Étude paramétrique thermique et structurelle d'une structure en panneau sandwich thermoplastique d'un rover lunaire

La mission Artemis I qui vise à démontrer la faisabilité de l’exploration humaine dans l’espace lointain, en commençant par la Lune. Les rovers lunaires sont un outil essentiel pour l’exploration de la surface de la Lune, mais ils doivent résister à plusieurs contraintes environnementales, notamment les contraintes développées lors du lancement de fusée et les températures lunaires nocturnes qui chutent jusqu’à -180°C. À cause de leur grande conductivité thermique, les rovers électriques ayant une structure d’aluminium ne sont pas mesure de protéger leurs batteries de ces faibles températures sans utiliser un générateur thermoélectrique à radioisotope, ce qui représente un grand risque pour la sécurité des humains. De leur côté, les structures en composites thermoplastiques de hautes performances sont considérées pour leur faible conductivité thermique et leurs excellentes propriétés mécaniques par rapport à leur masse. Ces matériaux peuvent être utilisés avec des méthodes de fabrication additive, ce qui offre une grande flexibilité de conception et permet d’avoir une structure adaptée à leur mission. Pour ce projet, on cherche à étudier les paramètres géométriques du panneau sandwich en nid d’abeille formant la base de la structure du rover lunaire du projet PEEKbot. Plus précisément, on cherche à formuler des recommandations de conception pour réduire sa masse tout en assurant qu’il remplisse ses fonctions d’isolation thermique et de résistance au lancement de fusée. Pour ce faire, une étude paramétrique des paramètres géométriques du panneau sandwich est menée avec la méthode des éléments finis. Cette étude considère l’impact de l’épaisseur des peaux, des parois du coeur et du panneau ainsi que la forme des cellules du coeur et la longueur de leurs parois. Dans un premier cas, la résistance thermique hors plan du panneau sandwich couplé avec du MLI est étudiée en tenant compte de la conduction et des radiations internes. On en déduit que des cellules de forme hexagonale et aux parois minces dans le coeur permettent d’augmenter la résistance thermique puisqu’elles bloquent efficacement les radiations tout en limitant la conduction entre les deux peaux. Aussi, un panneau de grande épaisseur et aux peaux minces permettent aussi d’améliorer sa résistance et de réduire la masse du panneau. On a trouvé qu’une densité relative du coeur, qui est une fonction de la longueur et l’épaisseur des parois du coeur, comprise entre 4% et 8% permet d’obtenir de plus grandes résistances thermiques hors plan pour un panneau sandwich fait en composite thermoplastique. L’importance de la structure au niveau de l’isolation thermique du rover réside dans sa capacité à limiter la propagation de la chaleur des ponts de chaleur, soit la propagation le long de la structure. Dans un deuxième cas, la résistance aux vibrations aléatoires du panneau sandwich est évaluée avec le critère de Tsai-Hill. Les vibrations aléatoires sont transmises par l’anneau de renforcement en PEEK qui est attaché au lanceur et une masse non structurale de 30 kg est répartie uniformément sur la peau supérieure. On a trouvé que le mode fondamental est généralement celui qui est le plus critique et que le cisaillement hors plan dans les parois du coeur est prédominant pour les panneaux qui ne respectent pas le critère de Tsai-Hill. En général, la résistance aux vibrations aléatoires diminue avec la densité relative du coeur. Cette dernière devrait être comprise entre 5% et 11%, mais peut être plus élevée dans les cas où le panneau ne respecte pas le critère de Tsai-Hill. Lors de la conception du panneau sandwich, on recommande de réduire l’épaisseur des parois du coeur en premier afin de réduire la masse d’un panneau qui respecte le critère de Tsai-Hill. Ensuite, si le panneau résiste encore, on recommande de réduire l’épaisseur des peaux et finalement de réduire l’épaisseur du panneau. Inversement, si le panneau n’est pas assez résistant, il faut épaissir le panneau, puis les peaux et finalement les parois du coeur dans cet ordre de priorité jusqu’à ce qu’il résiste. Ce mémoire permettra non seulement de guider la conception de la structure du rover lunaire du projet PEEKbot, mais aussi pour tout panneau sandwich ayant une fonction thermique ou structurelle. Les résultats de l’analyse permettront d’améliorer l’efficacité des processus d’optimisation sans-dérivée multiobjectif de la structure. De plus, on montre l’utilité de la fabrication additive pour des applications du domaine spatial, où la flexibilité de conception permettra de produire une structure adaptée à la mission et une faible masse. Le programme Python utilisé pour réaliser l’étude paramétrique servira à cette optimisation et à poursuivre l’analyse avec des géométries plus complexes. Pour ce faire, une amélioration du maillage est nécessaire, ce qui permettra de considérer la moyenne quadratique des contraintes. Aussi, les recommandations devront être validées expérimentalement.

Abstract

Artemis I first objective is to land humans on the Moon and to show that human deep space exploration is feasible. Lunar rovers will play a crucial role in the exploration of the lunar surface, but to do so, will have to go through a difficult environment, which includes intense vibrations from the rocket launch and lunar night temperatures dropping down to -180°C. Traditional lunar rovers use an aluminium frame which is too thermally conductive to prevent damage from the cold temperatures. A solution considered is to use a frame made out of high performance thermoplastic composite which offers low thermal conductivity and great mechanical properties for a low mass. Theses materials can be used with additive manufacturing methods to design a customed structure for a specific mission. In this project, a comprehensive study of the impact of the geometry of the sandwich panel forming the base of the PEEKbot’s project lunar rover frame will be conducted to form design recommendations to reduce its mass while fulfulling its thermal and structural functions. In order to do so, a parametric study will use the finite element method to analyse the geometric parameters of the sandwich panel, which include skin, core’s wall, and panel thickness, as well as the shape and size of the core’s cells. First of all, the out-of-plane thermal resistance of the sandwich panel coupled with MLI is studied while considering the conduction and internal radiation. It was found that hexagonal cells and thin walls were prefered since they shield radiation while limiting the conduction between the skins. A thick panel with thin skins would allow to reduce the mass of the panel and improve the thermal resistance. The relative density of the core should be between 4% and 8% to reach higher thermal resistance. It was found that the role of the structure in the thermal isolation is to reduce heat propagation from heat bridge in the plan of the structure. Second of all, its resistance to random vibrations is measured using the Tsai-Hill criteria. The sandwich panel supports a 30 kg non-structural mass and is attached to the launcher via a PEEK reinforcement ring. The fundamental mode was found to be critical and that out-of-plane shear stress in the core’s walls is the most important stress in panels that don’t respect the Tsai-Hill criteria. The resistance to random vibration goes down with the relative density. The ideal relative density should be comprised between 5% and 11%. When designing the sandwich panel, the first way to reduce mass of a resistant sandwich panel should be to slimmed down the core’s wall. Then, if it is still resistant enough, the skin should be slim down, then the thickness of the panel should be reduced. For a panel that isn’t strong enough, the opposite path should be taken : thicken the panel, then the skins, then the core’s wall until it is resistant enough while keeping the relative density between 5% and 11%. This master’s thesis will not only guide the design of the PEEKbot’s lunar rover’s structure, but also any sandwich panel which has a thermal or structural function, or both. The results of the analysis will help improve the efficiency of the multi-objective blackbox optimisation for the structure. The additive manufacturing for space applications allows to reduce mass and customize the structure for a specific mission at low cost and high complexity. The Python program used to conduct the parametric analysis can be used to realise the optimisation process and further the search of complex sandwich geometry. To do this, the meshing quality of the structure should be improved, which will allow to study RMS stresses. Also, the results should be validated experimentally.