Suivez l’industrie spatiale assez longtemps et vous remarquerez qu’un nombre considérable de pannes catastrophiques de satellites ou de lanceurs peuvent être attribuées à une pièce physiquement petite mais omniprésente : les valves.
Les vannes jouent un rôle essentiel dans l’architecture du vaisseau spatial, régulant le flux de substances sous pression, comme l’hélium, et les propulseurs. On les trouve également sur les lanceurs et, en nombre, ils constituent l’un des sous-composants les plus courants de ces systèmes. Cette réalité est devenue évidente cette semaine, lorsqu’Astrobotic a annoncé que son atterrisseur lunaire Peregrine ne serait pas en mesure de tenter un atterrissage en douceur sur la Lune en raison d’une fuite de propulsion mettant fin à la mission – avec pour origine probable une valve qui n’a pas réussi à se refermer.
Mais Astrobotic est loin d’être la seule entreprise spatiale à voir une mission interrompue par des problèmes de valves lors des tests ou en orbite. Boeing a été confronté à d’importants retards de mission pour le deuxième vol d’essai orbital de sa capsule avec équipage Starliner en raison de problèmes de valve, et en 2019, Crew Dragon de SpaceX a explosé lors d’un essai au sol en raison d’une valve qui fuit dans le système de propulsion.
« Il existe mille façons différentes de rendre une valve malheureuse », a déclaré Jake Teufert, directeur technique de Benchmark Space Systems, une startup basée au Vermont développant des systèmes de propulsion pour les engins spatiaux.
Même mille pourrait être un euphémisme. En général, les vannes sont composées d’un piston qui doit se réinstaller après avoir été actionné et qui doit se fermer de manière étanche. « S’il y a un problème avec cela, il peut se fermer mal, cela peut provoquer des fuites », a déclaré Grant Bonin, concepteur de vaisseau spatial et fondateur de GravityLab.
Mais cette description est trop simple, au point d’induire en erreur. Les vannes aérospatiales doivent être fabriquées avec une très haute précision, être aussi légères que possible et être capables de résister à de nombreux extrêmes : températures extrêmes, fluides extrêmes, environnements de vibrations extrêmes et pressions extrêmes – parfois jusqu’à des milliers de livres par pouce carré. Les vannes doivent également avoir des exigences de fuite ultra-faibles ; Teufert a déclaré que certaines vannes ont des taux de fuite admissibles équivalents à une fuite d’un seul gramme d’hélium sur une période de 200 ans.
Les réalités physiques sous-jacentes auxquelles les ingénieurs et les fabricants de vannes doivent faire face compliquent encore davantage les choses. Par exemple, certains carburants et comburants sont incompatibles avec certains polymères de joints de soupape, et une incompatibilité chimique peut entraîner des problèmes tels que la corrosion ou la fissuration. Les ingénieurs doivent également être vigilants contre les « débris de corps étrangers » ou FOD, la plus petite particule de débris ou d’impureté qui peut obstruer une vanne ou empêcher une bonne étanchéité. Même de petites fuites peuvent provoquer des effets d’emballement, car l’expansion rapide du gaz rend les choses froides, ce qui peut faire sortir la vanne de sa plage de température acceptable.
Les ingénieurs font subir aux engins spatiaux une multitude de tests au sol, mais l’environnement de vol ne peut être adapté que dans une certaine mesure, a expliqué Teufert.
« Vous pouvez certainement jeter quelque chose sur la table du shaker et faire un [vibration] profil, mais vous ne le ferez peut-être pas tant que vous serez également entièrement pressurisé et exposé aux vapeurs comburantes, ce qui se produit en vol », a-t-il déclaré. « La plupart des centres de test, si vous placez un réservoir plein de tétroxyde d’azote sur une table shaker, ne vous diront pas ‘non’, mais ‘bon sang non’. »
En fin de compte, les ingénieurs sont confrontés à une liste incroyablement longue de modes de défaillance et doivent, à un moment donné, déterminer leur confiance dans les tests. De plus, il n’est pas rare que les entreprises consomment toute leur marge de calendrier avec la conception, l’approvisionnement et la construction, laissant le service de test avec la plus grande pression de calendrier.
« Lorsque vous avez du chiffre d’affaires en interne et que vous travaillez avec un grand nombre de fournisseurs différents, il peut être très facile de ne pas tester correctement et de passer à côté de certains de ces problèmes », a déclaré Bonin.
Il pourrait être tentant de se demander pourquoi ne pas ajouter une vanne supplémentaire, de sorte que si l’une d’entre elles ne s’ouvre pas, il y ait une solution de secours ? Mais l’ajout de deux vannes (ou de tout sous-composant supplémentaire) peut créer de tout nouveaux modes de défaillance que vous n’auriez jamais avec une seule vanne.
L’autre problème est la chaîne d’approvisionnement. Malgré les volumes relativement élevés de vaisseaux spatiaux issus du programme Starlink de SpaceX, de Kuiper d’Amazon, de OneWeb et de l’ensemble des startups spatiales émergentes, les sous-composants des vaisseaux spatiaux sont encore très, très loin d’être produits en série.
« Au fond, le problème est que l’espace n’est tout simplement pas un marché de masse », a déclaré Bonin. « Chaque fois que quelqu’un dans l’aérospatiale parle de production de masse, je ris, car nous faisons parfois des choses en volume intermédiaire, mais nous ne faisons rien qui soit véritablement une production de masse. Nous ne sommes donc pas les clients prioritaires de ces entreprises. Teufert a fait écho à ces réflexions en déclarant : « En tant qu’industrie, nous en sommes encore au point d’être du matériel artisanal, fabriqué à la main, s’il s’agit de quelque chose de spécifique à l’aérospatiale, et cela s’étend certainement aux vannes. »
En raison des volumes de produits relativement faibles, la fabrication reste très sur mesure, avec de nombreuses vannes fabriquées en très petite série pour des systèmes de propulsion ou des engins spatiaux spécifiques. Mais la compétence des fournisseurs n’est pas nécessairement stable dans le temps, car le processus est très restreint et repose dans une large mesure sur les connaissances tribales.
« S’il s’agit d’un produit pour lequel ils réalisent une véritable production de masse chaque année, ils disposent d’excellents processus et de connaissances bien réparties sur la façon de rendre cette vanne ou autre composant fiable dans le temps », a déclaré Teufert. « Alors que l’étrange petite valve aérospatiale qu’ils fabriquent 10 fois par an pour ce marché de niche, c’est-à-dire [made by] un gars nommé Bob, qui a la soixantaine et qui a un pied à la retraite. Il les fabrique tous les deux ans, puis Bob part, et toutes ces connaissances tribales disparaissent parce qu’il n’y avait personne pour s’élever sous Bob. J’ai vu cela sur une tonne de composants.
Il ne fait aucun doute que cela n’est pas vrai pour tous les programmes ; par exemple, l’été dernier, le concepteur et fabricant de vannes Marotta a annoncé avoir livré sa 30 000ème électrovanne CoRe à SpaceX. Mais dans d’autres cas, les petites entreprises spatiales doivent composer avec des délais de fabrication plus longs et des volumes plus petits, acheter des produits commerciaux dans le commerce ou essayer de trouver une solution en interne.
Gwynne Shotwell, présidente et directrice de l’exploitation de SpaceX, avec les représentants de Marotta. Crédits images : Marotta
« Je peux acheter la même pièce deux fois, mais si Jim a fabriqué la pièce A et Joe a fabriqué la pièce B, même s’ils portent le même numéro de pièce, leur qualité est radicalement différente », a déclaré Bonin. Ou si votre technicien principal a eu un lundi merdique, il a peut-être sauté une étape. Il y a juste des erreurs humaines partout dans ce genre de choses.