Bouclier thermique

Les conditions extrêmes de chaleur pendant la descente dans l'atmosphère on obligés les ingénieurs à trouver une solution pour élaborer le bouclier thermique. Ce dernier sera constitué de fibre superfine d'oxyde de silicium (l'analyse de tous les composants du bouclier à montré que le rayonnement peut être fortement affaibli par l'utilisation de fibres de 1.5-2 microns), capable d'affaiblir le rayonnement thermique et d'augmenter la dispersion de la chaleur pour protéger la structure de la voilure.

En haut à gauche: fibres initiales (x2000) En haut à droite: après dispersion (x2000) En bas gauche et droite: après traitement thermique (x5000 et x15000) la solidité de la matière s'accroît de 0.7 à 4 kgf/kW.cm

Différentes exigences étaient requises pour le bouclier thermique, solidité des plaques, faible poids, résistances à de haut gradients de température, conductibilité thermique faible, haut degré de noirceur (0.8-0.9), résistance à l'oxydation. Tous ces points on conduit les ingénieurs à créer des tuiles à base de fibres de quartz.
Dans les zones de fortes chaleur (supérieure à 1250°C), le nez, le bord d'attaque des ailes, il fallait créer un matériau très résistant à base de carbone car les températures pouvaient monter jusqu'à 1650°C. Alors que dans les zones où la températures n'excédait pas 370°C le bouclier était fait à base de composés organiques.
La technique élaborée pour la fabrication des tuiles thermiques et leur caractéristiques physico-mécaniques sont supérieures à leurs homologues étrangères.
Les caractéristiques techniques des tuiles étaient: une grande récurrence d'utilisation (100 cycles), des gradients de températures important (150°C à 1650°C), coefficient de conductibilité thermique faible 0.06 W/(m*K) à 100°C, 0.12 W/(m*K) à 1100°C, un coefficient de dilatation de 7/10000000 et une densité inférieure à 0.15 g/cm3.

Pour que les tuiles offrent une haute résistance aux charges thermiques il était nécessaire d'utiliser des matières pures, la concentration en impuretés devait être minimal (particulièrement en alcalin et alcalino-terreux). La concentration du dioxyde de silicium était de 99.9% ce qui assurait la stabilité à la cristallisation de l'oxyde amorphe et permettait la garantie des propriétés du matériaux.

Les tuiles du boucliers sont collées à une couverture extérieure en tissu de 0.3 mm d'épaisseur, laquelle est aussi collée au fuselage. Cette couche de tissu réfractaire sert d'isolant thermique entre le bouclier et le fuselage, et permet de minimiser l'impact de la déformation du bouclier sur ce dernier.

Les tuiles sont positionnées sur toute la surface de la navette avec un jeu qui prend en compte la déformation du bouclier dut aux montées de température et aux différences de charges mécaniques durant le vol. Ce jeu n'excède pas 0.3 à 0.5 mm pour permettre un écoulement harmonieux de l'air chaud. L'espace entre certaines tuiles est parfois comblé par des feuilles à base de fibre de quartz.

Les tuiles de couleur noir (plus résistantes) sont positionnées sur le dessous de la navette et les parties chaudes, tandis que les tuiles blanches, qui limitent l'irradiation causée par le soleil, sont installées sur tout le reste.

L'analyse des matières et la détermination de l'épaisseur des tuiles étaient faite suivant des modèles mathématiques. De plus, plusieurs paramètres extérieures étaient pris en compte tel que les conditions de chauffe, les radiations, la convection de chaleur à l'intérieur de la voilure, les jeux entre les tuiles, ainsi que d'autres facteurs. L'influence du jeux entre les tuiles est primordiale car il peut réduire considérablement le fonctionnement du bouclier (voir schéma à droite), c'est pour cela que ce paramètre était soigneusement contrôlé pendant toutes les phases de la fabrication et de l'exploitation de la navette.

La structure de la voilure n'est pas faite d'un bloc et contient des cavités intérieures. Ces dernières permettent de réduire l'épaisseur du bouclier thermique, par contre la chaleur est transmisse le long des nervures (comme on peut le voir sur le schéma) et diminue son efficacité.

Le schéma de droite montre l'évolution de la température du bord d'attaque de l'aile en fonction du temps. On voit que l'utilisation d'un bouclier thermique à base de carbone permet de réduire la température de plus de 1150°C par rapport à l'environnement extérieure.

Le principal problème de l'utilisation d'un bouclier constitué de tuiles et la perte de l'une d'elle. Les études faites sur la navette de test ont permit de conclure que l'endommagement ou la perte de quelques tuiles n'entraînerait pas la fusion de la structure de la voilure, et donc la destruction de la navette. Ce problème est illustré sur le schéma ci-contre où différents scénarii sont étudiés, évolution de la température de la voilure en fonction de: la perte d'une tuile, la perte d'une tuile et du feutre. (Tm température du fuselage, Tw température du plasma).

Positionnement des tuiles

Le schéma de positionnement des tuiles sur Bourane est différent de la navette américaine. Sur Bourane il n'y a pas de tuiles triangulaires et acutangulaires, et toutes les longues fentes entres les tuiles sont perpendiculaire à l'écoulement du plasma (voir figure ci-contre). Cette organisation des tuiles permet de réduire les turbulences aérodynamiques pendant le vol. Quant à la partie nasale, les elevons et la dérive, les tuiles sont positionnées suivant un éventail. Pour le changement de direction des lignes de jointures des tuiles pentagonales sont introduites, car elles n'ont pas d'angles aigus. Au total le bouclier thermique est constitué de 38600 tuiles (38800 suivant les sources), 15% d'entre elles sont irrégulières ou particulièrement complexe (rigole, chanfreiné, etc.).

Pour que le contact entre les tuiles et le fuselage soit le plus exact possible, le programme du traitement était corrigé d'après les mesures effectuées sur la surface réelle et d'après 100 points de référence sur chaque tuiles. Toutes les étapes y compris l'élaboration de la documentation d'étude, la fabrication et le contrôle étaient faites sur ordinateur. Après le montage de la tuile sur le fuselage on venait y tester la résistance à l'arrachement. Enfin, toute une batterie de machines venait éprouver la solidité du bouclier, laser, canons acoustique et à neutrons, outils de radiologie, microscopie électronique, etc.

Positionnement des tuiles sur le fuselage:

Températures du fuselage

Les parties du fuselage les plus chaudes sont le nez et le bord d'attaque des ailes.

Cette zone est protégée par des tuiles de céramique en fibre de dioxyde de silicium, ayant une couleur noir ou blanche.

Les hublots de la cabine de pilotage peuvent chauffer jusqu'à 750°C. Pour garantir une bonne isolation thermique le hublot est constitué de 2 couches dont un double vitrage, comme on peut le voir sur le dessin de droite.

Dans les zones où la température est moins élevée, des matières fibreuses organiques sont utilisées.