Mesures physiques

Diagnostics optiques
Application à l'hypersonique

L’utilisation de diagnostics optiques est très indiquée dans le cas de conditions extrêmes de vitesse qui conduisent à considérer des écoulements hypersoniques.

C’est en particulier le cas pour des engins de rentrée atmosphérique. En effet parmi les éléments critiques de ces véhicules figurent les gouvernes et la protection thermique qui sont fortement sollicités lors d’une rentrée dans une atmosphère. Leur dimensionnement dépend donc largement des phénomènes aérothermodynamiques spécifiques aux écoulements hypersoniques tels que les effets de gaz réel, les interactions onde de choc/couche limite, la transition laminaire-turbulent pour de très grands nombres de Mach et la catalycité à la paroi.

La méconnaissance actuelle de ces phénomènes est à l’origine d’importantes incertitudes sur l’efficacité des gouvernes et sur la localisation des flux de chaleur les plus intenses, qui obligent les concepteurs à prendre des marges de sécurité très pénalisantes pour la charge utile. Pour réduire ces marges, il est nécessaire d’acquérir une meilleure connaissance des phénomènes identifiés, par des simulations numériques et des essais en soufflerie, d’une part, et par l’exploitation de mesures en vol, d’autre part.

Le département se consacre donc principalement à la conception d’instruments de mesure optique de vitesse, de température ou de concentrations dédiés à des engins de rentrée ou des démonstrateurs hypersoniques en vue d'un lanceur réutilisable ou pour des explorations planétaires de notre système solaire.

Essais en soufflerie

Dans le domaine de l’instrumentation en laboratoire, le DMPH développe et applique depuis des années des techniques optiques pour des études de base en souffleries, notamment la DLAS, la FFE, la DRASC, la MDQO et la CRDS, dans le but d’améliorer la connaissance des effets de cinétique chimique (ou de "gaz réels").

Outre les amélioration pour les mesures de vitesse et température dans les écoulements hyperenthalpiques, le département se concentre actuellement sur les mesures simultanées par DLAS de concentration de CO et CO₂ pour aider à la compréhension des écoulements représentatifs d’une rentrée Martienne.

Mesures embarquées

Dans le domaine de l’instrumentation embarquée, des actions de développement sont menées en vue d’effectuer des mesures en vol à partir de certaines techniques. Un prototype de laboratoire de type FFE a été développé pour une version embarquée à bord d’un véhicule de rentrée atmosphérique pour la caractérisation des ondes de choc : les bilans de masse, puissance et volume ont complété les exigences d’interfaces spécifiques

Fluorescence du  faisceau d’électron : Schéma de l’instrument vol

La technique du LIDAR Rayleigh pour la mesure de basses densités (1 mbar correspondant à 60 km d’altitude) a été démontrée en laboratoire. Cette technique pourra être embarquée à bord d’un véhicule de rentrée pour mesurer la densité atmosphérique en amont de l’onde de choc.

Prototype de Lidar Rayleigh pour mesurer la densité atmosphérique à haute altitude.

Un autre axe de développement concerne la miniaturisation et la portabilité d’instruments de type DLAS via la recherche de nouvelles sources optiques (diode laser DFB entre 2 et 3µm, OPO) non cryogéniques et plus puissantes comparées aux diodes lasers à sel de plomb utilisées actuellement.