O-Rings sur orbite
Published by Angst+Pfister on February 2021
Lorsque de jeunes ingénieurs passionnés rêvent d'atteindre les étoiles, Angst+Pfister leur prête volontiers main forte pour en faire une réalité. Tout cela en gardant les pieds sur terre et avec l'expérience technique nécessaire pour exaucer les voeux spéciaux. Les étudiants de l'initiative spatiale académique suisse utilisent les joints de Angst+Pfister pour remporter un concours international de fusées.
Une équipe d'étudiants ambitieux de l'université technique de Zurich (ETHZ) vise haut – conformément à la tradition de l'établissement suisse de renommée internationale qui a produit pas moins de 21 lauréats du prix Nobel. Là-haut, où l'air est vraiment peu dense, les étudiants veulent allumer une fusée hybride.
Un pas après l'autre dans la stratosphère
« ARIS » est l'acronyme de l'Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz (initiative spatiale académique suisse). L'initiative a été fondée en 2017 par des étudiants de l'ETHZ. Elle utilise également le savoir-faire des universités de sciences appliquées voisines de Zürich et de Lucerne et cherche à s'associer avec les entreprises industrielles innovantes de Suisse. Les étudiants voient l'espace comme un domaine d'activités et d'affaires prometteur et d'avenir. Avec leur initiative, ils veulent inspirer la génération suivante à ne pas seulement rêver l'univers. D'ici 2029, ARIS veut atteindre l'orbite terrestre et l'équipe réalise ce plan un pas après l'autre. Les étudiants se sont fixés comme prochain objectif de gagner la Spaceport Amercia Cup au Nouveau-Mexique, dans un premier temps dans la catégorie « 30 000 ft ». Pour cela, la fusée doit atteindre au moins les 30 000 pieds, soit environ 9 100 mètres.
Leur projet partiel « Euler 2020 » est un hommage au mathématicien suisse Leonhard Euler, l'un des esprits les plus brillants du XVIIIe siècle. Avec ce projet, ils veulent atteindre les 30 000 pieds dans un premier temps avec un moteur commercial. En même temps, une autre équipe d'étudiants travaille sur le projet partiel « Iride 2020 » et fabrique et teste leur propre moteur. Une autre équipe encore intègrera ce moteur à la fusée courant 2021 et effectuera le premier vol avec leur moteur propre. Ces étudiants ne manquent décidément pas d'ambition.
Une passion partagée pour la technique
ARIS a déjà utilisé les produits de Angst+Pfister dans des projets partiels. « Les joints sont extrêmement importants pour le moteur », explique Julius Wymann, étudiant à l'ETHZ. « S'ils ne fonctionnent pas, cela risque d'entraîner une perte de performance et d'endommager le système. C'est pourquoi nous avions besoin d'un savoir-faire spécifique et professionnel qui dépasse les solutions d'étanchéité classiques, et Angst+Pfister a encore répondu à nos attentes. » Ils ont rencontré Yves Riedo, Senior Engineer en technologie de l'étanchéité, qui s'est tout de suite laissé séduire par l'énergie de l'équipe étudiante. Julius Wymann raconte: « Nous sommes fascinés par les moteurset nous partageons cette passion. Cette association de la puissance, du contrôle et de l'élégance ne vous lâche plus, une fois que vous avez ressenti les vibrations d'un moteurde fusée. »
Cependant, les étudiants avaient atteint leurs limites en matière d'étanchéité. « Le dimensionnement exact est une science à lui seul », reconnaît Julius Wymann. Ils avaient en particulier des difficultés avec la conception de l'étanchéité de la buse. Celle- ci est composée de cuivre, un matériau qui se dilate fortement à température élevée. « Les solutions d'étanchéité avec des O-Rings ont l'air simples », dit Yves Riedo. Toutefois, les conditions spatiales, la pression exacte du O-Ring et les états d'agrégation changeants des supports rendent vite la question complexe si les matériaux se dilatent différemment. « La conception de la gorge – le dimensionnement du O-Ring – et le choix du matériau exigent beaucoup de savoir-faire et d'expérience. »
Un matériau pour les hautes performances
Les étudiants avaient besoin de matériaux spéciaux capables de résister à des contraintes extrêmes. C'est là qu'Yves Riedo est entré en jeu : « Nous avons utilisé en autres du Kalrez® à plusieurs milliers d'euros par kilogramme. » Ce matériau a permis aux étudiants de mener de nombreux tests – sans avoir à démonter le moteur à chaque fois pour remplacer les joints. « Pour gagner, ils doivent juste être meilleurs que leurs concurrents », dit Yves Riedo avec un clin d'oeil. Le moteur nécessitait un système d'étanchéité complet avec 17 O-Ring dans six dimensions différentes et une combinaison de cinq matériaux différents. Il fallait sceller l'injecteur vers la chambre de combustion, la chambre de combustion vers la buse de sortie, le système de refroidissement à l'intérieur de la buse avec les raccords correspondants sur le boîtier, la chambre de distribution et divers capteurs à l'intérieur de l'injecteur (voir schéma). En plus du Kalrez® (FFKM) mentionné ci-dessus, d'autres matériaux ont été utilisés: un élastomère éthylène-propylène-diène (EPDM), un fluoroélastomère (FKM) et un fluoroélastomère (FKM) avec un revêtement FEP sans soudure (FEP-O-Seal®).
Kalrez® est une marque de Dupont™. DuPont™, le logo ovale de DuPont ainsi que toutes les marques commerciales et marques de services désignées avec ™ ou ® sont détenues par des sociétés affiliées à DuPont de Nemours, Inc sauf indication contraire.
Le moteur en coupe
À gauche se trouve la plaque d'injection pour l'agent oxydant liquide, qui est atomisé et s'évapore pendant l'injection. L'injecteur doit être étanche pour les deux états d'agrégation. L'agent oxydant réagit alors avec le combustible (grain) qui s'évapore progressivement dans la chambre de combustion. La combustion du mélange gazeux crée une pression, qui est transformée en énergie cinétique par la buse Laval en cuivre. La poussée du moteur est générée selon le principe du recul.
Le moteur est alimenté avec un agent oxydant explosif, qui est ensuite chauffé à une pression d'environ soixante-dix bar. Pendant le fonctionnement, l'injecteur subit des températures négatives de courte durée et la chambre de combustion des températures allant jusqu'à 2 800 degrés. Le système d'étanchéité est donc confronté à des contraintes chimiques et thermiques extrêmes et doit fonctionner avec fiabilité à maintes reprises. « Nous utilisons le protoxyde d'azote comme agent oxydant, et celui-ci est brûlé avec du sorbitol. Il y a aussi de la paraffine et de l'aluminium », explique l'étudiant de l'ETHZ. « Grâce au matériau spécial que nous avons choisi, nous pouvons sceller proprement la buse de sortie en cuivre malgré les températures élevées et le jeu de dilatation nécessaire. Les joints de l'injecteur répondent pleinement aux exigences du protoxyde d'azote. » En vue du Nouveau- Mexique : le matériel ne devrait pas poser de problème...
Conclusion
Le voyage vers l'espace est semé d'embûches, depuis l'ingénierie précise des moteurs de fusée jusqu'à l'environnement impitoyable du cosmos. Pourtant, grâce à la collaboration et à la passion partagée, l'équipe a relevé ces défis avec détermination et ingéniosité. Le projet ARIS représente non seulement une quête de progrès scientifique, mais aussi une occasion d'inspirer les générations futures et de redéfinir les limites du possible.
Alors que l'équipe vise la Spaceport America Cup au Nouveau-Mexique et au-delà, le partenariat entre Angst+Pfister et les étudiants de l'ETHZ sert de phare à l'innovation et à la coopération dans la poursuite de l'exploration. Ensemble, ils prouvent qu'avec du dévouement, de l'expertise et une vision commune, même les étoiles sont à portée de main.
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