Les polymères jouent un rôle crucial dans la construction et la fonctionnalité des navettes spatiales et autres engins spatiaux, offrant des propriétés uniques telles que la construction légère, la résistance thermique, la protection contre les radiations, l'isolation électrique et la stabilité chimique. Ces caractéristiques les rendent indispensables pour les environnements extrêmes rencontrés dans l'espace, où le poids, les fluctuations de température, les conditions de vide et l'exposition aux rayonnements cosmiques doivent être soigneusement gérés. Voici un aperçu détaillé des différentes capacités dans lesquelles les polymères sont utilisés dans les navettes spatiales :
Composants structurels légers
Le poids est un facteur critique dans l'exploration spatiale, car chaque kilogramme ajouté augmente la consommation de carburant et réduit la capacité de charge utile. Les polymères, en particulier les matériaux composites , sont utilisés dans les composants structurels non porteurs pour réduire le poids global sans compromettre la résistance. Les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) et les polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont couramment utilisés dans les engins spatiaux car ils offrent des rapports résistance/poids élevés, ce qui les rend idéaux pour les éléments structurels tels que les panneaux , les supports et les supports intérieurs .
Par exemple, dans les systèmes de protection thermique (TPS) des navettes spatiales, des polymères sont utilisés dans les panneaux alvéolaires qui assurent l'intégrité structurelle tout en minimisant le poids. Ces matériaux garantissent que la structure de la navette est à la fois solide et légère, contribuant ainsi à des lancements plus efficaces et à une plus grande capacité de charge utile.
Isolation thermique et boucliers thermiques
Les navettes spatiales sont soumises à des températures extrêmes, notamment lors de la rentrée dans l'atmosphère terrestre, où les températures peuvent dépasser 1 600 °C (2 900 °F). Les polymères sont largement utilisés dans les systèmes d'isolation thermique et les boucliers thermiques des navettes spatiales pour protéger le véhicule et l'équipage de la chaleur extrême.
Les mousses de polyimide , comme le Kapton , sont largement utilisées pour l'isolation thermique en raison de leur excellente résistance aux températures élevées. Ces mousses sont utilisées pour isoler des composants tels que les réservoirs de carburant, les conduites cryogéniques et les systèmes électriques, les protégeant des températures extrêmes de l'espace. De plus, des polymères à base de silicone et des polymères ablatifs sont utilisés dans les boucliers thermiques qui protègent la navette spatiale lors de la rentrée dans l'atmosphère. Ces matériaux absorbent la chaleur et s'érodent lentement (s'ablatent), empêchant le transfert de températures élevées à la structure de la navette.
Protection contre les radiations
Les navettes spatiales et les engins spatiaux sont exposés à des niveaux élevés de rayonnement cosmique et de rayonnement solaire dans l'espace, qui peuvent être nocifs pour l'équipage et les équipements électroniques sensibles. Les polymères jouent un rôle dans la protection contre les radiations, en particulier en combinaison avec d'autres matériaux tels que le polyéthylène ou le carbure de bore , qui sont efficaces pour bloquer les rayonnements neutroniques et gamma.
Le polyéthylène , un polymère connu pour sa teneur en hydrogène, est utilisé dans les protections contre les radiations car il peut absorber et disperser efficacement les radiations cosmiques. Il est souvent utilisé dans le compartiment de l'équipage des navettes spatiales pour protéger les astronautes des radiations nocives. De plus, des composites polymères avancés sont utilisés dans le blindage des systèmes électroniques pour empêcher les radiations d'endommager les circuits critiques et l'avionique.
Isolation électrique et protection des fils
Les navettes spatiales ont besoin d'un large éventail de systèmes électriques pour fonctionner correctement, et les polymères sont essentiels pour assurer l'isolation électrique des fils, des câbles et des connecteurs. Dans le vide spatial, l'isolation électrique est essentielle pour éviter les courts-circuits et assurer le fonctionnement sûr des systèmes avioniques et de distribution d'énergie.
Le PTFE (polytétrafluoroéthylène) et le FEP (éthylène-propylène fluoré) sont largement utilisés comme matériaux isolants pour le câblage des navettes spatiales. Ces polymères offrent une résistance aux températures élevées, une faible friction et d'excellentes propriétés d'isolation électrique. Le PTFE et le FEP sont utilisés pour recouvrir les fils, câbles et connecteurs électriques, garantissant des performances fiables dans les conditions difficiles de l'espace, où les fluctuations de température, les vibrations et l'exposition aux radiations peuvent dégrader les matériaux conventionnels.
De plus, le Kapton est utilisé comme isolant pour les circuits flexibles et le câblage des navettes spatiales en raison de ses excellentes propriétés d’isolation thermique et électrique, même dans des environnements extrêmes.
Joints et joints d'étanchéité
Dans les navettes spatiales, l'intégrité des joints et des garnitures est essentielle pour maintenir la pression dans les compartiments de l'équipage et protéger les systèmes contre les fuites. Les polymères élastomères comme le silicone et les fluoroélastomères sont largement utilisés pour les joints et les garnitures dans les applications spatiales, car ils peuvent résister à des fluctuations de température extrêmes et à une exposition au vide sans perdre leurs propriétés d'étanchéité.
Par exemple, les joints à base de silicone sont utilisés dans les joints d'écoutille , les raccords de conduites de carburant et les systèmes de sas des navettes spatiales, garantissant le maintien de la pression à l'intérieur du vaisseau spatial et empêchant les fuites de gaz ou de fluides. Ces matériaux offrent flexibilité et durabilité, garantissant des performances fiables même dans le vide spatial.
Stockage de carburant et isolation cryogénique
Les polymères sont également utilisés dans les systèmes d'isolation cryogénique des navettes spatiales, notamment pour le stockage et le transfert d' hydrogène et d'oxygène liquides , qui sont utilisés comme propulseurs de fusée. Ces fluides cryogéniques sont stockés à des températures extrêmement basses et des matériaux à base de polymères sont utilisés pour isoler les réservoirs et les canalisations afin d'éviter le transfert de chaleur.
Les mousses de polyuréthane et les films de polyimide comme le Kapton sont couramment utilisés pour l'isolation cryogénique. Ces matériaux constituent des barrières thermiques efficaces, empêchant les carburants cryogéniques de se réchauffer et de s'évaporer, garantissant ainsi le stockage et le transfert efficaces des propulseurs lors des missions spatiales.
Composants intérieurs et combinaisons spatiales
Outre les applications structurelles et thermiques, les polymères sont largement utilisés dans les composants intérieurs des navettes spatiales, tels que les sièges d'équipage, les panneaux de contrôle et les unités de stockage. Ces composants doivent être légers et durables, capables de résister aux rigueurs des voyages spatiaux tout en offrant confort et sécurité aux astronautes.
De plus, les combinaisons spatiales portées par les astronautes contiennent une variété de matériaux polymères. Les couches extérieures des combinaisons spatiales comprennent souvent du Kevlar et du Nomex , des polymères offrant une grande solidité et une grande résistance à l'abrasion et aux températures extrêmes. Ces matériaux protègent les astronautes des impacts de micrométéoroïdes, des extrêmes thermiques et des radiations pendant les sorties dans l'espace (activité extravéhiculaire, ou EVA).
Adhésifs et agents de liaison
Les polymères jouent également un rôle crucial dans les adhésifs et les agents de liaison utilisés dans la construction de la navette spatiale. Les résines époxy , les adhésifs silicone et d'autres agents de liaison à base de polymères sont utilisés pour assembler les panneaux composites, sécuriser l'isolation thermique et coller divers composants du vaisseau spatial. Ces adhésifs doivent rester solides et flexibles dans les conditions extrêmes de l'espace, où les changements de température et le vide peuvent affecter les performances des agents de liaison traditionnels.
Conclusion
Les polymères sont essentiels à la conception, à la construction et à l'exploitation des navettes spatiales, offrant des avantages tels que la construction légère, l'isolation thermique, la protection contre les radiations et l'isolation électrique. Des boucliers thermiques et du câblage électrique aux joints, aux joints d'étanchéité et aux systèmes de stockage de carburant, les polymères jouent un rôle essentiel pour assurer la sécurité, la fiabilité et l'efficacité des missions de la navette spatiale. Leur capacité à résister aux conditions extrêmes de l'espace, notamment aux températures élevées, aux radiations et aux environnements sous vide, rend les polymères indispensables dans l'industrie aérospatiale, contribuant au succès des efforts d'exploration spatiale.