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23.02.2015 - Hypersonique

L’ONERA, acteur distingué du succès de la mission « Intermediate eXperimental Vehicle » de l’ESA

Après le succès de la mission de l’IXV du 11 février 2015, l’ESA a particulièrement distingué l’implication de l’ONERA dans ce programme et a félicité l’ensemble de nos équipes pour leur contribution au projet IXV.

La Secrétaire d’Etat à l’enseignement supérieur et à la recherche, Madame Fioraso, présente à Turin lors du lancement de la mission le 11 février, a salué la réussite du projet et cité la contribution de l’ONERA lors de son discours.

Développé initialement dans le cadre du projet Pre-X du CNES, en coopération étroite avec l’ONERA, de 2000 à 2005, le projet de démonstrateur IXV a été repris par l’ESA en 2006 dans le cadre du programme Future Launcher Preparatory Programme. Objectif : concevoir un véhicule spatial de type corps portant utilisant la rentrée atmosphérique planée, une technologie non maîtrisée par l’Europe au début des années 2000.

Tout au long de la durée de Pre-X et du programme IXV, l’ONERA a mobilisé son expertise de simulation numérique et expérimentale pour contribuer au développement des bases de données aérodynamiques et aérothermodynamiques dans la phase hypersonique du vol.

Une nouvelle méthode de mesure embarquée a été élaborée pendant le projet Pre-X, THEFA. Le procédé de mesure par thermographie infra-rouge sur la face arrière d’une des deux gouvernes de contrôle, autorise la cartographie de l’échauffement pariétal sans mettre en péril la caméra. Cette mesure couplée à une méthode de calcul inverse de conduction thermique, rend possible l’estimation du flux de chaleur sur la face avant de la gouverne directement exposée au plasma de rentrée. Une expérience embarquée reprise avec grand succès par les partenaires suisses du programme : RUAG et l’Ecole Polytechnique de Zurich.


Principe de l’expérience embarquée THEFA par thermographie infra-rouge

L’ONERA a testé dans ses souffleries hypersoniques S3MA et S4MA de Modane des maquettes du véhicule IXV respectivement pour estimer l’augmentation de l’échauffement du système de protection thermique dû à la transition laminaire-turbulent et pour évaluer les efforts aérodynamiques en régime hypersonique. Il a obtenu de très bons résultats, avec des coefficients aérodynamiques mesurés à Mach 10, et des mesures d’échauffement par caméra infra-rouge à Mach 5.5 sur une maquette de l’IXV au 1/15ème. Les effets de décalage potentiel des éléments de protection céramiques pendant la rentrée atmosphérique sur l’intrados ont pu être simulés lors de ces essais.

 

Essai S3 Modane IXV : Image prise par une caméra de thermographie infrarouge avec l'échauffement de la gouverne gauche sens pilote braquée (zone plus claire) Vue en veine de la maquette dans la soufflerie S3MA. Veine Mach 5.5



Résultat de mesuredu flux thermique sur un intrados reproduisant le décalage des éléments céramiques de la maquette IXV avec la gouverne gauche sens pilote braquée.Le sens du vent de la soufflerie est indiqué à gauche. Conditions d'essai Mach 5.5.


Cette maquette a ensuite été testée dans la soufflerie F4 du Fauga-Mauzac, dans un écoulement hypersonique hyperenthalpique, pour des conditions de vol à haute altitude et à haute vitesse qui engendrent des températures de plusieurs milliers de degrés autour du véhicule. Les coefficients aérodynamiques hypersoniques avec effet de haute température ont ainsi été mesurés dans la soufflerie F4 à des vitesses d'écoulement de 4 à 5 km/s.



Vues de la maquette IXV dans la soufflerie F4 du Fauga-Mauzac


 

 

Maquette IXV soumise à une rafale hypersonique (4,5km/s) dans la soufflerie F4


 

 

Ces mesures ont été directement utilisées dans les bases de données aérodynamiques et aérothermodynamiques de Dassault-Aviation pour fiabiliser la prédiction de la trajectoire de rentrée de l’IXV. Elles ont permis la validation des codes de calculs des partenaires suisses, hollandais et italiens.

L’expertise de l’ONERA a également contribué à la caractérisation de nombreux phénomènes que l’on souhaitait étudier pendant la phase hypersonique de ce vol. L’ONERA a assisté Dassault et l’ESA dans le choix et le positionnement de près de trois cents capteurs sur le véhicule, dont les données acquises pendant la rentrée atmosphérique seront analysées pour l’étude de nombreux phénomènes :  effets de gaz réels, écoulements raréfiés, catalycité des matériaux de protection thermique de l’intrados du véhicule, des matériaux ablatifs de l’extrados, échauffement des gouvernes etc. ...

Après le succès du vol du 11 février 2015, l’ONERA, participera à l’exploitation des données « post-flight ». Il analysera à l’aide de sa  méthode innovante THEFA, les données de la caméra infra-rouge pour  caractériser l’échauffement de la face avant des gouvernes. L’ONERA va également, avec d’autres partenaires IXV, contrôler l’accord entre les données acquises au sol (calculs et expériences) avant le vol et les données acquises durant la mission. Ces travaux permettront à l’Europe de mettre en oeuvre les prochaines campagnes expérimentales et numériques pour maîtriser la rentrée atmosphérique en orbite basse. Ce sera le cadre du futur programme européen PRIDE.
 

Résultats essai aérodynamique IXV dans la soufflerie S4MA

Visualisation colorée de l'intrados de la maquette. Conditions d'essai Mach 10 incidence 45°

Vue en veine de la maquette IXV dans la soufflerie S4MA



IXV : lignes de courant en régime hypersonique (calcul)