Mesures physiques
Électricité atmosphérique et foudroiement
Généralités
Afin de bien comprendre les enjeux de la recherche sur le foudroiement, il est bon de connaître le contexte dans lequel il s’inscrit, ainsi qu’une description globale du phénomène.
Contexte
Déclenchement artificiel d'un éclair à l'aide d'une petite fusée
qui déroule derrière elle un fil métallique relié au sol
A chaque seconde, de 50 à 100 décharges orageuses se développent dans l'atmosphère terrestre. La majeure partie de cette activité électrique prend la forme d'éclairs "intra-nuages" qui se propagent à l'intérieur du cumulo-nimbus, généralement entre 5 et 10 km d'altitude et signifient ainsi un risque potentiel pour les avions civils et militaires ou les lanceurs spatiaux. Ce risque est loin d'être marginal puisqu'un avion de ligne est foudroyé en moyenne toutes les 1500 heures de vol.
Les appareils doivent donc satisfaire à des normes de protection sévères, d'autant que le développement des structures en matériaux composites et des systèmes à commande numérique accroît en principe leur vulnérabilité. Dans ce contexte, les recherches menées à l'Onera ont pour double objectif l'optimisation des méthodes de protection et l'amélioration de la représentativité des tests de qualification en laboratoire.
Description du phénomène
Au cours des années 80, la mise en oeuvre de campagnes d'essais en vol à bord d'avions instrumentés a constitué une étape décisive permettant d'approcher la phénoménologie globale du foudroiement. En particulier, il a été démontré que l'appareil déclenchait lui-même l'éclair en traversant des régions nuageuses où régne un champ électrique ambiant Eo élevé.
- Dans plus de 90% des cas, l'appareil déclenche lui-même l'éclair en développant, depuis les points d'amplification maximale du champ électrique ambiant, deux canaux ionisés progressant dans l'air vierge. L'une de ces décharges se propage dans le sens du champ ambiant (décharge "positive"), l'autre en direction inverse (décharge "négative") ; l'ensemble constitue la phase initiale dite de "précurseur" ou "leader". Les canaux se développent sur plusieurs km à une vitesse comprise entre 10 et quelques centaines de km/seconde. Le courant, d'abord constitué de séries d'impulsions, évolue généralement vers un niveau continu de plusieurs centaines d'Ampères.
- Dans ces canaux, circulent ensuite, à intervalles réguliers, de fortes impulsions de courant de quelques dizaines de kiloAmpères. Ces phénomènes de brutale réactivation du canal sont appelés "décharges de jonction" ou "recoil streamers".
Etapes successives du développement de l'éclair à partir d'un avion en vol et forme générale du courant mesuré en divers points de l'appareil
Morphologie d'un précurseur
Une bonne connaissance de la morphologie des décharges de la phase "précurseur" a été indispensable pour le département afin d’élaborer des modèles numériques sur le foudroiement.
La morphologie de la décharge peut être décrite comme suit :
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- La région "corona" constitue la tête active de la décharge constituée de filaments multiples. A l'extrémité avançante du corona, le champ électrique local permet les processus d'ionisation et de multiplication électronique fournissant le courant moteur nécéssaire à la propagation.
- Le canal de la décharge proprement dit résulte d'une instabilité thermique permettant la création d'un filament chaud et conducteur.
- La progression de la décharge résulte du couplage entre ces deux régions : le courant injecté par le corona permet de former de nouvelles portions de canal conducteur tandis que l'extension de celui-ci dans le champ ambiant maintient un champ électrique élevé au niveau de la tête active. De ces mécanismes fortement non-linéaires résultent des conditions de stabilité ou d'instabilité de propagation.
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