Les ingénieurs de la NASA peinent à construire un meilleur bouclier thermique

Une image d'Helen Hwang Jessica Chou

Pendant des mois, les échantillons ont continué à fondre. Ce n'était pas vraiment surprenant — le nid d'abeilles en fibre de verre rempli de liège était soumis à un souffle de chaleur quatre fois plus intense que ce que le bord d'attaque de la navette spatiale a résisté lors de sa rentrée dans l'atmosphère terrestre. C'était comme mettre le four le plus chaud du monde au milieu de sa soufflerie la plus puissante.

Les mêmes matériaux avaient déjà protégé tous les précédents atterrisseurs américains sur Mars de la chaleur de frapper l'atmosphère martienne à près de 10 000 miles (16 000 kilomètres) par heure. Mais cela n'allait plus suffire. Le bouclier du Mars Science Laboratory (MSL) devrait supporter environ 250 watts d'énergie par centimètre carré — environ 10 fois la chaleur subie par le Viking, le premier atterrisseur américain sur Mars, qui a atterri sur la planète en 1976. C'est parce que MSL, dont le lancement est prévu en août 2009, serait trois fois plus lourd que le Viking. Le rover Curiosity que MSL transporterait était environ cinq fois plus lourd que les rovers Spirit et Opportunity, qui avaient atterri en toute sécurité sur Mars en 2004. La taille et le poids de MSL n'étaient pas des problèmes insolubles en eux-mêmes. Mais des simulations informatiques ont montré que le poids énorme de la sonde entraînerait de fortes turbulences, conduisant à des conditions plus sévères que n'importe quel bouclier thermique d'entrée de Mars précédent aurait enduré. Et lorsqu'ils tournaient le matériau de l'écran thermique latéralement vers le flux d'air chaud venant en sens inverse pour simuler la turbulence, les cellules en nid d'abeille qu'il contenait éclataient, entraînant une réaction en chaîne de défaillances. Le test ne ressemblait à rien de ce que nous avions jamais vu auparavant, se souvient Helen Hwang, chercheuse au centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley, qui était alors en charge du système de protection thermique de MSL.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2019

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À la suite de ces échecs, l'équipe de Hwang a dû faire face à un sérieux manque de temps. C'était en 2007 et le lancement était prévu dans moins de deux ans. Il y avait deux options, selon elle : reconcevoir la mission pour essayer de réduire les conditions de chauffage, ou proposer un nouveau matériau de protection thermique. La première option limiterait où le rover pourrait atterrir et les instruments scientifiques qu'il pourrait transporter. La deuxième option signifiait qu'ils devaient concevoir, développer, tester et construire un nouveau bouclier thermique en moins de 18 mois. Cette option était risquée, mais elle permettrait à la mission de faire toute la science qu'elle était censée faire.

Ils ont choisi la deuxième option.

Alors que les ambitions humaines grandissent dans l'espace, notre ingéniosité devra y répondre. Pour explorer les atmosphères denses de planètes comme Vénus ou Saturne, nous avons besoin de boucliers thermiques ultra-robustes capables de supporter des pressions intenses. Pour renvoyer des échantillons martiens sur Terre, nous avons besoin de boucliers thermiques indestructibles qui empêcheront toute forme de vie extraterrestre de contaminer notre planète, ou vice versa. L'atterrissage d'humains sur d'autres planètes nécessitera des aeroshells surdimensionnés, les capsules d'entrée protégées par des boucliers thermiques, d'un diamètre de près de 20 mètres (66 pieds) ou plus. Rien de proche de cette échelle n'a jamais été envoyé sur Mars auparavant.

Les défis liés au développement de ces technologies seront immenses, mais les récompenses le seront également si elles livrent en toute sécurité des robots et des humains vers de nouvelles frontières. Sans les avancées de pointe en matière d'aérocoques et de boucliers thermiques, de telles missions seront inutiles - elles ne feront que brûler dans l'atmosphère.

Si vous allez dans l'espace, il y a deux raisons de ralentir : revenir sur Terre ou s'arrêter à un autre astre. Une façon de ralentir est d'utiliser la même méthode que vous avez utilisée pour accélérer : les roquettes. Mais cela signifie transporter plus de carburant pour fusée, ce qui ajoute du poids. En pratique, il est logique d'utiliser l'atmosphère, s'il y en a une. Mais survivre à la chaleur qui en résulte nécessite des matériaux intelligents et des engins spatiaux intelligemment formés.

Les formes intelligentes sont nées dans les années 1950 au centre de recherche Ames, le même endroit où Hwang travaillera plus tard pour développer le bouclier thermique MSL. Harry Julian Harvey Allen, qui dirigeait la division de recherche à grande vitesse d'Ames au début des années 1950, a conçu le soi-disant corps émoussé, qui aurait un côté plat et large pour supporter le poids de la chaleur. Allen et un collègue ont travaillé sur la théorie au cours de l'année suivante. Ils ont réalisé qu'un corps émoussé créerait une forte onde de choc devant lui, qui détournait une grande partie de la chaleur du véhicule. Ils ont ensuite assemblé la deuxième pièce du puzzle : l'ablation. Cela signifie utiliser des matériaux conçus pour se décomposer et s'éroder à l'entrée, créant une couche carbonisée qui éloigne efficacement la chaleur du véhicule.

Le concept de corps contondant a d'abord été accueilli avec scepticisme et il est resté classé jusqu'en 1957. Mais en mai 1961, lorsqu'Alan Shepard est devenu le premier Américain à visiter l'espace, sa capsule Friendship 7 a utilisé une face conique contondante pour retourner en toute sécurité sur Terre.

Grâce au programme Apollo, les nouveaux matériaux ablatifs étaient un domaine de recherche très actif dans les années 1960. Pour Apollo, la NASA s'est tournée vers une société appelée Avco, spécialisée dans les matériaux pour les ogives de missiles à longue portée. Une couche d'Avcoat de 2,7 pouces d'épaisseur, un matériau de protection thermique en résine époxy dans une matrice en fibre de verre, a absorbé le pire de la chaleur lors de la rentrée d'Apollo.

HEEET est destiné à entrer dans des environnements extrêmes, comme ceux de Saturne ou de Neptune. Jessica Chou

Pour les missions Viking - qui lanceraient les premiers atterrisseurs réussis sur Mars dans les années 1970 - la NASA a utilisé un nouveau matériau appelé SLA-561V. Comme Avcoat, SLA (pour super-lightweight ablator) est basé sur une structure en nid d'abeille remplie de paraisons de résine ablative. Mais les ingénieurs de Martin Marietta, l'entreprise qui a conçu le matériau, ont également intégré des constituants plus légers, comme le silicium et le liège, pour réduire sa densité.

Les navettes spatiales, lancées pour la première fois dans les années 1980, nécessitaient une approche entièrement nouvelle. Les navettes étaient censées être réutilisables, et cela valait également pour les boucliers thermiques. Au lieu d'une matière comme le SLA, les navettes étaient protégées par du carbone-carbone renforcé sur le nez et les bords d'attaque des ailes, et par des carreaux de céramique sur leur ventre.

Hwang, qui a grandi dans une petite ville de l'Iowa, se souvient avoir manipulé une tuile de navette spatiale lors d'une présentation scolaire. L'expérience a planté le désir de travailler un jour sur les technologies d'écran thermique. Après avoir obtenu son doctorat en physique des plasmas à l'Université de l'Illinois, Urbana-Champaign, elle a accepté un emploi au centre de recherche Ames, mais qui n'avait rien à voir avec les boucliers thermiques. Pendant plusieurs années, elle a travaillé sur l'utilisation de plasmas pour graver des circuits dans des micropuces. Lorsque le financement a manqué, elle est passée aux boucliers thermiques, réalisant son ambition d'enfance.

Lorsque Hwang s'est vu confier la tâche de créer un bouclier thermique pour le projet MSL en 2006, elle s'est d'abord tournée vers SLA. Mais il est devenu clair assez rapidement que SLA n'allait pas fonctionner. Nous n'avons jamais vraiment été en mesure d'isoler la cause de l'échec, dit Hwang, mais l'échec était reproductible ; nous avons testé dans de nombreuses installations différentes et nous avons constaté le même échec dans différentes conditions.

Il n'y avait pas beaucoup d'autres options, cependant. Le seul choix viable était quelque chose appelé ablateur de carbone imprégné de phénol (PICA), qui avait été développé à Ames dans les années 1990 pour la mission Stardust - le premier à renvoyer des échantillons d'une comète et la rentrée atmosphérique la plus rapide de l'histoire. Stardust avait utilisé un morceau continu de PICA, mais MSL était trop grand pour que cette approche soit pratique. Ils ont plutôt dû créer des tuiles du matériau et ont conçu la sonde Mars pour qu'elle en soit recouverte, le faisant d'une manière qui ne permettait pas aux courants de gaz de s'écouler le long des joints potentiellement vulnérables entre les tuiles. C'était le premier bouclier thermique ablatif carrelé et le plus grand aeroshell jamais utilisé. (La même solution est maintenant utilisée par SpaceX pour sa capsule Dragon. La NASA a prêté Dan Rasky, l'un des concepteurs de PICA à Ames, à SpaceX pour aider à concevoir le matériau de protection thermique du Dragon, connu sous le nom de PICA-X.)

Je veux explorer notre système solaire. Nous n'avons visité qu'une poignée de destinations. Je veux aller vers chacun d'eux.

Alors que la date limite de lancement du MSL approchait, Hwang et son équipe ont fait exploser des échantillons de PICA dans le complexe Arc Jet d'Ames, améliorant leur compréhension du matériau et des remplisseurs d'espace à chaque nouveau test. Ils ont perfectionné leur bouclier à temps pour le lancement de 2009, seulement pour voir la mission retardée jusqu'en 2011 pour s'assurer que d'autres systèmes étaient prêts. Le MSL a finalement atterri sur Mars en août 2012. Curiosity est toujours actif sur Mars et a connu un tel succès que la NASA développe actuellement une autre mission, le rover Mars 2020, basé sur une conception similaire. Hwang a repris son rôle de gestion du système de protection thermique, qui utilisera à nouveau PICA pour protéger le vaisseau spatial lors de sa descente vers Mars au début de 2021.

Jessica Chou

L'une des tâches les plus importantes du rover Mars 2020 sera de collecter des échantillons qui pourraient un jour être renvoyés sur Terre par un futur atterrisseur. Alors même que les scientifiques apprennent à faire atterrir la prochaine génération de vaisseaux spatiaux sur d'autres mondes, ils travaillent également sur la façon de ramener des environnements extraterrestres alléchants sur Terre.

Si les humains veulent atterrir sur Mars, il leur faudra des boucliers thermiques au moins quatre fois le diamètre de celui de MSL. C'est pourquoi la NASA développe actuellement des concepts d'aérocoques extensibles qui peuvent être glissés à l'intérieur du carénage du lanceur et déployés dans un bouclier plus grand dans l'espace. Une grande partie de ce travail est effectuée au Langley Research Center de la NASA en Virginie. Le matin du 23 juillet 2012, une fusée-sonde a décollé du Wallops Flight Facility de la NASA, à travers la baie de Chesapeake depuis Langley, sur la côte est de la Virginie. La fusée transportait une coque aérodynamique déployable connue sous le nom de décélérateur aérodynamique gonflable hypersonique (HIAD), un cône large et peu profond constitué d'une structure gonflable de tubes en forme de beignet. Le HIAD mesurait moins d'un demi-mètre de diamètre, mais une fois dans l'espace, il s'est déployé à trois mètres. Rendre le bouclier plus large répartit la chaleur de la rentrée sur une plus grande surface.

La fusée a parcouru 290 milles - bien au-dessus de la limite de l'espace - puis le HIAD a gonflé à sa taille maximale. Des caméras embarquées ont capturé une vue de l'océan Atlantique alors que la structure tombait dans l'atmosphère. Le concept HIAD s'est bien comporté lors de ces essais en vol, mais certaines personnes rechignent encore à l'idée de protéger les astronautes à destination de Mars avec un aéroshell gonflable. Beaucoup de gens disent : 'Oh, vous avez une structure gonflable, elle va se plier comme un jouet de piscine', déclare Robert Dillman, ingénieur en aérospatiale à Langley et membre de l'équipe HIAD. Ce truc est assez solide. Il sonne lorsque vous appuyez dessus.

Les aérosols plus grands éloignent les ondes de choc du vaisseau spatial, offrant ainsi une meilleure protection contre la chaleur d'entrée. La chaleur restante est conjurée par un système de protection thermique flexible qui recouvre la structure gonflable avec des tissus extérieurs et une isolation durables.

Le prochain HIAD prévu pour voler atteindra l'orbite terrestre basse et s'étendra à six mètres. Mais ces concepts gonflables ne sont pas les seuls aeroshells extensibles en préparation. Une équipe d'Ames développe un bouclier pliable appelé la technologie d'entrée et de placement adaptable et déployable. Fabriqué à partir de fibres de carbone flexibles tissées en 3D, le bouclier s'ouvre comme un parapluie et est maintenu stable par des entretoises métalliques.

Hwang est également impliqué dans le développement de quelque chose appelé Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET), qui pourrait accueillir des missions vers Vénus, Saturne, Uranus et Neptune. HEEET est beaucoup plus robuste que PICA et SLA-561V, et donc mieux adapté aux atmosphères denses. Traditionnellement, chaque mission avait un bouclier thermique unique, mais cela rend les choses plus chères. Hwang espère réaliser des économies d'échelle, une sorte de Ford Model T de rentrée.

Je veux explorer notre système solaire, dit-elle. Nous n'avons visité qu'une poignée de destinations. Je veux aller vers chacun d'eux.

Becky Ferreira est une journaliste scientifique basée à Ithaca, New York. Son travail a été publié dans Wired et le New York Times.

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