Plutôt que de brûler complètement lorsqu'un vaisseau spatial rentre dans l'atmosphère de la Terre, la surface extérieure de son bouclier thermique est sacrifiée pour protéger le reste du véhicule. Les fibres de carbone se décomposent, dissipant la chaleur.
On a supposé que cela ne se produit qu'en surface, mais dans une étude récente, des chercheurs du Grainger College of Engineering, de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign et de quatre autres institutions ont acquis de nouvelles informations sur la façon dont le matériau protecteur en fibre de carbone évolue, pas seulement à la surface, mais en dessous, où une défaillance structurelle pourrait se produire et menacer la durée de vie du véhicule.
« Nous supposons souvent que la dégradation du bouclier thermique ne se produit qu'à la surface, ce qui n'est pas toujours une mauvaise hypothèse. Mais étant donné la dégradation que nous avons observée tout au long du volume des matériaux, notre travail montre que cette hypothèse ne tient pas toujours, démontrant que l'intégrité structurelle du bouclier de chaleur peut être considérablement compromise dans certaines conditions », a déclaré Aerospace Engineering Ph.D. Étudiant Ben Ringel. « De plus, cet affaiblissement approfondi pourrait entraîner une spallation – lorsque de gros morceaux de matériau sont arrachés, ce qui fait que le système de protection thermique se dégrade plus rapidement. »
Selon le conseiller de Ringel, Francesco Panerai, « L'oxydation de la fibre de carbone est un processus clé en matière de protection thermique. C'est aussi l'une des plus étudiées en science des matériaux et sa théorie est très bien établie. Mais ici, nous avons exécuté une théorie élégante, simple, bien que très difficile à exécuter, expérimentale.
Panerai et ses collaborateurs à la source de lumière Advanced Berkeley Lab ont effectué les expériences au Paul Scherer Institute en Suisse. Ils ont utilisé la ligne de faisceau Tomcat à la source de lumière suisse – une installation spécialisée où les processus dynamiques peuvent être suivis dans l'espace et le temps, en utilisant une station d'extrémité ultra-rapide et un système de caméra spécial qui résout des structures à l'échelle micron avec une résolution temporelle inférieure à une seconde pour les durées prolongées.
L'équipe a soumis de petits échantillons de matériau ablatif de fibre de carbone pour chauffer sous les rayons X brillants de Tomcat, collectant une série temporelle d'images 3D de l'échantillon lorsqu'elle a tourné et a été consommée en oxygène.
« Le niveau de détail fourni par Tomcat était incroyable », a déclaré Panerai. « Nous pouvions observer l'ablation des fibres à une résolution que nous n'avions jamais vue auparavant. »
Ringel a reçu environ 19 To de données brutes collectées en Suisse et a commencé à les traiter.
« Après avoir reconstruit les données, j'ai utilisé l'apprentissage en profondeur pour les segmenter – en identifiant les fibres du vide », a déclaré Ringel. « C'était un énorme défi de gestion des données. Dès le début, je pouvais qualitativement un changement de réponse matérielle entre les conditions. »
Vint ensuite une analyse intensive. Il a examiné la facilité avec laquelle l'oxygène se diffuse à travers le matériau par rapport à la rapidité avec laquelle il réagit avec les fibres de carbone.
« Il y a une quantité finie d'oxygène qui est disponible pour réagir avec les fibres de carbone. Dans les cas à haute température, les réactions se produisent rapidement et l'oxygène n'a pas le temps de se diffuser dans le matériau avant de se faire manger à la surface », a déclaré Ringel. « Mais, à mesure que la température diminue, les réactions ralentissent, donnant au temps d'oxygène de percoler à travers le matériau, conduisant à un affaiblissement des fibres tout au long du volume du matériau.
« Nous avons capturé cela.
La deuxième phase de l'analyse impliquait une collaboration étroite avec le centre de recherche Ames de la NASA. Ringel et ses collègues ont utilisé le logiciel d'analyse de microstructure poreuse de la NASA sur le supercalculateur du National Energy Research Scientific Center pour exécuter plus de 1 600 simulations de propriétés matérielles.
« Les simulations ont utilisé nos images 3D évolutives, nous fournissant des informations sur les propriétés du matériau à chaque point de cale. Nous avons également développé une nouvelle méthode pour calculer les propriétés du matériau en fonction du temps et de l'espace. Pour la première fois, nous pouvons voir comment les propriétés changent dans tout le matériau du bouclier thermique sous des régimes de diffusion de diffusion variables. » «
Les informations générées à partir de cette recherche sur la diffusion et la réaction sont inestimables pour faire progresser les modèles d'ablation moderne, améliorer les performances du bouclier thermique et adapter les matériaux à des conditions opérationnelles spécifiques.
«Nos données fournissent des mesures précieuses pour aider d'autres chercheurs à éclater de chaleur à valider et à améliorer leurs modèles d'ablation, qui sont ensuite appliqués aux véhicules en vol.
« Avec une meilleure compréhension de la façon dont la concurrence de réaction de diffusion influence la dégradation du bouclier thermique tout au long du vol, un monde d'ingénierie innovante devient possible. Ces connaissances permettent au développement d'approches de fabrication avancées, telles que des boucliers thermiques imprimés en 3D avec des structures internes avec précision conçues pour remplir les conditions spécifiques de la réintégration hypersonique. »
L'étude, « Oxydation en fibre de carbone en 4D », est présentée sur la couverture de Matériaux avancés.
