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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.