Phenolic Impregnated Carbon Ablator
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Le matériau Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) est un matériau de bouclier thermique initialement destiné à la sonde spatiale Stardust. Il a été conçu et réalisé par la NASA au Ames Research Center dans les années 1990.
Il a également été utilisé pour la réalisation des écrans thermiques de Mars Science Laboratory, OSIRIS-REx et Boeing CST-100 Starliner et est prévu pour les projets Dragonfly et Mars Sample Return.
La licence a été vendue à SpaceX pour la réalisation du bouclier thermique de Dragon et à Varda Space Industries pour ses capsules Winnebago[1],[2].
En Europe divers matériaux analogues ont été développés comme l'Asterm d'ArianeGroup[3] ou le HEFDiG Ablation-Research Laboratory Experiment Material (HARLEM) du DLR[4], sans avoir abouti à la réalisation d'un bouclier thermique opérationnel.
Composition, mise en œuvre
Le matériau est constitué[5] de fibres carbone et de résine phénolique. Les fibres sont issues de la pyrolyse de fibres de rayonne à 2000 K environ : elles évoluent donc au plan cristallin lors de leur utilisation qui entraîne des températures supérieures[6]. Elles sont de longueur millimétrique et leur diamètre est irrégulier, de l'ordre de 15 μm. Elles sont fortement poreuses à l'échelle nanométrique (donc sensibles à l'humidité) et de faible conductivité thermique. Elles sont liées entre elle par de la résine phénolique.
Pour la fabrication la préforme en fibre de carbone (feutre) est infiltrée par une solution de résine phénolique qui est gélifiée puis durcie.
Le bouclier thermique peut alors être fabriqué par usinage d'un bloc de PICA ou assemblé à partir de plusieurs pièces pour les réalisations de garde taille comme Mars Science Laboratory. Une évolution du procédé a consisté à fabriquer la pièce en forme (conformal PICA ou C-PICA).
Propriétés
Suivant la fabrication la masse volumique peut varier assez largement. Le matériau utilisé pour l'écran thermique de Stardust a une masse volumique de 250 kg/m3 et une porosité ouverte de l'ordre de 80%. Après pyrolyse, sa masse volumique est de 240 kg/m3 pour une porosité supérieure à 90%.
Du fait de la très forte porosité le transfert radiatif joue un rôle important dans ce matériau dès 1000 K, conduisant à une conductivité thermique apparente en T3. Elle est très faible, de l'ordre de 1.4 W/m/K à 2000 K dont 40% pour la conduction vraie.
L'émissivité mesurée est de l'ordre de 0.9 pour le matériau vierge ou pyrolysé.
D'une façon générale ce matériau a été largement caractérisé[5] et sa simplicité permet de le simuler numériquement à l'échelle du matériau comme à l'échelle mésoscopique, les modèles de pyrolyse et d'ablation des matériaux carbone-résine phénolique étant fiables car développés depuis les années 60[7]. Ceci met à l'abri des déconvenues qui ont accablé le matériau concurrent Avcoat.
