Mécanique des rovers

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La lubrification sèche des mécanismes vénusiens

Introduction

La tenue des mécanismes des futurs Rovers vénusiens suppose une bonne maîtrise de la lubrification des roulements et paliers des différents équipements : moteurs électriques, bras articulés, éléments de suspension.

Les conditions de pression et de température à la surface Vénus sont incompatibles avec les techniques de lubrification humide utilisées sur Terre (lubrification humide = lubrification par huile ou graisse, généralement organique). Elles conduisent même à éliminer certaines techniques de lubrification sèche utilisées dans le spatial, qui ne supporteraient pas 460°C.

Techniques de lubrification sèche

L’un des premiers matériaux de lubrification sous ultravide est le bisulfure de molybdène (MoS2). Il a cependant deux inconvénients : il est détérioré par l’humidité et il est difficile à appliquer.

Les métaux tendres, précieux ou peu oxydables, constituent une autre piste : or, argent ou plomb.

Le cuivre et les bronzes au plomb sont lubrifiants sous vide au-delà de 400°C (au contact d’un métal différent bien sûr).

Le graphite n’est lubrifiant qu’en dessous de 150°C et en présence d’humidité.

Le PTFE (Téflon) est un bon lubrifiant mais limité en dessous de 200°C. Les lubrifiants solides peuvent être mélangés à une matrice poreuse : c’est le cas de la fibre de verre chargée de PTFE (cages de roulements) ou du MoS2 dans une matrice de bronze fritté (même application).

Enfin des combinaisons de fluorures ont été utilisées comme lubrifiants à haute température (fluorure de graphite, fluorures de calcium, lithium, baryum). Le nitrure de bore est aussi un bon lubrifiant jusqu’à 1600°C.

Le talc de synthèse est une voie de recherche intéressante (température d’emploi jusqu’à 980°C).

Choix des matériaux à lubrifier

Il est préférable d’utiliser des matériaux très durs dans le cas des roulements. Il faut en particulier puiser dans la liste des céramiques techniques.

Certains roulements de turbopompes utilisent des billes en nitrure de silicium, il en est de même pour les mécanismes spatiaux.

Pour les petits mécanismes, on peut utiliser aussi des billes en saphir ou en rubis.

On peut aussi plaquer – par dépôt sous vide - des revêtements céramiques sur les arbres de paliers ou bagues de roulements : nitrure ou carbure de titane.

Applications connues de la lubrification sèche

La lubrification sèche est indispensable dans toutes les applications de mécanismes sous vide poussé : chambres à ultravide, mécanismes spatiaux. En effet, le grippage de mécanismes par collage sous vide est un risque majeur sous vide poussé, surtout si le mécanisme est soumis à température élevée (100 à 400 °C) ce qui est le cas des chambres à ultravide étuvées.

Dans l’espace, la lubrification sèche est utilisée dans les mécanismes d’entraînement des panneaux solaires, de pointage d’antennes, d’articulation de bras robots de mécanismes d’optique.

Elle est aussi utilisée dans les mécanismes ou machines tournantes opérant en milieux corrosifs ou en ambiance cryogénique.

Les turbopompes d’Ariane utilisent des roulements baignés dans l’hydrogène ou l’oxygène liquide, deux fluides pouvant les refroidir mais en aucun cas les lubrifier, la lubrification sèche assure leur bon fonctionnement.

La lubrification sèche est aussi indispensable dans le cas des mécanismes cryogéniques à terre, c’est le cas des vannes pour application cryogénique (y compris l’hélium liquide) et des mécanismes fonctionnant en dessous de 220 K.

Sélection de techniques de lubrification sèche pour le sol vénusien

Le PTFE et d’autres films organiques ne supporteront pas la température de 460°C.

Le problème majeur pour les autres matériaux sera la tenue de la lubrification à l’atmosphère de Vénus ; le CO2 à 460°C et plus de 9 MPa peut avoir une action oxydante importante. Il faudra donc faire des essais sur la tenue des métaux lubrifiants dans ces conditions.

Les sels fluorés et les oxydes devraient poser moins de problème.

Synthèse

Les roulements pourront utiliser des billes en nitrure de silicium avec une cage en fibres de verre chargées de fluorure et des bagues revêtues de nickel argent (sous réserve bien sûr d’essais de compatibilité).

Les paliers lisses peu chargés (mécanisme de bras manipulateur) pourraient utiliser des arbres en alliage base nickel avec un revêtement céramique et un palier en métal fritté imprégné de fluorures.