Marotta MV74 utilisé sur Saturn V Rocket en 1967 (à gauche) et le MV74 modernisé utilisé sur les lanceurs commerciaux aujourd'hui (à droite).

Aller là où aucune vanne n’est allée auparavant

En un coup d’oeil:

  • L’évolution des vannes des engins spatiaux a parcouru un long chemin depuis leur utilisation dans fusées Saturn V à carburant liquide.
  • Aujourd’hui, les fabricants de composants d’engins spatiaux tirent parti de l’intégration verticale, de l’impression 3D et de la fabrication en plus grand volume pour réduire les coûts de construction et d’intégration des lanceurs.
  • Pour les électrovannes à action directe, les conceptions des sous-composants restent largement inchangées. Cependant, les matériaux exotiques sont plus facilement accessibles et permettent aux vannes de fonctionner à des pressions et des températures plus élevées tout en permettant également une compatibilité supplémentaire avec les fluides.

Il y a plus d’un demi-siècle, la NASA n’a construit que 15 fusées Saturn V à combustible liquide à plusieurs étages pour le programme Apollo des États-Unis. Ces fusées étaient capables de près de huit millions de livres de poussée. Aujourd’hui, des dizaines de modèles de lanceurs spatiaux différents sont utilisés et d’autres sont en développement.

Les véhicules spatiaux modernes utilisent les mêmes principes de la science des fusées et des composants fluides similaires que ceux utilisés sur Saturn V. Du point de vue de l’ingénierie des systèmes, peu de choses ont changé. Les composants du système remplissent les mêmes fonctions que lorsqu’ils ont mis un homme sur la lune.

En dépit de la pensée conventionnelle, cependant, il est possible d’améliorer l’essai et le vrai. L’augmentation récente de la concurrence commerciale, l’introduction de types de carburant plus avancés et des délais de développement de véhicules exponentiellement plus rapides ont nécessité l’évolution des conceptions ou des composants eux-mêmes ainsi que de leurs calendriers de production.

L’un de ces dispositifs qui a été récemment révisé est l’électrovanne. Les soupapes sont des composants vitaux des systèmes de propulsion de fusées à carburant liquide. Ils transportent des fluides vers toutes les zones de l’engin spatial pour des applications critiques, notamment les commandes de moteur, la séparation des étages, le contrôle de la réaction et la pressurisation du carburant, parmi une large gamme d’autres systèmes spatiaux critiques. Ils effectuent également une longue liste d’opérations pendant le chargement, le démarrage et le vol. De manière remarquable, les lanceurs modernes à carburant liquide à plusieurs étages peuvent avoir plus de 500 soupapes à bord.

Marotta MV74 utilisé sur Saturn V Rocket en 1967 (à gauche) et le MV74 modernisé utilisé sur les lanceurs commerciaux aujourd’hui (à droite).Commandes Marotta

La course à l’espace et la conception équilibrée du clapet

Lors de la conception et du développement des fusées à combustible liquide menant à l’ère Apollo, le calendrier était le principal moteur et le coût n’était pas un problème. Une fusée prendrait jusqu’à neuf ans à construire. La NASA a été testée tôt et souvent. Et les exigences matérielles étaient simples, principalement celles essentielles aux performances des fusées.

Les composants fluidiques ont été conçus spécifiquement pour une seule application en un seul endroit sur la fusée. Les ingénieurs du véhicule spécifieraient le fluide de travail, les interfaces d’accouplement et les performances requises pour la fonction donnée sur le véhicule. Le fabricant de composants construirait et testerait une poignée d’unités pour le développement et expédierait un petit ensemble de composants personnalisés à utiliser.

Le fondateur de Marotta Controls, Pat Marotta (à droite), avec le pionnier de l'aérospatiale et architecte spatial Wernher von Braun (à gauche).Le fondateur de Marotta Controls, Pat Marotta (à droite), avec le pionnier de l’aérospatiale et architecte spatial Wernher von Braun (à gauche).Commandes Marotta

Au cours de cette période, Marotta Controls a breveté la conception de la soupape à champignon équilibré qui permettait des pressions de fluide jusqu’à 6 000 psig dans de très petits emballages (légèrement plus gros qu’un paquet de cigarettes) pour une soupape de ligne de ¼ po. Cette conception à clapet équilibré était idéale pour les lignes de ¼ à ½ po. Pour des conduites de plus grande taille, ces vannes avaient toujours une valeur significative car elles étaient utilisées comme pilotes, acheminant les pressions vers des actionneurs à piston plus grands de l’étage principal.

Les petites conceptions initiales de vannes consistaient en un boîtier en aluminium ou en alliage d’acier inoxydable, un champignon en acier inoxydable (tiroir), une bobine CC utilisée pour l’actionnement et des joints toriques en élastomère pour l’étanchéité à l’extérieur du chemin d’écoulement principal. La science des matériaux pour les fusées en était à ses débuts et la disponibilité de matériaux plus exotiques était limitée.

La conception sur des tableaux de bord et les analyses effectuées avec des règles à calcul ont dominé l’industrie, soutenues par des données empiriques issues de tests approfondis. La simplicité de la conception s’est prêtée à une adoption généralisée et est devenue la référence pour les composants de fluide haute pression, à la fois pour les équipements de soutien au sol et pour les composants de vol.

Clapet équilibré d'origine Marotta.Clapet équilibré d’origine Marotta.Commandes Marotta

Les technologies d’étanchéité pour ces premières solutions étaient (comme indiqué) les joints toriques élastomères et le PTFE (polytétrafluoroéthylène, ou Téflon). Ces composants présentaient certains inconvénients: les joints toriques étaient limités à des pressions relativement plus faibles et le PTFE était connu pour son incapacité à conserver sa forme sous des pressions et des températures élevées.

A noter également les approches des premiers jours de fabrication et de contrôle qualité. Tout ce qui minimisait le travail supplémentaire était encouragé malgré la mentalité générale du «coût n’est pas un objet». Par conséquent, les techniques de fabrication telles que le forgeage et le moulage ont été privilégiées par rapport au fraisage et au tournage, car l’enlèvement de matière était une tâche manuelle et laborieuse. De plus, l’assemblage a été effectué en petits lots sans contrôles de qualité significatifs, ce qui a entraîné une diminution de la variabilité des composants d’un lot à l’autre. Enfin, aucune analyse statistique, comme CpK (indice de capacité de processus), ni des techniques d’enquête sur les défaillances pour les causes profondes et les mesures correctives n’ont été employées.

Composants fluidiques modernes

La fonctionnalité des systèmes de contrôle des fluides actuels est presque identique à celle des systèmes des années 60. Cependant, des exigences supplémentaires en matière de redondance et de sécurité ont ajouté de la complexité à la conception du système moderne; des exemples de ces ajouts étant le contrôle, la régulation et l’expulsion du fluide du lanceur.

Les spécifications actuelles des composants fluides peuvent comporter plus de 300 pages dans lesquelles les fabricants de fusées définissent toutes les restrictions matérielles, les tests de développement / qualification et les exigences de qualité. Beaucoup de ces spécifications découlent de plus de 50 ans de leçons apprises depuis la fin du programme Apollo.

Mission Apollo 16 de la fusée Saturn V en 1972 (à gauche) et lancement de l'Atlas V en 2019 (à droite).Mission Apollo 16 de la fusée Saturn V en 1972 (à gauche) et lancement de l’Atlas V en 2019 (à droite).NASA

Alors, qu’avons-nous découvert exactement depuis la marche historique de Neil Armstrong sur la lune?

Beaucoup. Des progrès considérables et essentiels ont été réalisés dans les domaines la science des matériaux, l’analyse, les capacités de fabrication et le contrôle qualité, qui ont tous influencé l’évolution de la conception des vannes.

Pour les électrovannes à action directe, les conceptions des sous-composants restent largement inchangées. La science des matériaux, cependant, a continué d’évoluer, et les matériaux exotiques tels que l’Inconel et le Monel sont plus facilement accessibles pour les composants plus petits. Ces matériaux permettent aux vannes de fonctionner à des pressions et des températures plus élevées tout en permettant une compatibilité supplémentaire avec les fluides.

De plus, les capacités d’analyse par éléments finis se sont développées de telle sorte que les effets de chargement combinés; les conditions dynamiques telles que les chocs et les vibrations; et la fatigue peut toutes être prédite et utilisée pour l’optimisation. Ces avancées sont directement corrélées à des composants plus légers et plus fiables.

Parmi les composants des vannes, les technologies d’étanchéité ont connu certains des plus grands changements depuis les années 1960. Là où les joints toriques dominaient autrefois la plupart des composants fluides, les solutions de haute technologie telles que les joints à ressort sont maintenant devenues monnaie courante. Ces joints techniques dépassent de loin les limites de capacité des joints toriques élastomères car ils peuvent résister à des pressions de 10 000 psig, des températures de 1 000 ° F et des températures inférieures à -320 ° F pour les applications cryogéniques.

Les techniques de fabrication modernes telles que le fraisage et le tournage sur des machines à 5 axes et plus ont réduit le besoin de techniques de forgeage et de moulage. L’usinage à partir de billettes peut atteindre un poids de pièce similaire, avec des délais beaucoup plus courts et un outillage moins unique qu’un forgeage ou un moulage comparable. Les finitions de surface et la tolérance peuvent également être maintenues beaucoup plus étroitement, ce qui permet des capacités d’étanchéité à pression plus élevée; par exemple, les conceptions à champignon équilibré haute pression reposent sur des pièces ayant des tolérances inférieures à cinq dix millièmes (5/10 000) de pouce. De plus, les capacités d’assemblage et de test se sont tournées vers l’automatisation et les techniques de fabrication allégée telles que six sigma et Kanban pour produire plus efficacement de plus grands volumes de produits.

Un nouveau paysage de marché

Au cours des 20 dernières années, la commercialisation de l’espace a entraîné une augmentation de la demande de ressources, de la concurrence et de l’innovation. À l’époque d’Apollo, les États-Unis travaillaient vers un objectif commun.

Désormais, plusieurs entreprises privées se battent pour trouver leur place grâce au développement rapide des petites et les lanceurs de taille moyenne (le marché lourd est toujours dominé par le gouvernement américain). Les fabricants de composants d’engins spatiaux ont tiré parti de l’intégration verticale, de l’impression 3D et de la fabrication en plus grand volume pour réduire les coûts de construction et d’intégration des lanceurs.

Historiquement, les maîtres d’œuvre (niveau 1) des programmes soutenus par le gouvernement fabriquaient bon nombre de leurs composants en interne. Beaucoup de ces entrepreneurs sont depuis devenus des intégrateurs de systèmes plus importants et se concentrent principalement sur l’assemblage de composants mécaniques, électriques et logiciels. Ceci, à son tour, laisse moins de temps pour fabriquer des composants fluides en interne, ce qui les oblige à se procurer ces éléments auprès de sous-traitants plus petits.

En réponse, l’industrie de la fabrication de composants fluides a également changé. Avec une clientèle plus large et ayant besoin de s’intégrer dans des systèmes de produits finis plus diversifiés, certains fabricants de composants identifient des moyens de standardiser les produits de vannes. En 2018, par exemple, Marotta Controls a lancé la série CoRe Flow Controls. Cette gamme de produits d’électrovannes propose 12 numéros de référence différents qui sont basés sur 12 plates-formes de lancement différentes et ont une utilisation polyvalente dans une fusée.

Deux à 300 de ces vannes sont fabriquées chaque mois, ce qui démontre un changement radical dans les calendriers de production de vannes par rapport à ce qui était courant il y a des décennies. Cette stratégie de fabrication de type catalogue permet une tarification plus économique, des délais réduits et des rapports de test de qualification prêts à l’emploi pour chaque numéro de pièce, ce qui était jusqu’alors inconnu dans l’industrie des composants fluides. En fournissant des composants identiques à diverses plates-formes, les fabricants peuvent se concentrer sur l’amélioration de la fiabilité avec des décisions basées sur les données similaires à toute industrie à volume plus élevé.

Série Marotta CoRe Flow Controls: Electrovannes disponibles dans le commerce et réutilisables.Série Marotta CoRe Flow Controls: Electrovannes disponibles dans le commerce et réutilisables.Commandes Marotta

À ce stade, rien n’indique que la demande de télécommunications et d’activités scientifiques ralentira de si tôt. Compte tenu de cela, la demande de lanceurs de petite et moyenne taille non plus. Il n’est donc pas surprenant que les fabricants de composants devront continuer à faire évoluer la qualité et la fabricabilité de leurs produits pour répondre au spectre croissant des capacités requises. L’industrie des vannes, pour sa part, a parcouru un long chemin en quelques années seulement. Et il est juste de dire que ce n’est que le début.

Brian Ippolito est directeur, Space & Weapons Engineering chez Marotta Controls.

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