Quantification of RTV Intumescence using X-ray Imaging

Lorsque des engins spatiaux plongent dans l'atmosphère d'une planète, l'air devant eux se comprime si violemment qu'il se transforme en un plasma brûlant, chauffant la surface du véhicule à des températures capables de faire fondre l'acier. Pour survivre à cela, les ingénieurs enveloppent ces véhicules dans un système de protection thermique, une coque composée de tuiles spéciales conçues pour absorber et évacuer cette chaleur intense. Cependant, ces tuiles ne peuvent pas être placées bord à bord ; elles doivent être séparées par de petits interstices pour permettre l'expansion et la contraction des matériaux lorsqu'ils chauffent et refroidissent. Ces interstices sont remplis d'un scellant souple, semblable à du caoutchouc, appelé silicone vulcanisant à température ambiante. Ce matériau agit comme une colle flexible, maintenant les tuiles en place et empêchant l'air surchauffé de s'infiltrer par les fissures. Le problème est que lorsque ce silicone devient trop chaud, il ne se contente pas de rester là ; il réagit chimiquement, libérant des gaz et gonflant vers l'extérieur comme une pâte à pain qui lève. Si ce gonflement devient trop important, le matériau peut empiéter sur le flux d'air, perturbant la couche d'air lisse qui protège le vaisseau spatial et provoquant une accumulation de chaleur encore plus grande, ce qui peut mener à une défaillance.

Les scientifiques savent depuis longtemps que ce gonflement, ou intumescence, se produit, mais ils ont eu du mal à comprendre exactement comment il se produit à l'intérieur du matériau pendant qu'il est chauffé. Pour comprendre ce processus caché, une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois et du Laboratoire national de Lawrence Berkeley a décidé d'observer le changement de forme du silicone en temps réel. Ils ont utilisé une puissante machine à rayons X, similaire à celles utilisées dans les hôpitaux mais beaucoup plus intense, pour prendre des milliers de photos tridimensionnelles du matériau pendant qu'il était chauffé. En combinant ces images avec une analyse chimique, ils ont pu suivre la façon dont le caoutchouc bulle, se fissure et se contracte selon différentes conditions, révélant que la vitesse à laquelle le matériau chauffe et l'environnement qui l'entoure modifient radicalement son gonflement.

Les chercheurs ont commencé par étudier la décomposition chimique du silicone. Ils ont chauffé de petits échantillons dans un environnement contrôlé et ont mesuré les gaz s'échappant lors de la décomposition du matériau. Ils ont découvert que le silicone ne se décompose pas d'un seul coup. Au lieu de cela, il passe par plusieurs étapes distinctes à mesure que la température augmente. D'abord, il libère l'eau et l'air piégés. Ensuite, à mesure que la chaleur s'intensifie, les longues chaînes moléculaires qui composent le caoutchouc commencent à se briser, libérant des gaz plus lourds et laissant derrière elles un résidu carboné poreux. La vitesse à laquelle le matériau est chauffé importe énormément. Lorsqu'il est chauffé lentement, les gaz ont le temps de s'échapper par de minuscules fissures qui se forment dans le matériau, permettant au silicone de se rétracter après son gonflement. Mais lorsque la chaleur est appliquée rapidement, imitant les conditions d'entrée d'un vaisseau spatial dans l'atmosphère d'une planète, les gaz se retrouvent piégés à l'intérieur. Cette pression piégée augmente rapidement, forçant le matériau à se dilater bien plus qu'il ne le ferait dans des conditions de chauffage plus lent.

Pour visualiser cette expansion, l'équipe a placé des échantillons de silicone à l'intérieur d'une chambre spéciale et les a chauffés tout en prenant des images aux rayons X. Dans une première série d'expériences, ils ont chauffé les échantillons lentement, en prenant des scans tridimensionnels chaque minute. Ils ont observé que le matériau s'est d'abord légèrement dilaté en raison de la simple expansion thermique, puis a gonflé de manière significative à mesure que des gaz se formaient à l'intérieur de poches fermées dans le caoutchouc. Finalement, à mesure que le matériau développait des fissures et des pores, ces gaz se sont échappés et l'échantillon s'est rétracté. Cependant, lorsqu'ils ont contraint l'échantillon pour qu'il ne puisse s'étendre que dans une seule direction, celui-ci a gonflé encore plus et s'est rétracté plus lentement, car les gaz ne pouvaient pas s'échapper aussi facilement. Cela a confirmé que la forme physique du matériau et la manière dont il est maintenu jouent un rôle majeur dans sa réaction à la chaleur.

L'équipe s'est ensuite tournée vers les conditions plus extrêmes propres au vol spatial réel, en chauffant des échantillons à des rythmes bien plus rapides, atteignant des températures qui augmentent de près de deux mille degrés Celsius par minute. Lors de ces tests rapides, ils ont observé une différence spectaculaire. Le silicone a gonflé de plus de deux fois sa hauteur d'origine avant de pouvoir se rétracter. Ils ont également testé des échantillons ayant subi un prétraitement pour éliminer l'air et l'eau piégés. Étonnamment, ces échantillons « dégazés » ont gonflé encore plus que les échantillons non traités. Ce résultat contre-intuitif s'explique par le fait que les échantillons non traités possédaient déjà de minuscules voies ouvertes pour l'échappement des gaz, tandis que les échantillons dégazés présentaient moins de voies de sortie, provoquant une montée de la pression interne plus élevée avant que le matériau ne finisse par se fissurer et libérer le gaz.

L'environnement entourant le matériau modifie également le résultat. Lorsque les chercheurs ont chauffé le silicone dans l'air plutôt que dans un gaz inerte comme l'argon, une couche dure et vitreuse s'est formée à la surface de l'échantillon. Cette couche a agi comme une peau, piégeant les gaz à l'intérieur et empêchant le matériau de se rétracter après son gonflement. En conséquence, les échantillons dans l'air sont restés gonflés et rigides, tandis que ceux dans le gaz inerte ont fini par se rétracter. Cette découverte suggère que la réaction chimique avec l'oxygène de l'atmosphère peut modifier considérablement le comportement du scellant lors d'une mission réelle.

Enfin, les chercheurs ont examiné comment le silicone se comporte lorsqu'il n'est pas simplement posé dans un récipient, mais qu'il est réellement lié aux tuiles poreuses qu'il est censé protéger. Ils ont imprégné le silicone liquide dans les minuscules trous d'une tuile de fibre de carbone et d'un matériau poreux similaire avant de le laisser durcir. Lorsqu'ils ont chauffé ces échantillons liés, le gonflement était bien moindre que dans les échantillons libres. La tuile poreuse a agi comme une éponge, absorbant les gaz que le silicone tentait de libérer et offrant un chemin pour leur échappement. Ce « soulagement poreux » a permis de maintenir la pression interne plus basse, évitant le gonflement spectaculaire observé lors des autres tests. Il s'agit d'une découverte cruciale pour la conception des engins spatiaux, car elle suggère que la façon dont le scellant interagit avec les tuiles auxquelles il est lié peut naturellement limiter le gonflement et maintenir la sécurité du bouclier thermique.

En combinant ces images aux rayons X avec des données chimiques, les chercheurs ont dressé un portrait clair de la façon dont ce scellant vital se comporte sous la contrainte de l'entrée atmosphérique. Ils ont découvert que le gonflement est provoqué par des gaz piégés qui accumulent de la pression lorsque le matériau chauffe trop vite pour les laisser s'échapper. L'ampleur de ce gonflement dépend de la rapidité avec laquelle la chaleur est appliquée, de la présence d'un prétraitement pour éliminer l'air et de la liaison avec une surface poreuse capable d'aider à l'évacuation des gaz. Ces connaissances fournissent aux ingénieurs les données nécessaires pour prédire le comportement du scellant lors de futures missions, garantissant que les interstices entre les tuiles du bouclier thermique restent sûrs, même lorsque le vaisseau spatial fait face à la chaleur extrême de l'entrée dans un nouveau monde.