Mesures physiques
Electricité atmosphérique et foudroiement
Foudroiement des aéronefs
Expérimentations
Compte tenu de la complexité du phénomène, il est indispensable de s'appuyer sur l'étude expérimentale de décharges de laboratoire pour en définir les principaux mécanismes physiques.
- Décharges de précurseurs en laboratoire
Dans le cas des précurseurs, des essais ont tenté de reproduire ces décharges en laboratoire. Sur la figure ci-dessous, on peut visualiser le développement d'une décharge positive sur un intervalle de 10 m. La tension appliquée à l'électrode haute tension est d'environ 2 millions de Volts.
Décharges de laboratoire :
instantanés successifs montrant l'amorçage et la propagation d'une décharge positive entre une pointe Haute Tension et un plan (longueur de l'intervalle : 10m)
- Méthodes de certification des matériaux composites
Dans le cadre des essais de certification aéronautique, les méthodes d’essais de foudroiement direct ont été mises au point dans les années 1970. De nos jours, l’emploi massif de structures composites dans le domaine aéronautique pose de nouvelles questions sur la représentativité de ces essais. L’emploi de ces matériaux, marginal lors de la mise au point des méthodes de certification, est à présent devenu inévitable.
Dès lors, il est indispensable de vérifier la pertinence des essais de foudroiement préconisés pour la certification. Depuis deux ans, le département étudie les nouvelles méthodes d’essais de tenue à la foudre et en particulier pour les matériaux composites.
Modélisations numériques
Les modèles numériques développés par le département permettent, outre la modélisation du foudroiement lui-même, de déterminer les conditions critiques de foudroiement d'un appareil donné, les points préférentiels d'amorçage, les variations temporelles du courant et du champ électrique sur la structure.
- Modélisation d'une décharge électrique
La modélisation du développement d'une décharge de précurseur a été effectuée à partir de modèles de type " fluide " fondés sur les bilans de masse, de quantité de mouvement et d'énergie pour les différentes espèces de particules (électrons, ions, neutres). Les équations correspondantes ont été simplifiées selon les mécanismes dominants dans chaque région de la décharge et couplées à un code de calcul 3D du champ électrique, prenant en compte la distorsion du champ Laplacien par la décharge elle-même.
Les codes numériques développés à l'ONERA, qui permettent de simuler le développement des précurseurs, ont été validés sur des expériences laboratoires et par des expériences d'éclairs déclenchés artificiellement.
- Détermination des seuils de foudroiement
La connaissance des seuils de foudroiement d’un aéronef est primordiale pour s’assurer de la viabilité de celui-ci en zone orageuse. Le département a donc développé des modèles numériques présentant les valeurs maximales de champ électrique ambiant admissible sur chaque partie de l’aéronef. Ces modèles s'appuient sur un code 3D de calcul de champ électrique utilisant un maillage sur la surface de l’appareil.
Cette modélisation a notamment été effectuée sur le lanceur Ariane V, ici placé dans un champ électrique vertical. Le champ critique est paramétré en fonction de la pression, c'est à dire de l'altitude le long de la trajectoire du lanceur.
Distribution du champ électrique
à la surface du lanceur Ariane V
- Détermination des zones des points d'impact de la foudre
Depuis cinq ans, un effort tout particulier a été mené, à travers des projets DGA pour aéronefs et lanceurs (MOVEA), pour élaborer les outils numériques qui permettent de déterminer pour tout aéronef les zones préférentielles du fuselage susceptibles d’être impactées par la foudre.
Ils s’appuient sur les modèles physiques décrivant les phénomènes d’attachement et de balayage du canal de la foudre sur un aéronef pour lesquels une nouvelle approche a été mise en œuvre afin de traiter les cas réalistes industriels. La particularité de cette approche « Zonage Probabiliste » est de prendre en compte tous les aspects statistiques de la foudre que ce soit pour l’attachement, le balayage ou les formes du courant « foudre ».
Ce code de calcul a permis de fournir aux constructeurs des bases de données de zonage probabiliste appliqué à leurs aéronefs.
Distribution de probabilité à la surface du Super Puma :
les zones en bleu sont associées au zone à forte probabilité d'impact
tandis que les zones en rouge correspondent à une probabilité de foudroiement quasi nulle.
Interaction arc-structure
Pour compléter l’étude, d’un côté du foudroiement, de l’autre des aéronefs, il s’agit pour le département de mieux comprendre l’interaction d’un arc de foudre sur une structure. Ces travaux s’appuient sur l’adaptation de modules pour le code SATURNE d’EDF et sur la réalisation d’expérimentations qui sont conduites en collaboration avec le CEAT.
Capteurs embarqués
Dans le cadre du projet européen ILDAS, le département développe des capteurs embarqués permettant de caractériser les composantes du courant lors du foudroiement. Ces nouveaux types de capteurs souples sont à faible encombrement (1 cm). En plus des capteurs eux-mêmes, l’Onera apporte à ce projet les principes d’analyse pour remonter à l’agression.
Capteur de champ électrique double dynamique avec système d’étalonnage incorporé d’une taille de 1cm à positionner soit sur les hublots soit directement sur le fuselage.
