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Eplus3D et UCL Rocket développent et testent avec succès un moteur-fusée et un injecteur à tourbillon refroidis par régénération

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Nouvelles de l'entreprise

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Introduction : Eplus3D, en collaboration avec l'University College London (UCL) et l'équipe UCL Rocket dirigée par des étudiants, a conçu et fabriqué de manière additive Excelsior - un moteur-fusée bipropulseur à refroidissement régénératif pour le concours Race 2 Space 2025 du Royaume-Uni. Fabriqué en AlSi10Mg par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) sur le système quad-laser EP-M400S, le projet a démontré comment la fabrication additive permet d'obtenir des canaux de refroidissement avancés, des caractéristiques intégrées et un développement rapide. En tant que partenaire technique, Eplus3D a fourni des conseils sur les processus et l'exécution de la fabrication pour les composants complexes de la chambre de poussée et de l'injecteur d'Excelsior. Excelsior a atteint sa poussée cible de 5 kN lors des essais à chaud, se classant quatrième dans la catégorie Nitrous Bipropellant, et a été l'un des huit moteurs sur dix-sept à survivre à tous les essais.

Fusée de l'UCL : L'UCL est une université du top 10 mondial située au cœur de Londres, réputée pour sa recherche et son enseignement de premier plan. À l'UCL Mechanical Engineering, la recherche est motivée par l'ambition de relever certains des défis les plus pressants de la société, qu'il s'agisse de développer des systèmes de propulsion de nouvelle génération pour soutenir la décarbonisation des transports ou de concevoir des dispositifs médicaux qui améliorent les soins aux patients et leur qualité de vie.

Au cœur de l'enseignement du génie mécanique de l'UCL se trouve MechSpace, un ensemble dédié de laboratoires d'enseignement et d'ateliers où les étudiants acquièrent une expérience pratique de la conception et du prototypage. Qu'il s'agisse de cours ou de projets extrascolaires menés par les étudiants, comme ceux des six équipes de l'UCL Racing (UCLR), MechSpace fournit les outils et l'environnement permettant aux étudiants d'innover et de collaborer dans un large éventail de domaines, y compris la fusée, les drones, les rovers autonomes, les sous-marins et les voitures de Formule Étudiante. L'accent mis sur l'ingénierie pratique se traduit par un succès constant au concours de conception de l'Institute of Mechanical Engineers (IMechE), où les étudiants de première année de l'UCL ont remporté le titre national quatre années consécutives - et visent une cinquième victoire consécutive plus tard cette année. Eplus3D a rejoint le projet en tant que partenaire technique de fabrication, fournissant des conseils en matière de conception pour la fabrication additive et exécutant la construction du LPBF dans ses installations allemandes.

Défis techniques : Le projet a présenté plusieurs défis techniques. Les températures dans la chambre de combustion dépassaient 2 500 K, ce qui nécessitait une stratégie de refroidissement robuste pour éviter toute défaillance des matériaux. La conception comprenait cinquante-huit canaux de refroidissement internes, des éléments coaxiaux d'injecteurs à tourbillon et des tolérances dimensionnelles serrées qui nécessitaient des capacités de fabrication avancées. La sélection des matériaux devait équilibrer la conductivité thermique, la résistance mécanique, la densité et l'usinabilité, tandis que le processus de fabrication devait être rapide et rentable pour respecter le calendrier limité d'un projet d'étudiant.

Conception et performances du moteur : Le moteur Excelsior utilise de l'alcool isopropylique (IPA) comme carburant et comme liquide de refroidissement, et de l'oxyde nitreux (N₂O) comme oxydant. Il est conçu pour une poussée cible de 5 kN, une pression de chambre de 25 bars et une impulsion spécifique théorique de 204 secondes. Le moteur est imprimé en deux parties : la chambre de poussée, qui comprend la chambre et la tuyère, et l'injecteur coaxial à turbulence. Ceux-ci sont reliés par une bride boulonnée avec des joints toriques en Viton pour un fonctionnement sans fuite.

L'injecteur coaxial à turbulence comprend quinze éléments. Chaque élément possède un orifice interne qui délivre du N₂O axialement dans la chambre, entouré d'un orifice externe qui injecte l'IPA dans une nappe conique tourbillonnante. Ce mouvement tourbillonnaire est obtenu grâce à trois orifices d'entrée tangentiels alimentant une chambre de vortex en amont de l'orifice, conférant une vitesse tangentielle élevée pour une atomisation rapide. La géométrie a été optimisée à l'aide du modèle LISA (Linearised Instability Sheet Atomisation) afin de maximiser la rupture des gouttelettes tout en maintenant un fonctionnement stable. Une modélisation de la réponse dynamique a également été réalisée pour s'assurer que le comportement de l'injecteur sous les oscillations de pression ne coïncidait pas avec les modes de résonance acoustique du moteur, ce qui pourrait provoquer une instabilité de la combustion.

Stratégie de refroidissement avancée : Pour survivre aux flux de chaleur élevés, Excelsior utilise un triple système de refroidissement. Le refroidissement régénératif fait circuler la totalité du flux IPA de 0,59 kg/s à travers un collecteur d'entrée imprimé à la sortie de la tuyère et dans cinquante-huit canaux de refroidissement axiaux à passage unique intégrés dans les parois du moteur. Le refroidissement par film est assuré par quinze orifices usinés de 0,6 mm sur la face de l'injecteur, qui dirigent dix pour cent du flux d'IPA le long de la paroi de la chambre pour former un film liquide protecteur. Enfin, un revêtement de barrière thermique en céramique à base de zircone Zircotec ThermoHold® H2000 est pulvérisé au plasma sur la paroi interne, réduisant le flux de chaleur et atténuant les contraintes thermiques, en particulier au niveau du collet - la région la plus critique du moteur.

Sélection des matériaux
L'AlSi10Mg a été préféré aux alliages traditionnels de l'aérospatiale tels que l'Inconel 718 et le CuCrZr en raison de sa conductivité thermique élevée d'environ 165 W/m-K après détensionnement, ce qui permet un transfert rapide de la chaleur vers le liquide de refroidissement. Sa faible densité de 2,7 g/cm³ permet des économies de poids significatives, et son usinabilité permet une finition efficace des surfaces d'étanchéité et des caractéristiques de précision. Le principal inconvénient de l'AlSi10Mg est la réduction de sa limite d'élasticité à des températures élevées avoisinant les 600 K, ce qui a nécessité une analyse thermomécanique détaillée des contraintes pour vérifier la capacité de survie.

Fabrication sur EP-M400S
Le processus de fabrication a été réalisé sur le système LPBF quad-laser EP-M400S, équipé de quatre lasers de 700 W. Une épaisseur de couche de 60 µm a été utilisée pour la fabrication de l'aluminium. Une épaisseur de couche de 60 µm a été utilisée pour obtenir une résolution fine des canaux internes et les surfaces lisses nécessaires aux performances de l'injecteur. L'expérience et la contribution d'Eplus3D dans le domaine de la DfAM ont permis d'optimiser la conception pour l'imprimabilité, de minimiser le risque de défauts et de réduire les exigences de post-traitement. L'impression du moteur en deux assemblages intégrés a permis de réduire considérablement le nombre de pièces et la complexité de l'assemblage par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles.

Essais et résultats : Le premier moteur à refroidissement régénératif de l'UCL Rocket, Excelsior, a été mis à feu à chaud avec succès chez Airborne Engineering Ltd. pour Race 2 Space 2025, et a résisté à trois essais de mise à feu à chaud pour atteindre sa poussée cible de 5 kN.

Faits marquants de l'essai 1 :

- Le débit massique cible de l'IPA a été atteint.
- 90% du débit massique cible de N2O a été atteint ; la pression du réservoir a été augmentée pour augmenter le débit massique lors des essais suivants.
- La chute de pression moyenne entre l'entrée du carburant et l'injecteur a été mesurée à 0,9 bar, avec une marge de 6,6 % par rapport aux prévisions de la simulation CFD.
- Fuites mineures d'IPA et de N2O dues à des joints défectueux (remplacés après l'essai).

Faits saillants de l'essai 2 :
- Le débit massique cible de N2O a été atteint.
- Blocage partiel des orifices d'injection d'IPA de 0,84 mm en raison de copeaux résiduels dans le collecteur d'injection. Le blocage a été éliminé à la mi-combustion.

Faits marquants de l'essai 3 :
- Les débits massiques d'IPA et de N2O ont été augmentés proportionnellement pour atteindre la poussée cible de 5 kN, avec une pointe de 4,92 kN en moyenne dans les 100 dernières secondes de la combustion.
- Le débit massique maximal de N2O a été atteint dans les limites du système d'alimentation.
- Impulsion spécifique maximale de 174,47 s et efficacité c* de 85,66 %, la meilleure des trois essais.

En compétition, Excelsior s'est classé quatrième dans la catégorie des bipropulseurs à l'azote et a été l'un des huit moteurs sur dix-sept à survivre à tous les essais à feu chaud. Le projet a permis de tirer plusieurs leçons importantes, notamment l'importance d'un nettoyage minutieux pour éviter les blocages d'injecteurs, la nécessité de solutions d'étanchéité fiables et la capacité du LPBF à permettre un développement rapide et performant de matériel aérospatial dans un environnement dirigé par des étudiants.

Le succès d'Excelsior démontre que la technologie LPBF avancée en AlSi10Mg peut produire des moteurs-fusées à refroidissement régénératif de haute performance dans le cadre d'un projet universitaire. En combinant une conception innovante, une fabrication optimisée et des essais rigoureux, la collaboration entre Eplus3D et UCL Rocket montre comment la fabrication additive peut accélérer le développement de la propulsion aérospatiale.