Énergétique fondamentale et appliquée

L'hypersonique en cellule 5 ATD

La cellule 5 ATD du site de Palaiseau équipée du moteur Japhar
En grand : 70 Ko

La cellule 5 ATD de Palaiseau, moyen d’essais unique en Europe, a été créée dans le cadre du programme PREPHA (Programme de Recherche sur la Propulsion Hypersonique Avancée), en 1993, afin d’essayer au sol des moteurs de type superstatoréacteurs. Ce programme, initié par les ministères de la défense et de la recherche, s’inscrivait dans le contexte international d’un regain d’intérêt marqué, de la part des Etats Unis et du Japon, sur le lanceur du futur utilisant la combustion aérobie.

Suite à ces travaux, en 1998, le programme JAPHAR (Joint Airbreathing Propulsion for Hypersonic Application Research), initié par l’ONERA et la DLR, a permis de poursuivre l’effort dans ce domaine et d’essayer une nouvelle configuration de stato-mixte, en tirant bénéfice des acquis du PREPHA.

En 2001 a été lancé le programme PROMETHEE, réalisé en coopération avec MBDA, sous l’égide de la DGA. Le but est de faire un essai en vol d’un démonstrateur équipé d’un stato-mixte. Dans le cadre de ce projet, un nouveau moteur est en cours de développement. En lieu et place de l’hydrogène gazeux utilisé jusqu’à ce jour, ce moteur brûlera un mélange hydrogène/méthane qui permet de réduire le volume des réservoirs embarqués sur le véhicule, par rapport à de l’hydrogène pur.

Moyen d’essais

La cellule ATD5 de l’Onera Palaiseau, près de Paris, est dédiée à l’étude des phénomènes physiques et chimiques liés à la combustion supersonique, à l’évaluation des performances de superstatoréacteur et à l’étude de systèmes d’injection dans des flux supersoniques.

Les conditions d’essais maximales correspondent à une simulation de vol entre 35 et 40 km d’altitude à un Mach de 7.5 ce qui conduit à une pression d’arrêt de 40 bar et une température d’arrêt de 2400 K, en entrée de chambre de combustion.

Les principales caractéristiques du banc sont :

• Section d’entrée chambre : 1 dm²
• Débit 4 kg/s
• Pression 40 bar
• Température d’arrêt 2400 K
• Débit d’hydrogène 0.3 kg/s

Instrumentation

386 mesures réparties en 90 températures, 4 débits liquides et 292 pressions sont acquises simultanément. La cadence d’acquisition est de 10 Hz ou de 100 Hz selon les voies de mesures et les besoins. Des capteurs instationnaires de pression peuvent également être enregistrés grâce à une baie de mesures mobile.

Outre ces mesures classiques, cette cellule est dotée d’un calorimètre qui permet de déterminer expérimentalement le rendement de combustion des stato-mixtes. Cette méthode a été étalonnée en 2001 sur un statoréacteur classique dont on déterminait par une autre méthode le rendement de combustion.

Enfin, des techniques de diagnostics optiques peuvent être mises en œuvre (tomographie laser, ombroscopie, émission spontanée de OH, vélocimétrie laser, pyrométrie etc.).

Etudes réalisées

De très nombreuses études sur le thème du superstatoréacteur ont été menées dans cette cellule d’essais depuis 1993. On peut citer en particulier :

• essais de structures composites pour les programmes PROMETHEE et A3CP
• essais de superstatoréacteur avec un mélange CH4/H2 pour le programme PROMETHEE/LEA
• essais du stato-mixte JAPHAR dans des conditions de vol Mach 4.9, 5.8 et 7.6
• essais d’une chambre mono-mât PREPHA
• étude de matériaux composites refroidis par hydrogène
• étude de dispositifs d’injection et de stabilisation de flamme en combustion supersonique
• étude d’injecteurs élémentaires de paroi
• étude de la pénétration d’un jet de kérosène liquide dans un écoulement supersonique...

Japhar - essai à Mach 4.9

Exemple de profils de pression expérimentaux

Calculs réactifs associés (code MSD) - champ de pression

Calculs réactifs associés (code MSD) - zones soniques (bleu)

Perspectives

Les études futures seront réalisées dans le cadre du volet LEA du programme PROMETHEE. Le but est de mettre au point le moteur qui équipera le démonstrateur en vol qui devrait voler d’ici 5 ans. La cellule ATD5 sera le moyen d’essai privilégié pour développer ce nouveau moteur à géométrie variable.

Quelques publications

1. O. Dessornes, ONERA, Palaiseau, M. Bouchez, MBDA, Bourges : "Combustion experiments of liquid kerosene and hydrogen/methane mixing in a dual mode ramjet", 13th AIAA/CIRA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, AIAA-2005-3400, Mai 2005.

2. C. Bouquet and R. Fischer, Snecma Propulsion Solide, Le Haillan, France; A. Luc-Bouhali and O. Dessornes, ONERA, Palaiseau, France; J. Thebault and P. Soyris, Snecma Propulsion Solide, Le Haillan, France : "Fully Ceramic Composite Heat Exchanger Qualification for Advanced Combustion Chambers", 13th AIAA/CIRA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, AIAA 2005-3433, mai 2005

3. O. Dessornes, D. Scherrer, ONERA, France : "Weighing of the JAPHAR dual mode ramjet engine", 11th AIAA/AAAF International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, AIAA-2002-5187, septembre/octobre 2002

4. O.Dessornes, D. Scherrer, P. Novelli, ONERA, France : "Testing and weighing of the JAPHAR dual mode ramjet engine", 15th International Symposium on air breathing engines, ISABE-2001-1135

5. O. Dessornes, D. Scherrer, P. Novelli, "tests of the japhar dual mode ramjet engine", 10th AIAA/NAL-NASDAS-ISAS International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, AIAA-200-1886, avril 2001

Mis à jour le 12 mai 2006 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation