L’aérospatial rassemble l’aéronautique et l’astronautique qui sont deux disciplines distinctes.
L'aéronautique comprend les sciences et les techniques ayant pour but de construire et de faire voler un aéronef dans l'atmosphère terrestre.
Un aéronef est un engin qui évolue dans l’atmosphère par sustentation, les principaux aéronefs étant l’avion, l’hélicoptère et le drone.
Un avion vole grâce à l’écoulement de l’air autour des ailes produisant des forces aérodynamiques telles que la portance (perpendiculaire au vent relatif, vers le haut) engendrée par la différence de pression entre le dessus et le dessous de chaque aile; et la traînée (parallèle au vent relatif, vers l’arrière). Le défi technologique réside dans l’obtention du meilleur rapport poids / poussée qui dépend des matériaux utilisés (poids vs. résistance) et du type de propulsion.
L'astronautique est constituée de l'ensemble des sciences et techniques ayant pour objectif d’envoyer dans l'espace (i.e. au-delà de l'atmosphère terrestre) un véhicule habité ou non, à y naviguer et à y exploiter des engins spatiaux.
Comme en aéronautique, les limites concernent le poids et la force externe nécessaire au décollage. Dans les missions spatiales les conditions sont extrêmes : vibrations au décollage, vide spatial, rayonnements émis par le Soleil (des ondes radio jusqu‘aux gammas, des neutrons très énergétiques et des particules chargées – électrons, protons et autres – elles aussi très énergétiques), écarts de températures importants dû à la différence entre l’énergie reçue du soleil et la température du fond diffus cosmologique (~3-4 K), ceintures de radiations terrestres (appelées ceintures de Van Allen pour la Terre) dans lesquelles des particules chargées à haute énergie sont piégées par le champ magnétique de notre planète, rentrée atmosphérique des vaisseaux spatiaux lors de leur retour sur terre (intense frottement entre le vaisseau et l’atmosphère), etc…
DAES accompagne des acteurs majeurs de cette industrie. Des calculs de CFD pour l’écoulement de l’air autour d’un aéronef, jusqu’à l’étude structurelle de pièces en composite en passant par l’application des normes de sécurité, nos experts vous accompagnent dans la conception de vos produits.
Les principaux objectifs et défis de l’aérospatiale sont notamment :
- Abaisser les coûts de mise en orbite
- Développer des moyens de propulsion performants délivrant de fortes poussées
- Améliorer la structure des lanceurs
- Trouver des solutions techniques permettant de réutiliser des parties du lanceur
- Abaisser les coûts de mise en orbite
- Abaisser les coûts des engins spatiaux une fois dans l’espace
- Améliorer le rendement des systèmes de production d’énergie
- Améliorer les systèmes de protection thermique et contre les radiations
- Abaisser les coûts des charges utiles
- miniaturiser les instruments, réduire leurs consommations
La plupart des domaines liés aux applications aérospatiales sont couverts par l’expertise de DAES et ses partenaires, ce qui fait de nous votre partenaire privilégié.
- Systèmes de lancement spatiaux (SLS)
- Véhicules de lancement spatial (LV)
- Systèmes d’arrimage en dur
- Propulsion des fusée
- Propulseurs à ions et à plasma
- Vaisseaux spatiaux, satellites et flotte de nanosatellites
- Dispositifs de collecte des débris spatiaux
Ecoulement de l’air autour des aéronefs
Autour d’un aéronef, un écoulement turbulent intervient. Localement, des zones de transitions entre écoulements laminaires et turbulents peuvent même apparaître.
Les analyses CFD permettent de tenir compte de ces effets et d’en étudier l’impact sur l’aéronef.
Dans certain cas la déformation créée par la pression du fluide doit être prise en compte. Et vice versa, le changement de la forme de la pièce en contact avec l’écoulement d’air aussi. On parle alors d’analyse CFD couplée (ou FSI Fluide-Structure Interaction).
Dimensionnement des instruments d'optique
Les instruments d’optique sur les satellites doivent rester le plus stable possible pour rester précis. Leur conception requiert de nombreuses simulations numériques, aussi bien en utilisant des outils dédiés à l’optique tel que ZEMAX ou pour assurer la tenue mécanique de ces instruments. Il faut en effet la plus grande stabilité possible et une dilatation thermique quasi nulle. Pour ces objectifs il est souvent utilisé des assemblages de composite carbone.
Analyses vibratoires des composants
Les véhicules (spatiaux ou non) sont soumis à de fortes vibrations, notamment lors des phases de décollage. Des analyses vibratoires telles que PSD ou simplifiées (statiques structurelles) permettent d’estimer les contraintes qui en résultent. Ces calculs sont essentiels pour vérifier la tenue de ces équipements aux sollicitations qu’ils vont subir ainsi que pour la vérification de leur durée de vie.
Impact sur le véhicule (bird strike test, impact de débris sur le satellite)
On a tous en tête le résultat de l’impact d’un débris sur le concorde Air France, Paris – New York. Un impact sur l’un des composants externes du véhicules dans des phases critiques, peut avoir des effets dramatiques. Que ce soit l’impact dû à un oiseau ou à un déchet spatial, des analyses explicites (analyses dynamiques) peuvent permettre d’estimer la tenue du composant face à un tel impact et donc de concevoir des parades à ces impacts rares mais inévitables.
Optimisation topologique des pièces
La masse est un sujet crucial dans l’aérospatiale. Les simulations numériques modernes permettent d’optimiser la topologie d’une pièce soumise à des sollicitations définies. Les composants sont ainsi optimisés tout en vérifiant que leur intégrité soit préservée. Évidemment des changements de matériaux sont souvent considérés pour parfaire ces besoins d’optimisation.
Analyse structurelle des composants lors des différentes phases de la mission
Qu’il s’agisse de fusée, d’avion ou d’hélicoptère, les composants de ces équipements sont soumis à des sollicitations hors normes. Les contraintes induites lors des différentes phases (décollage, atterrissage, en vol) peuvent être estimées par des analyses structurelles transitoires ou statiques. La masse de ces composants est constamment optimisée tout en vérifiant que leur intégrité est préservée. Évidemment des changements de matériaux sont souvent considérés pour parfaire ces besoins d’optimisation.
Expert en simulation numérique et bien plus !
Souvent l’ingénieur en simulation numérique est vu comme un expert et peut être très vite isolé. Chez DAES nos experts sont bien plus que des calculateurs : ils sont au cœur de vos projets et des moteurs de l’innovation et de l’amélioration de vos produits.
Voilà quelques expériences passées de collaborateurs de DAES dans le développement d’instruments scientifiques pour la recherche en astronomie et astrophysique.
Euclid NISP
Euclid est une mission spatiale de l’ESA dont l’objectif est de comprendre pourquoi l’expansion de l’univers s’accélère et de déterminer la nature de la source d’énergie responsable de cette accélération. Cette énergie, appelée énergie noire, et la matière noire constituent environ 95% de l’univers. Euclid permettra d’observer l’évolution de l’univers sur les 10 milliards d’années passées pour tenter de répondre aux questions liées à la nature et les propriétés de l’énergie noire, la matière noire et la gravité : ou la matière noire est constituée d’une nouvelle particule inconnue jusque-là, ou la loi fondamentale de la gravité doit être réévaluée.
Euclid sera équipé d’un télescope en carbure de silicium de 1,2 m de diamètre fabriqué alimentant 2 instruments, VIS et NISP réalisés par le consortium Euclid : un imageur visible panoramique (VIS) de haute qualité, et un spectrographe et photomètre infrarouge. Le satellite sera lancé en 2023 et voyagera jusqu’au point de Lagrange L2 pour une mission de 6 ans.
Dans le cadre de leurs activités précédentes au sein du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) du CNRS, les collaborateurs de DAES ont été impliqués sur l’ingénierie système, la conception optique et les tests de l’instrument NISP développé sous la direction du LAM avec le CNES.
- Définition des interfaces et des spécifications techniques pour les partenaires en charge de la fabrication de certains composants de l’instrument
- Validation de la démarche qualité auprès des partenaires industriels en charge de la fabrication de composants optiques (application des normes spatiales et définition des critères d’acceptation)
- Définition des tests de validation et qualification des composants optiques (cyclage thermique et vibrations)
- Supervision et développement des activités d’Assemblage / Intégration / Tests mécaniques
- Conception des « Mechanical Ground System Equipment » pour l’assemblage, et l’intégration de l’instrument NISP
Conception des installations pour les tests de validation et qualification de l’instrument NISP (cyclage thermique et vibrations)
Fireball-2
FIREBall -2 (Faint Intergalactic Medium Redshifted Emission Balloon) est un projet scientifique franco-américain lancé en septembre 2018, dont l’objectif est de détecter des émissions faibles du milieu intergalactique chaud. FIREBall réalise ses mesures à 40 km d’altitude, les instruments sont installés dans une nacelle embarquée sous un ballon stratosphérique. FIREBall est composé d’un télescope d’1 m d’ouverture et d’un spectrographe opérant dans l’ultraviolet (longueur d’ondes de 200 nm) : Le projet FIREBall est piloté par le CALTECH, les vols sont assurés par la NASA, le CNES fournit la nacelle et le LAM le spectrographe.
Dans le cadre de ses activités précédentes au sein du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) du CNRS, la collaboratrice de DAES a été impliquée dans le design, l’alignement et l’évaluation des performances optiques du spectrographe de sa conception à la campagne de vol, ainsi que sur la définition d’un modèle instrumental couplé (Raytracing + Python) permettant de simuler les performances de l’instrument.
PFS SuMIRe
Le projet PFS SuMIRe (Prime Focus Spectrograph Subaru Measurement of Images and Redshifts) est un projet international (USA, Japan, Brésil, France), il a pour objectif de répondre aux questions fondamentales sur la création de l’univers. Les scientifiques ont récemment découvert que seuls 4 % de la composition de l’univers étaient connus, les 96% restants sont constitués de « matière noire », qui n’a jamais été détectée directement, et « d’énergie noire », qui accélère l’expansion de l’univers. Le spectrographe PFS, une fois installé au télescope Subaru de 8,2 mètres à Mauna Kea (Hawaï), permettra de faire des relevés de galaxies, de l’archéologie galactique et d’étudier l’évolution des galaxies. PFS réalisera simultanément la spectroscopie de 2400 cibles grâce au large champ de vision du télescope Subaru et au système spectrographique composé de quatre modules spectrographiques identiques (alimentés chacun par 600 fibres). Chaque spectrographe permet d’effectuer simultanément des mesures dans les longueurs d’ondes bleu, rouge et proche infrarouge. Chacun des quatre modules du spectrographe est assemblé, intégré, testé et validé au LAM avant d’être expédié afin de minimiser les activités d’intégration et de test au sommet du Mauna Kea (4207 mètres d’altitude). Dans le cadre de ses activités précédentes au sein du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) du CNRS, la collaboratrice de DAES a été impliquée sur la conception optique du spectrographe PFS, notamment la réalisation d’une partie des études de calcul optique associées au spectrographe (design, performance optique, tolérancement, lumière parasite).