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Surfing back to earth
Aéronautique & Aérospatiale
Une capsule remplie d'échantillons de matériaux retourne vers la Terre. Sa coque est soumise à des forces centrifuges jusqu'à 12 G et à des températures de -270° à 5.000°Celsius. La capsule doit pouvoir résister à tout cela pour ramener des réponses à une question existentielle: Quelle est l'origine de la vie sur notre planète? Les scientifiques utilisent des sondes spatiales pour chercher des indications, notamment sur les astéroïdes et les comètes. C'est parce qu'il existe des indices montrant que ces corps célestes ont joué un rôle important dans la genèse de la vie. Bien sûr, il est essentiel que la capsule et son précieux chargement réussissent sans dommage leur entrée dans l'atmosphère terrestre et leur atterrissage. C'est précisément l'objet du projet HADES de la Haute École Spécialisée de Suisse Occidentale, parrainé par FAULHABER. Pour la stabilisation dynamique de l'assiette de vol de la capsule, l'équipe HADES s'appuiera à l'avenir sur les moteurs linéaires de FAULHABER.
En 1969, Neil Armstrong et Buzz Aldrin ont été les premiers à poser le pied sur la lune. Leur mission d'alunissage a également été la première mission spatiale au cours de laquelle des échantillons ont été prélevés sur un corps céleste et rapportés sur Terre. Aujourd'hui encore, les scientifiques travaillent à l'analyse de ces échantillons et font de nouvelles découvertes. Cependant, les voyages spatiaux habités sont trop coûteux et compliqués pour collecter de la roche cosmique. Depuis Apollo 11, ce sont donc principalement des sondes inhabitées qui recueillent des substances des corps célestes.
Des grammes de poussière d'étoile
Alors que les célèbres astronautes ont rapporté plusieurs centaines de kilos de roche lunaire, les missions inhabitées s'en tiennent généralement à quelques grammes de matière cosmique. Grâce aux méthodes d'analyse modernes, même les plus petites quantités suffisent pour des recherches approfondies. Elles aident les scientifiques à mieux comprendre les processus impliqués dans la formation de notre système solaire. En outre, l'acide aminé glycine a également été détecté dans ces échantillons. Cela a permis de conclure que cette composante protéique a été amenée sur terre par les météorites et a probablement contribué de manière décisive au développement de la vie sur notre planète.
Mais avant de pouvoir être examinés, les échantillons doivent d'abord être rapportés sur terre. À cette fin, des capsules de retour sont utilisées dans des missions inhabitées. Ces capsules sont larguées de la sonde spatiale à un moment calculé précisément et se mettent en route avec une petite poussée. L'attraction gravitationnelle de la Terre finit par les forcer à atterrir dans une zone pré-calculée.
Comme tout objet qui rentre de l'Espace, la capsule s'échauffe fortement au contact de l'atmosphère terrestre. Sa forme ronde-ovale et un bouclier thermique permettent de la protéger en contrant cette réaction. Une phase particulièrement critique du retour ne commence que peu de temps après, alors qu'elle a déjà été fortement ralentie par la résistance de l'air et qu'elle ne se déplace « plus qu'à » une vitesse subsonique.
Les dangers de l'aérodynamique
Durant cette phase de son vol, la capsule est déjà exposée à l'aérodynamique terrestre. Chaque tourbillon d'air affecte sa trajectoire et son orientation. Sans ailes ni volets, elle n'a aucune possibilité de stabilisation extérieure. La capsule risque de partir en vrille. C'est ce qui est arrivé notamment à la capsule de la mission Genesis de la NASA en 2004. Elle a perdu son orientation prévue pendant cette phase de vol, n'a pas pu ouvrir son parachute et s'est écrasée au sol sans être freinée.
« Nous voulons éviter ce scénario en stabilisant la position de la capsule pendant son vol dans l'atmosphère », explique Aurélien Walpen de la Haute école spécialisée de Suisse occidentale (HES-SO) qui est présente sur les campus de Genève et de Fribourg. Il a participé au projet HADES en tant qu'étudiant en master. « Un de nos professeurs est très actif dans le domaine de l'aéronautique et nous a confrontés au problème de la capsule de retour. Nous avons passé en revue différents concepts, mais nous sommes vite revenus à notre toute première idée : la stabilisation par déplacement du centre de gravité. »
Le principe consiste à faire faire à la capsule la même chose qu'un surfeur avec sa planche sur une vague : compenser l'effet de son « terrain » dynamique en utilisant son propre poids corporel pour ajuster constamment son centre de gravité. « En langage mécanique, le mouvement de compensation s'effectue selon les axes x et y. En faisant bouger un poids dans un mouvement de va-et-vient sur chacun de ces axes, vous pouvez compenser les forces déstabilisatrices agissant de l'extérieur. »
Des moteurs à double fonction
Il paraissait sensé d'utiliser les servomoteurs C.C. linéaires à l'intérieur de la capsule pour faire bouger les deux poids. La masse motrice s'est avérée suffisante pour servir de contrepoids : l'effet stabilisateur est obtenu grâce aux deux moteurs qui font des mouvements de va-et-vient le long de leurs axes. L'ajout de « lest » supplémentaire n'est pas nécessaire. Dans leur recherche de solutions fiables utilisant des moteurs linéaires pour remplir cette tâche, les experts de l'ESA et de HADES ont privilégié FAULHABER. Ils ont trouvé pour cette mission inhabituelle le bon entraînement qui répondait de manière optimale aux exigences physiques.
Ces exigences sont considérables. Tout d'abord, les entraînements doivent être assez robustes pour résister aux énormes forces déployées lors du lancement de la fusée et de son retour dans l'atmosphère. C'est surtout pendant ce dernier que la capsule s'échauffe très fort - et ce, après avoir été exposée à des températures extrêmement basses dans l'Espace et au vide qui y règne. Rien de tout cela ne doit empêcher les moteurs de remplir leur tâche de manière fiable et rapide. Ils doivent être capables de se déplacer jusqu'à quatre fois par seconde en va-et-vient le long de leur axe de mouvement. Les décélérations et les forces centrifuges importantes doivent être compensées. En même temps, comme toujours dans l'aéronautique, l'espace disponible est chose rare dans la capsule. Le moteur doit donc fournir des performances maximales dans les plus petites dimensions.
« Ici aussi, nous avons essayé différents types de produits pour finalement revenir à notre premier choix, explique Aurélien Walpen. Le servomoteur C.C. linéaire LM 2070-12 de FAULHABER a obtenu les meilleures valeurs pour tous les critères importants et s'est révélé être l'entraînement le plus fiable. Il était également essentiel que la commande du moteur soit facile à programmer et à intégrer dans le système global. » Le système complet a été testé dans des chambres climatiques et à vide ainsi que dans la soufflerie de l'Université de Genève. On y a simulé la réaction de la capsule à la résistance de l'air pendant le vol dans l'atmosphère. Pendant les tests, les moteurs linéaires ont stabilisé sa position de manière fiable. L'essai pratique prévu pour mars 2020 avec un véritable retour de l'Espace a dû être reporté au printemps 2021. Le lancement de la capsule se fera à l'aide d'une fusée REXUS depuis le centre spatial d'Esrange, dans la ville de Kiruna située au nord de la Suède. Après avoir accéléré sous 20g et atteint une vitesse maximale de 4 300 km/h, la fusée montera à une altitude de 100 kilomètres de la surface de la Terre. De là, la capsule sera retournée et, grâce à FAULHABER, reviendra sur Terre en toute sécurité.
