L’expertise de Timken au service de l’exploration de l’espace lointain

L’avenir des vols spatiaux évolue à une vitesse stupéfiante. Une collaboration sans précédent entre les chercheurs publics et privés est à l’origine d’une nouvelle génération de technologies pour les missions d’exploration de la lune, de Mars et au-delà.

Timken tire parti de son expertise et de ses capacités en matière d’aérospatiale pour aider ses clients à développer des solutions là où elles n’existaient pas auparavant, pour des missions qui ne sont plus impossibles. John Renaud, ingénieur d’applications principal, explique.

« Nous surconcevons et surconstruisons nos roulements pour qu’ils résistent aux charges de lancement. Des facteurs tels que la durée de vie des roulements, les contraintes de contact et la rigidité du système pour la suite de la mission sont également pris en compte. »

John Renaud
Ingénieur d’applications principal

Destination Europa

Le plus grand engin spatial jamais construit pour une mission planétaire de la NASA, Europa Clipper a été lancé en octobre 2024 et bénéficie actuellement d’une assistance gravitationnelle de Mars pour s’élancer plus vite et plus loin dans l’espace lointain. Lorsqu’elle atteindra la lune glacée de Jupiter, Europe, en 2030, la sonde recueillera des images et des données que les scientifiques pourront utiliser pour étudier son activité géologique et sa capacité à accueillir la vie.

Timken a collaboré avec le laboratoire de physique appliquée Johns Hopkins (APL) pour développer le système de pointage du système d’imagerie par caméra à angle étroit (NAC) qui capturera des détails zoomés de la surface d’Europe.

La caméra est montée sur un système de cardan à deux axes qui permet un positionnement précis – un élément crucial pour la collecte d’images haute résolution, les mesures révolutionnaires et la cartographie détaillée d’Europe. Au cœur du système de cardan se trouvent les roulements à billes à section fine Timken®, qui permettent aux scientifiques d’incliner la caméra en douceur et avec précision.

Les vols spatiaux sont très spécialisés », explique John Renaud, ingénieur d’applications principal chez Timken, qui possède près de 20 ans d’expérience dans la conception de roulements techniques pour l’espace, l’aviation commerciale et militaire. « Chaque nouvelle mission repousse les limites à l’extrême. »

Europa Clipper ne fait pas exception à la règle. Le vaisseau spatial et son NAC, qui est relativement exposé en raison de sa position sur le véhicule, sont déjà soumis à des températures extrêmement basses et à des niveaux élevés de radiation en vol. Lorsqu’il arrivera près d’Europe et commencera à fonctionner dans l’ombre de Jupiter, les températures du système devraient chuter jusqu’à -140˚C (-400˚F).

Cependant, selon M. Renaud, le plus grand obstacle technique est ce qui se passe sur la rampe de lancement.

« Un vaisseau spatial et sa charge utile doivent d’abord quitter la planète », a-t-il déclaré. « Nous surconcevons et surconstruisons nos roulements pour qu’ils résistent aux charges de lancement. Des facteurs tels que la durée de vie des roulements, les contraintes de contact et la rigidité du système pour la suite de la mission entrent en ligne de compte. »

Des ingénieurs en salle blanche au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud construisent le pont nadir de l’engin spatial Europa Clipper de la NASA. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Une modélisation sophistiquée fait progresser l’innovation des clients

Renaud et son équipe ont aidé les ingénieurs de l’APL tout au long de leur développement, qui a duré des années, en modélisant les roulements par rapport à plusieurs itérations de conception de la caméra.

Au cours du développement, la NASA a modifié le véhicule de lancement d’Europa Clipper en remplaçant le nouveau système de lancement spatial (SLS) par la fusée Falcon Heavy de SpaceX, plus rentable et plus facilement disponible. Cette modification soumettrait le NAC et ses roulements à des conditions de charge de lancement différentes de celles pour lesquelles l’engin spatial a été conçu à l’origine. Ce changement a également prolongé la durée du voyage d’Europa Clipper vers Jupiter, augmentant considérablement l’exposition totale des roulements au froid et aux radiations.

Avant et après le changement, les ingénieurs ont utilisé le concepteur des systèmes de roulement Syber® de Timken® (BSD), une plateforme solide d’ingénierie des roulements, pour modéliser différentes géométries et différents matériaux afin de prédire la durée de vie et les performances des roulements. La modélisation peut s’avérer particulièrement difficile pour les roulements à section mince qui présentent un volume élevé d’éléments roulants.

« Les données nous ont aidés à sélectionner des matériaux atypiques pour ces roulements, mais cruciaux pour l’application », a déclaré M. Renaud. « Nous avons développé un roulement à billes à section fine utilisant un support en acier et avons appliqué un lubrifiant à film sec adapté à la fois à la survie des charges de lancement et à la résistance aux températures extrêmes et aux radiations. »

M. Renaud a ajouté que la collaboration avec les clients était cruciale. L’équipe Timken a fourni aux ingénieurs de l’APL des roulements pour construire et tester le prototype de la caméra, ainsi que des informations sur les conditions de test. Après les essais, APL a fourni à Timken des données critiques sur les charges et les performances afin d’affiner la sélection des matériaux des roulements.

« Tout a survécu au lancement en octobre », a ajouté M. Renaud. « Une fois qu’il s’approchera d’Europe, le succès sera basé sur les hypothèses que nous avons faites et la modélisation que nous avons réalisée ensemble. »

L’installation Timken de Keene (New Hampshire) est spécialisée dans les roulements à billes de très haute précision, dont le diamètre extérieur ne dépasse pas 1/8e de pouce. En raison des tolérances de précision plus strictes, les roulements sont assemblés et inspectés dans des « salles blanches de classe 10 000 », qui sont pratiquement exemptes de contamination.

Un héritage de la R&D aérospatiale, tournée vers l’avenir

Tout au long de son voyage, Europa Clipper bénéficiera de solutions de roulements Timken supplémentaires dans un autre système crucial – ses assemblages de roues de réaction (RWA). Le système RWA stabilise l’orbiteur d’Europa Clipper en vol pour l’aider à maintenir le cap et à assurer le positionnement précis du NAC et d’autres instruments, y compris les antennes nécessaires pour relayer les données aux scientifiques sur Terre.

Il passera également devant une série d’autres merveilles rendues possibles grâce à plus d’un siècle d’innovation aérospatiale Timken, comme le télescope le plus puissant jamais construit et les rovers qui ont exploré Mars pendant près de 30 ans.

Ces innovations ont jeté les bases de la prochaine génération de technologies aérospatiales, qui évolue rapidement avec les nouvelles missions ambitieuses des agences spatiales et la commercialisation d’activités telles que les voyages dans l’espace et les communications par satellite.

« Les principes fondamentaux resteront les mêmes », conclut M. Renaud, « mais nous continuerons à aider nos clients à repousser les limites. »

Les ingénieurs de Timken aident les clients de l’aérospatiale à repousser les limites et à adopter de nouvelles technologies. Découvrez comment nous préparons les vols électriques et améliorons l’efficacité des vols commerciaux traditionnels grâce aux roulements céramiques hybrides.

Published: 2025/06/5