FAST Aerospace : un test de propulsion atmosphérique sous chaleur extrême
FAST Aerospace est une start-up aérospatiale basée en Italie qui développe des technologies de propulsion de pointe destinées aux futurs systèmes d'accès à l'espace. Sa vision à long terme s'incarne dans HyperDart, un lanceur à deux étages conçu pour permettre à l'Europe d'accéder de manière autonome à l'espace avec de petits satellites.
Afin de faire progresser sa technologie de propulsion par statoréacteur, FAST Aerospace a mis au point une chambre de combustion expérimentale pour statoréacteur à carburant liquide, capable de générer des données de performance essentielles. Ce projet nécessitait des composants complexes, résistants aux hautes températures, capables de fonctionner dans des environnements de combustion extrêmes tout en permettant des essais et une validation rapides.
Luca Colombo, cofondateur et directeur des opérations (COO), qui a supervisé les activités de la chaîne d’approvisionnement pour le programme, ainsi que Mattia Gabriele Bertolini, directeur technique, ont participé à ce projet. Grâce à son partenariat avec Protolabs, l’équipe a eu recours à la fabrication additive métallique et à l’usinage CNC pour produire rapidement et de manière fiable des composants essentiels du moteur.
Poser les fondations des futurs vols spatiaux
Ce programme expérimental a été conçu pour aider FAST Aerospace à mieux comprendre les processus physiques à l’œuvre au sein des statoréacteurs à carburant liquide et à générer des données utiles au développement futur des systèmes de propulsion.
« Le projet consistait à construire une chambre de combustion expérimentale nous permettant de réaliser différents essais, de caractériser divers processus physiques, d’acquérir des données et d’apprendre […] comment construire ce type de moteurs », a expliqué M. Bertolini.
Le programme a abouti à des essais de mise à feu de statoréacteurs couronnés de succès, fournissant des données précieuses sur les performances qui viennent étayer la vision à long terme de FAST Aerospace en matière de systèmes de propulsion hypersoniques avancés.
Fabrication pour des environnements extrêmes
Le support de flamme constituait l’un des composants les plus exigeants sur le plan technique au sein de la chambre de combustion, combinant une exposition à des températures extrêmes et une géométrie interne complexe.
« [Le support de flamme] fonctionne dans un environnement où la température dépasse les 2 000 °C ; il doit donc supporter des charges thermiques très, très élevées », a expliqué M. Bertolini.
La pièce devait également être dotée de canaux de refroidissement à l’eau pour évacuer la chaleur pendant son fonctionnement. Ces circuits internes devaient être conçus en tenant compte des contraintes de la fabrication additive, tout en répondant aux exigences de performance de la chambre de combustion.
« L’équipe de Protolabs nous a été d’une grande aide pour concevoir et réaliser le circuit d’eau de refroidissement à l’intérieur de la pièce afin de permettre son impression 3D », a déclaré M. Bertolini.
Accélérer les itérations de conception
En tant que jeune entreprise du secteur aérospatial, FAST Aerospace avait besoin d’un processus de fabrication capable de suivre le rythme du développement technique rapide. Pour M. Colombo, la rapidité de Protolabs, son processus de devis et la disponibilité des matériaux ont été des éléments déterminants dans cette décision.
« La réactivité du devis rapide, les délais de production, les coûts et la disponibilité des matériaux étaient essentiels », a expliqué M. Colombo, qui dirigeait les activités de la chaîne d’approvisionnement pour le projet chez FAST Aerospace. « Les phases d’itération de conception se mesuraient en jours plutôt qu’en mois par rapport aux fabricants traditionnels », a-t-il ajouté.
La possibilité d'uploader des fichiers CAO, d’évaluer la fabricabilité et d’analyser les implications en termes de coûts a permis à l’équipe d’affiner les conceptions sans avoir à attendre la fin des cycles de devis traditionnels.
« Lorsque nous concevons une pièce, nous pouvons apporter des modifications aux fichiers CAO afin de réduire le coût », a expliqué M. Bertolini. « Nous pouvons effectuer ces itérations sans avoir à attendre la réponse à un devis envoyé par e-mail. »
« Un processus que nous pouvons réaliser avec Protolabs en une journée prendrait peut-être un mois avec une approche plus traditionnelle », a ajouté M. Bertolini.
Un accompagnement technique au-delà de la fabrication
La valeur de ce partenariat s'est étendue au-delà de la production. Alors que FAST Aerospace mettait en place son réseau de fournisseurs et développait ses systèmes de propulsion, la collaboration directe avec les ingénieurs de Protolabs a aidé l'équipe à améliorer la fabricabilité tout en respectant les exigences techniques.
« Vos techniciens nous ont beaucoup aidés », a expliqué M. Colombo. « Ils nous ont aidés à comprendre les défis à relever et à concevoir des composants moins coûteux, mais toujours conformes à nos exigences. »
Ce soutien a permis à FAST Aerospace d’optimiser ses composants pour la production tout en respectant les normes de performance exigeantes requises pour les équipements de propulsion aérospatiale.
Soutien aux essais et à la validation rapides
Les délais de livraison courts se sont révélés particulièrement précieux pendant la phase d’essais expérimentaux, où les calendriers étaient serrés et où le matériel critique devait parvenir rapidement au centre d’essais.
« Nous avons pu concevoir des composants quelques jours avant l’essai, les expédier directement au centre d’essais, les réceptionner et les installer sur le matériel d’essai », a déclaré M. Colombo. « Cela aurait été pratiquement impossible sans ce type de fabrication. »
« Nous aurions également pu remplacer des composants critiques en un jour ou deux si nécessaire, alors que d’autres fabricants auraient pu mettre jusqu’à un mois pour les produire », a-t-il ajouté.
La combinaison d’une production rapide, d’un soutien technique réactif et d’une livraison fiable a permis à FAST Aerospace de maintenir son élan tout au long de la phase de tests et de validation.
Repousser les limites de la conception grâce à la fabrication additive
Pour M. Bertolini, la technologie DMLS n’a pas seulement permis de résoudre un défi de fabrication ; elle a également permis à l’équipe d’ingénieurs de réaliser des conceptions plus complexes, notamment au niveau des canaux de refroidissement internes du porte-flamme.
« Les méthodes de fabrication avancées améliorent [considérablement] la liberté de conception », a expliqué M. Bertolini. « Un ingénieur en propulsion peut réfléchir à la meilleure façon d’évacuer la chaleur d’une pièce et la dessiner sans trop de contraintes. »
L’usinage traditionnel aurait limité la conception des canaux de refroidissement tout en augmentant les coûts et la complexité. En recourant à la fabrication additive, FAST Aerospace a pu créer un composant plus proche de l’optimum en matière de propulsion.
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Principaux résultats
- Fabrication d'un d’un porte-flamme de statoréacteur haute température à l'aide de la technologie DMLS
- Réalisation de canaux de refroidissement internes complexes, impossibles à obtenir avec usinage traditionnel
- Accélération des itérations de conception, ramenées de plusieurs semaines à quelques jours
- Réduction des délais de fabrication des équipements d’essai critiques
- Contribution à la réussite des essais de combustion du statoréacteur
- Progrès dans le développement futur de la propulsion hypersonique
Grâce à son partenariat avec Protolabs, FAST Aerospace a pu développer, fabriquer et tester rapidement des composants de moteurs à statoréacteur de pointe, tout en surmontant les défis liés aux applications aérospatiales soumises à des températures extrêmes. Ce partenariat allie fabrication additive, usinage CNC, assistance technique et délais d'exécution rapides..
