Dans le cadre du programme Artemis, la NASA renvoie des astronautes sur la Lune où une exploration humaine de Mars se prépare. La fabrication additive est au cœur des méthodes pionnières qui permettraient d’imprimer les pièces des fusées qui pourraient alimenter ces voyages.
Le projet RAMPT (Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology) de la NASA fait progresser le développement d’une technique de fabrication additive pour imprimer en 3D les pièces des moteurs de fusée à l’aide de poudre métallique et de lasers. Cette méthode, appelée dépôt d’énergie dirigé (DED) par poudre soufflée, pourrait réduire les coûts et les délais de production de grands composants de moteur complexes comme les tuyères et les chambres de combustion. Les développements antérieurs dans le domaine de la fabrication additive n’avaient pas les capacités à grande échelle que cette technologie émergente offre.
« Cette avancée technologique est significative, car elle nous permet de produire les pièces de moteurs-fusées les plus difficiles et les plus coûteuses pour un prix inférieur à celui du passé », a déclaré Drew Hope, directeur du programme de développement Game Changing de la NASA, qui finance le projet RAMPT. « De plus, il permettra aux entreprises de l’industrie aérospatiale et d’autres secteurs d’en faire autant et d’appliquer cette technologie de fabrication aux secteurs de la médecine, des transports et des infrastructures ».
La méthode d’impression consiste à injecter de la poudre de métal dans un bassin de métal en fusion chauffé au laser, ou bassin de fusion. La buse de poudre soufflée et l’optique laser sont intégrées dans une tête d’impression. Cette tête d’impression est fixée à un robot et se déplace selon un schéma déterminé par un ordinateur qui construit une couche à la fois. Cette méthode de fabrication présente de nombreux avantages, notamment la possibilité de produire de très grandes pièces, limitées uniquement par la taille de la pièce dans laquelle elles sont créées. Elle peut également être utilisée pour imprimer des pièces très complexes, notamment des tuyères de moteur avec des canaux de refroidissement internes. Les tuyères de moteurs-fusées qui contiennent des canaux de refroidissement internes font passer un gaz propulseur cryogénique dans les canaux pour aider à maintenir la tuyère à des températures sûres.
« C’est un processus difficile de fabriquer les tuyères de manière traditionnelle, et cela peut prendre très longtemps », a déclaré Paul Gradl, co-chercheur principal de RAMPT au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, Alabama. « La fabrication additive par dépôt d’énergie dirigé par poudre soufflée nous permet de créer des composants à très grande échelle avec des caractéristiques internes complexes qui n’étaient pas possibles auparavant. Nous sommes en mesure de réduire considérablement le temps et le coût associés à la fabrication de tuyères à refroidissement par canal et d’autres composants critiques des fusées ».
L’équipe RAMPT a récemment utilisé cette technique pour produire l’une des plus grandes tuyères que la NASA ait imprimées, mesurant 40 pouces de diamètre et mesurant 38 pouces de hauteur, avec des canaux de refroidissement entièrement intégrés. Cette tuyère a été fabriquée en un temps record – seulement 30 jours contre près d’un an avec les méthodes de soudage traditionnelles – et la finalisation a eu lieu un an plus tôt que prévu en raison des progrès rapides de la technologie.
Le succès du projet RAMPT a attiré l’attention de l’équipe de la NASA chargée du système de lancement spatial, ou SLS, des fusées. Le SLS de la NASA, ainsi que le vaisseau spatial Orion, constituent l’épine dorsale de nos plans d’exploration de l’espace profond, notamment l’envoi de la première femme et du prochain homme sur la Lune en 2024 et la mise en place d’une exploration durable d’ici la fin de la décennie. Le programme SLS investit dans le procédé de fabrication de RAMPT par dépôt d’énergie dirigé par poudre soufflée dans le but de le certifier pour les vols spatiaux. En collaboration avec RAMPT, l’équipe utilise cette technique pour construire et évaluer une buse refroidie par canal qui peut atteindre un diamètre de 1,5 mètre et une hauteur de près de 1,5 mètre.
« La production de tuyères à paroi de canal et d’autres composants à l’aide de ce nouveau type de fabrication additive nous permettrait de fabriquer les moteurs SLS à l’échelle requise avec un calendrier et un coût réduits », a déclaré Johnny Heflin, responsable du bureau des moteurs liquides pour le programme SLS.
Grâce à une série de tests rigoureux de feu chaud, les ingénieurs soumettront une version de la tuyère à la même température de combustion de 6 000 degrés et aux mêmes pressions soutenues que celles auxquelles elle serait soumise lors du lancement, afin de démontrer la durabilité et les performances de la nouvelle technologie de dépôt d’énergie dirigée.
Partenariats public-privé
Si la NASA dirige l’expédition de développement technologique, les partenariats avec les universités et l’industrie jouent un rôle important. Grâce à un accord avec l’université d’Auburn en Alabama, RAMPT collabore avec des entreprises manufacturières spécialisées qui font déjà progresser « l’état de l’art » en renforçant leur travail et en mettant les technologies développées par cette équipe à la disposition du secteur privé. Ces partenariats public-privé apportent également une valeur ajoutée aux missions de la NASA, puisque les partenaires partagent certains coûts de développement.
Les investissements de la NASA dans la technologie de fabrication de poudre soufflée par dépôt direct d’énergie et dans le développement de matériaux joueront un rôle essentiel dans la réalisation des missions d’exploration les plus ambitieuses de l’agence. Cette technologie peut également jouer un rôle essentiel dans de nombreuses autres industries, notamment dans l’espace commercial, en contribuant à rendre le monde meilleur, une empreinte à la fois.
Le projet RAMPT est financé par le programme Game Changing Development de la NASA au sein de la Direction des missions technologiques spatiales. RAMPT comprend des partenaires de toute l’agence, notamment le Glenn Research Center de la NASA à Cleveland, l’Ames Research Center de la NASA dans la Silicon Valley, en Californie, l’industrie et le monde universitaire.
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