de haute température dépend en grande partie de trois caractéristiques : la la conductivité thermique (λ), qui diffusivité thermique (α) et de la capacité thermique spécifique (cp). Pour les matériaux composites renforcés par une matrice métallique (MMC), qui sont fabriqués à des températures supérieures à 1000 °C doivent faire office de systèmes de protection thermique (TPS), il est essentiel de déterminer ces propriétés de manière précise et spécifique au matériau. L’analyse flash laser (LFA) s’est imposée comme la méthode standard pour déterminer la diffusivité thermique et est particulièrement adaptée aux applications à haute température.
Le LFA est basé sur un principe de mesure transitoire et sans contactUne plaque d’échantillon plane est bombardée sur sa face arrière par une courte impulsion laser de haute énergie. L’augmentation de température qui en résulte sur la face opposée est mesurée à l’aide d’un capteur infrarouge. L’évolution dans le temps de cette réponse thermique permet de déterminer la diffusivité thermique α déterminer directement. La conductivité thermique λ s’obtient par la relation
\lambda = \alpha \cdot \rho \cdot c_p
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{Conductivité thermique (W/m-K)} \\
\alpha : \text{diffusivité thermique (m$^2$/s)} \\ 00
\rho : \text{Densité (kg/m$^3$)} \\00
c_p : \text{Capacité thermique spécifique (J/kg-K)}
\end{cases}
\)
Où ρ est la densité et cp la capacité thermique spécifique du matériau. Ces deux grandeurs peuvent généralement être déterminées séparément ou être tirées de valeurs de la littérature ou de méthodes de mesure complémentaires telles que la DSC (Differential Scanning Calorimetry).
L’un des principaux avantages de l’AFA réside dans le fait qu’elle peut être appliquée à des les matériaux complexes, non homogènes ou anisotropes comme c’est généralement le cas pour les MMC. En choisissant l’épaisseur de l’échantillon, l’énergie du laser et la période de détection, il est possible d’étudier des matériaux à conductivité thermique élevée ou très faible. Ceci est particulièrement pertinent pour les composants TPS avec une structure en couches ou une microstructure orientée, pour lesquels la propagation de la chaleur peut être fortement directionnelle.
De plus, les mesures LFA peuvent être effectuées dans une large gamme de températures – il est possible d’atteindre des températures allant jusqu’à 2800 °C, en fonction du matériau de l’échantillon et des capteurs. Cela permet d’analyser de bout en bout le comportement thermique des matériaux TPS au cours des différentes phases d’une rentrée, depuis le chauffage par frottement jusqu’au refroidissement en phase finale de vol.
En plus de la mesure individuelle classique, le LFA permet de mesurer des des courbes en fonction du temps et de la températuredes charges cycliques et des études de vieillissement ciblées. Les dommages thermiques tels que les microfissures, le délaminage ou l’oxydation se traduisent souvent par des changements mesurables de la diffusivité thermique, bien avant que les tests mécaniques ne détectent des défaillances.
Dans les applications pratiques de développement de TPS, l’AFA est donc utilisée non seulement pour l’évaluation des matériaux, mais aussi de plus en plus pour la validation de modèles numériques (z.Par exemple, l’analyse FEM ou CFD), le contrôle du processus de fabrication (par exemplepar exemple après une fabrication additive) et pour la validation de la production en série de composants soumis à de fortes contraintes.
Étude de cas : NASA-X-33 et le développement de TPS métalliques avec MMCs
Dans le cadre du développement de systèmes spatiaux réutilisables, la NASA a lancé à la fin des années 1990 le X-33, un système d’exploration de l’espace qui a permis d’améliorer la sécurité des vols. Démonstrateur technologique X-33 de nouvelles normes. Le véhicule d’essai sans pilote faisait partie du plus grand Programmes de véhicules de lancement réutilisables (RLV) et devait tester des technologies permettant un accès économique et entièrement réutilisable à l’espace. L’un des principaux défis de ce projet était de mettre au point un système robuste, léger et réutilisable. système de protection thermique (TPS) – et ici, nous nous sommes concentrés sur les concepts métalliques ont été mis en avantLes systèmes de protection thermique ont été développés sur la base d’un concept de protection thermique qui s’écarte nettement des systèmes ablatifs antérieurs (NASA LaRC, 2004).
Ce que l’on appelle le Système de protection thermique métallique (METTPS) était constitué de structures sandwich multicouches avec des revêtements métalliques résistants à l’oxydationtypiquement en alliage d’inconel ou de titane, sur un noyau thermiquement isolant (par ex.par exemple une structure en nid d’abeille en acier inoxydable ou en Ti). Ces systèmes présentent plusieurs avantages : ils peuvent être intégrés à la structure, présentent une résistance mécanique élevée, sont résistants aux chocs et peuvent être réparés segment par segment en cas de dommage, contrairement à de nombreuses solutions céramiques.
Toutefois, les performances de ces systèmes dépendent en grande partie des propriétés thermophysiques des matériaux utilisés. à partir de. La connaissance précise des de la conductivité thermique et de la diffusivité thermique est nécessaire pour modéliser correctement les distributions de température au sein du TPS, prédire le comportement thermomécanique et éviter les points chauds locaux.
Le programme a finalement identifié plusieurs variantes à base de MMC présentant une résistance thermique suffisamment élevée, une faible tendance au délaminage et une bonne réutilisation. Ces systèmes combinaient les avantages des métaux structuraux avec une conduction thermique contrôlée, ce qui les rendait idéaux pour des déploiements répétés dans des véhicules spatiaux suborbitaux ou orbitaux. Les concepts ultérieurs, tels que le système TPS du Dream Chaser ou les revêtements de surface métalliques des boucliers thermiques du projet Starship, s’appuient également sur cette philosophie de matériaux et de tests.
Conclusion et perspectives : LFA comme clé du développement de matériaux spatiaux réutilisables
Le développement de systèmes de protection thermique réutilisables (TPS) est un défi majeur de la technologie spatiale moderne. Les matériaux qui présentent à la fois une grande résistance thermomécanique et une capacité d’intégration structurelle – des propriétés auxquelles les matériaux composites à matrice métallique (MMC) répondent particulièrement bien – deviennent de plus en plus importants. Leur structure hybride, composée d’une matrice métallique et d’un renfort céramique, permet d’ajuster de manière ciblée la conductivité thermique, la solidité et la résistance thermique sur une large plage. Le choix de systèmes MMC appropriés dépend toutefois de manière décisive de la caractérisation fiable de leurs propriétés thermophysiques – en particulier dans des conditions de haute température proches de la réalité.
Dans ce contexte, l’analyse flash laser (LFA) s’est imposée comme une méthode incontournable. Elle permet non seulement de mesurer avec précision la diffusivité thermique sur de larges plages de température, mais offre également la possibilité d’analyser des matériaux anisotropes ou à structure complexe. La capacité de l’AFA à détecter les comportements de conductivité thermique directionnels, en particulier dans les MMC modernes, gradués ou fabriqués par fabrication additive, est d’une grande pertinence.
Un potentiel particulier résulte de la combinaison de une analyse thermique précise et une simulation numériqueLes mesures LFA peuvent être directement converties en modèles d’éléments finis afin de prédire les champs de température, les contraintes thermiques et le comportement structurel dans des conditions d’utilisation réelles. La méthode est également utile pour le contrôle de la qualité et l’analyse du vieillissement des composants TPS réutilisables, un aspect qui prend de l’importance avec des systèmes spatiaux de plus en plus cycliques comme Starship, Dream Chaser ou Space Rider.
Les développements futurs pourraient élargir encore le rôle de l’EFA. Ainsi, des perspectives s’offrent à Caractérisation en ligne des MMC fabriqués par fabrication additive dans les processus industriels, par exemple grâce à des systèmes LFA miniaturisés avec génération d’impulsions optiques et détection IR dans l’espace de montage. Le couplage avec des Thermogravimétrie (TGA), Dilatomètre (DIL) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) pour déterminer simultanément les valeurs de cp et de densité promettent une plus grande précision dans la dérivation de la conductivité thermique.
Dans le cadre du développement numérique des matériaux – par l’utilisation de jumeaux numériques ou de modèles de matériaux basés sur l’IA, par exemple – les données LFA constituent une base essentielle pour la sélection et l’optimisation des futurs matériaux TPS sur la base de données. Ainsi, la méthode ne contribue pas seulement à la validation expérimentale des conceptions existantes, mais permet également le développement ciblé de nouveaux concepts de matériaux dans l’espace virtuel.
La combinaison de matériaux innovants tels que les MMC, d’une caractérisation précise par LFA et d’une conception de simulation intelligente promet donc un progrès durable dans le développement de systèmes spatiaux réutilisables – avec des avantages directs pour les performances, les coûts et la sécurité des missions futures.
Répertoire des sources
Oluseyi P. Oladijo et al. (2021). Propriétés à haute température des composites à matrice métallique. In : Encyclopédie des matériaux : Composites. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
NASA Thermal Protection Materials Branch. (2023). Testing and fabrication of TPS materials : use of Laser Flash Analysis (LFA). Site web de la NASA. https://www.nasa.gov/thermal-protection-materials-branch-testing-and-fabrication/?utm_source=chatgpt.com
