Un essai en vol de fusée-sonde fournit aux ingénieurs des Sandia National Laboratories des données réelles sur les vibrations de rentrée atmosphérique, qu’ils peuvent exploiter pour améliorer la modélisation et guider la conception des composants non nucléaires de la première nouvelle arme nucléaire des États-Unis en développement depuis près de 30 ans.
« L’essai en vol de la fusée-sonde Atrax nous aide à renforcer la crédibilité et la confiance dans nos outils de modélisation et de simulation en préparation de la tête nucléaire W93 », a déclaré Ross Wagnild, ingénieur aérospatial à Sandia. « Acquérir plus tôt cette confiance dans notre boîte à outils nous laisse davantage de temps pour éclairer la conception des composants. »
Ingénieurs et scientifiques développent la W93, la tête nucléaire destinée à la composante navale de la triade, aux côtés d’un véhicule de rentrée qui protège la tête et l’achemine vers sa cible.
Les fusées-sondes sont des véhicules suborbitaux utilisés pour embarquer des expériences et des instruments, permettant aux chercheurs de collecter des données en vol sans l’envergure d’un programme d’essai complet. Avec Atrax, l’objectif était de mesurer les conditions de rentrée atmosphérique, où les forces aérodynamiques et la réponse structurelle peuvent interagir de manière complexe et s’avèrent difficiles à reproduire au sol.
Des environnements éprouvants
« Les vibrations pendant la rentrée constituent un environnement mécanique exigeant pour certains de nos composants », a expliqué Peter Coffin, ingénieur à Sandia spécialisé dans l’analyse de la dynamique des structures. « Cet essai nous aide à comprendre nos modèles afin de mieux prédire ces environnements à mesure que nous avançons vers de nouveaux véhicules. »
L’essai a mesuré cet environnement, fournissant des données substantielles et levant les inconnues et les incertitudes dans des domaines tels que les charges aérodynamiques qui génèrent les vibrations mécaniques internes.
La caractérisation de ces environnements de vol s’est appuyée sur des capacités de modélisation et de simulation développées dans le cadre du programme Advanced Simulation and Computing de la NNSA, ainsi que sur des capacités d’essais au sol expérimentaux et de développement de diagnostics financées par le programme Engineering and Technology Maturation de la NNSA.
« Une série de physiques différentes se succèdent, du lancement d’une fusée depuis le sol vers une cible jusqu’au fonctionnement effectif du système à la cible », a précisé Wagnild. « Nous modélisons ces différentes physiques dans un environnement de rentrée. »
Des décisions de conception
Désormais en possession des données de vol, les scientifiques et ingénieurs n’ont plus besoin de s’appuyer sur des estimations pour alimenter les modèles.
« L’objectif est de nous aider à mieux évaluer la survivabilité des composants non nucléaires de nos systèmes d’armes », a indiqué Wagnild.
Les scientifiques et ingénieurs utiliseront le jeu de données d’Atrax pour éclairer les décisions de conception plus tôt dans le développement, lorsque les modifications sont plus faciles à apporter et moins coûteuses.
« Si vous comprenez plus tôt quels sont vos environnements, vous pouvez concevoir vos composants avec davantage de précision », a souligné Kelsey Forsberg, qui travaille dans le domaine de la dissuasion nucléaire à Sandia. « Vous pouvez concevoir les composants pour l’environnement approprié. »
Préparer le terrain
Forsberg a indiqué que les investissements de la NNSA dans des programmes comme High Operational Tempo Shot et le démonstrateur Enzo avaient contribué à préparer le terrain pour l’essai Atrax.
« Ces programmes permettent des améliorations transformatrices et réduisent les risques pour le programme W93 », a déclaré Forsberg.
Atrax a également contribué à combler les lacunes de données avant le développement de l’architecture du système, ce qui peut réduire le risque global du programme. L’essai en vol d’Atrax a eu lieu environ deux ans avant le premier essai en vol programmé pour la W93.
La priorité aux essais
L’essai Atrax a été mené rapidement, en environ 18 mois après son financement, en partie parce qu’il n’avait pas besoin de refléter le système final destiné à être déployé.
« Le système que nous avons fait voler pour cet essai n’avait pas à ressembler au système que nous comptons déployer », a expliqué Forsberg. « Nous nous sommes concentrés sur les caractéristiques pertinentes du véhicule de rentrée afin de réduire les délais de réalisation de l’essai. »
Un essai de fusée-sonde diffère d’un essai en vol classique de programme car l’objectif est de collecter des données environnementales, sans accorder autant d’importance à la précision ou à l’exactitude du véhicule de rentrée.
Une panoplie de capteurs
Les ingénieurs ont équipé le véhicule de rentrée de capteurs de pointe pour caractériser les charges aérodynamiques externes, ce qui diffère des essais habituels qui ne déploient que des capteurs de vibrations internes.
Selon les ingénieurs, l’instrumentation a fonctionné. Ils disposent désormais d’un jeu de données qu’ils peuvent décortiquer pour évaluer les performances des codes. Par exemple, ils peuvent comparer les modèles thermiques, fluides et structurels pour mieux cerner où des améliorations pourraient s’avérer nécessaires.
L’équipe a également intégré d’autres technologies dans cet essai, notamment un nouveau véhicule de rentrée, une fusée-sonde à trois étages et un nouveau système de séparation. Ces ajouts ont introduit des défis techniques, tant pour garantir un vol réussi que pour capturer des données exploitables.
« Cela a démontré que le système fonctionnait », a affirmé Coffin. « Il nous a fourni de bonnes données sans endommager le véhicule de rentrée. »
L’équipe a attribué sa réussite aux nombreuses personnes réparties dans toute Sandia qui ont travaillé sur l’essai Atrax et l’ont soutenu.
Au-delà de la W93, Wagnild a indiqué que l’essai Atrax fournira à l’ensemble de la communauté hypersonique des données susceptibles d’améliorer la modélisation hypersonique et de renforcer la confiance dans les ensembles de capteurs modernes pour d’autres véhicules hypersoniques.
Sandia est l’agence de conception des composants non nucléaires de la W93 et l’intégrateur principal des systèmes de têtes nucléaires pour les programmes d’armes nucléaires.
