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Commande des systèmes et dynamique du vol

Le laboratoire d'analyse du vol B20
Aérodynamique instationnaire

Ce type d'installation permet d'obtenir des données pour la connaissance et la compréhension des caractéristiques aérodynamiques instationnaires rencontrées au cours de phénomènes dynamiques en vol.La technique expérimentale offre la capacité de pouvoir représenter de façon réaliste ces phénomènes dynamiques en vol.

L'étude et la modélisation des phénomènes liés au vol en environnement perturbé est un thème central pour le développement et l'exploitation de ce laboratoire. 

  • Un exemple tout à fait significatif est le vol en turbulence et en particulier la phase de pénétration de l'aéronef dans une rafale de vent. 

    Obtenir une bonne similitude physique de l'écoulement relatif sur l'aéronef est très difficile à réaliser en soufflerie. Représenter correctement ce type de phase de vol en soufflerie nécessiterait en effet de générer un front de vent raide dans un écoulement moyen de plus grande vitesse, ce qui est très difficile par nature. 

    La technique d'essais en vol de maquette traversant une rafale de vent est par contre directement représentative du phénomène réel. Dans l'installation, des fronts de rafales raides d'ampleurs et de formes diverses peuvent être réalisés. Exploitant la possibilité de paramétrer le profil et l'intensité de la rafale de vent générée dans l'espace de vol, la technique se prête avantageusement à la modélisation du phénomène réel et à la représentation de la nature spatio-temporelle de l'effet du vent turbulent sur l'aéronef. 

    La méthode fournit des données constituées à chaque instant de l'ensemble des paramètres de vol (vitesses linéaires, vitesses angulaires, gouvernes ...) et des conditions de l'environnement (champ du vent turbulent dans l'espace). Ces deux ensembles de données temporelles acquises à haute cadence peuvent alors être mis en correspondance pour identifier ou évaluer un modèle d'aérodynamique instationnaire pour la mécanique du vol. L'installation de capteurs de pression instationnaires sur la maquette permet aussi d'identifier les réponses temporelles de l'écoulement sur la maquette à des perturbations aérodynamiques calibrées et bien reconnues. La mise en relation de l'ensemble de ces données permet ainsi d'enrichir également  la connaissance et la modélisation des écoulements instationnaires sur les véhicules aériens dans le domaine des basses vitesses.

  • Un autre exemple est l'étude des sillages lointains, sujet d'actualité dans le contexte du développement de l'avion de transport de grande capacité. 

    La méthode expérimentale présente la particularité de permettre l'observation et l'analyse des sillages émis dans le référentiel terrestre contrairement aux expérimentations en soufflerie.

    L'accès au champ lointain est alors possible, ce qui est un atout très important pour ce type d'installation par comparaison avec la soufflerie où les observations sont limitées à quelques envergures derrière la maquette. 

    Dans l'ancien laboratoire dénommé B10, cette analyse a pu être conduite jusqu'à une distance maximale d'environ 60 envergures en aval de la maquette. 

    Dans le laboratoire B20, compte tenu de ses plus grandes dimensions, en longueur mais aussi en hauteur, et compte tenu également de la vitesse de descente du sillage, cette observation peut potentiellement être effectuée sur une distance d'environ 200 envergures avant que l'effet de la présence du sol influe sur la dynamique du sillage descendant.

    A titre d'exemple compte tenu de l'échelle de la maquette, cette distance représente environ 8.5 milles nautiques derrière un A3XX, ce qui couvre largement les distances de séparation aujourd'hui en vigueur entre les avions qui se présentent à l'atterrissage.

    L'utilisation de ce laboratoire, qui permet d'acquérir dans les meilleures conditions d'exploitation des données aérodynamiques non accessibles en soufflerie, nécessite pour ce type d'étude la mise en œuvre d'équipements de mesure spécifiques. 

    La tomoscopie laser est l'un de ces équipements qui permet d'obtenir des images de l'écoulement et d'identifier en fonction du temps les tailles et positions des tourbillons émis.

    Connaissant alors les trajectoires de ces tourbillons, des mesures précises et quantitatives des champs de vitesses de l'écoulement ensemencé peuvent être réalisées au moyen de la technique PIV (Particle Image Velocimetry). Les données ainsi obtenues sont d'importance majeure pour étudier et comprendre les mécanismes qui régissent le développement et l'évolution des sillages. L'installation prévue dans le laboratoire d'un équipement en PIV permettant de mesurer les vitesses sur des grands champs est donc primordiale pour ce thème de recherches. 

    La technique LIDAR, qui a été adaptée aux caractéristiques des essais en vol de maquettes par le département DOTA de l'ONERA, permet de mesurer les vitesses dans les tourbillons en utilisant les mêmes outils que lors d'essais en vol en vraie grandeur. Un lien direct peut ainsi être établi entre les observations réalisées dans le laboratoire et les résultats d'essais en vol de l'avion.

    D'autres techniques d'analyse des écoulements instationnaires sont également envisagées même si des travaux de développement sont encore nécessaires pour une éventuelle utilisation dans ce laboratoire. On citera en particulier la DGV (Doppler Global Velocimetry) qui a déjà fait l'objet ces dernières années de premiers travaux dans le laboratoire B10. 

    Enfin, on soulignera que, comme pour les essais en soufflerie, le respect des conditions de la similitude de Froude n'est pas exigé pour ce type d'expérimentation. 

    La principale limitation relative à l'exploitation des données recueillies en vol sur une maquette à échelle réduite peut provenir des conditions de la similitude de Reynolds liées au décollement sur la voilure, en particulier. La réalisation d'expériences à un nombre de Reynolds sensiblement plus faible qu'au réel exige préalablement de vérifier, en soufflerie ou par calcul, le respect de la similitude aérodynamique pour les conditions d'essais du laboratoire de vol. Pour les vols aux fortes valeurs de Cz, en particulier, il est nécessaire de s'assurer de la similitude des décollements sur les surfaces portantes.

    Par ailleurs, si des couplages forts existent entre l'aérodynamique et le mouvement de l'aéronef, l'élaboration d'un modèle représentatif de ces couplages nécessitera de réaliser des essais où les conditions de la similitude de Froude sont respectées ; ce point est développé dans la page "Phénomènes Couplés".

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Mis à jour le 19 janvier 2006 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation