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DAFE - Aérodynamique fondamentale et expérimentale

Ecoulements de tuyère propulsive hors adaptation

Développement d’un banc expérimental de mesure des charges latérales dans les tuyères de moteurs-fusées (CNES)

Le décollement du jet supersonique dans une tuyère de moteur-fusée au sol, que ce soit en régime stabilisé ou en transitoire, est le phénomène majeur qui engendre des charges latérales aérodynamiques et par voie de conséquence des vibrations dangereuses pour l’intégrité des structures et le confort de la charge utile. En Europe, l’étude des charges latérales aérodynamiques des tuyères s’est intensifiée avec le développement des tuyères métalliques à grand rapport de section équipant les moteurs-fusées Vulcain et Vulcain 2 pour le premier étage cryotechnique d’Ariane 5. Aujourd’hui, la maîtrise des charges latérales durant le transitoire d’amorçage du moteur-fusée Vulcain-2 reste d’actualité comme en attestent les difficultés à comprendre les pics mesurés lors de tirs au sol. L’étude des ces problème a constitué le coeur des recherches expérimentales menées ces dix dernières années au DAFE dans le cadre du projet collaboratif ONERA-CNES ATAC. Pendant la période évaluée, ces activités se sont poursuivie sous la forme d’une étude sur le transitoire d’amorçage du divergent d’une tuyère avec film, typique du Vulcain 2, afin d’établir les influences de paramètres géométriques et aérodynamiques sur le décollement de jet et les niveaux d’efforts latéraux.

Le montage réalisé et étudié dans la soufflerie R2Ch est montré sur la figure ci-dessus (gauche). Le détendeur de R2Ch ne pouvant assurer un temps d’amorçage inférieur à 150ms, il a été décidé de réutiliser une vanne rapide conçue et cédée par l’institut Pprime qui n’en avait plus l’utilité. Le principe de cette vanne est basé sur la rotation rapide d’un boisseau métallique qui met en alignement une lumière avec la ligne d’alimentation de la soufflerie R2Ch. La mise en action du boisseau se fait par détente de ressorts. La vanne rapide a été intégrée comme un nouveau système équipant la soufflerie R2Ch, entre le caisson d’essai et la chambre de tranquillisation. L’adaptation de cette vanne a nécessité une longue mise au point afin d’obtenir les bons points de fonctionnement, à savoir un temps de montée en pression de 1bar à 70bar de l’ordre de 80ms, voir figure ci-dessus (droite). L’évaluation des efforts latéraux a été faite selon deux méthodes : la mesure directe par une balance, l’intégration des mesures ponctuelles des capteurs instationnaires équipant le divergent. Ces deux types d’instrumentation ont fait l’objet d’un développement du bureau d’études de GMT à l’Onera en collaboration avec le département DAFE. Le système de balance repose sur 3 capteurs piézoélectriques donnant chacun les 3 composantes spatiales de l’effort mesuré. Après détermination des fréquences de vibrations du montage, les plages de fréquences où les mesures directes d’effort peuvent être analysées pour extraire une évaluation de l’effort aérodynamique. Il subsiste une incertitude quant à la difficulté de découpler les fréquences de vibrations de la structure et les basses fréquences aérodynamiques en dessous du kHz. Mais ces résultats ont donc été confrontés avec ceux obtenus en intégrant spatialement et temporellement les mesures instationnaires de pression. Une centaine de capteurs instationnaires de pression équipaient la maquette de tuyère à cet effet. L’incertitude de cette seconde méthode est quant à elle liée au maillage grossier découlant de l’intégration des capteurs dans la maquette. La comparaison des deux méthodes a alors permis de consolider l’évaluation des efforts latéraux. Une autre spécification critique pour le succès de cette expérience était de pouvoir commander à moins de 4ms près l’amorçage du film de refroidissement par rapport à l’amorçage du jet principal (un amorçage non parfaitement symétrique du film a des conséquences du premier ordre sur la position du décollement de jet). Un effort particulier a donc été consenti pour optimiser cette phase de l’expérience. Pour ce faire, la chambre était alimentée par 4 circuits alimentés chacun par une électrovanne. Le logiciel automate devait donc commander avec une parfaite simultanéité les 4 électrovannes. L’effet de la dissymétrie d’alimentation gauche / droite a pu être  ainsi étudiés en différenciant les commandes des pressions génératrices. Trois configurations d’amorçages relatifs ont été testées : amorçage du jet principal sans amorçage du film ; amorçage du film en même temps que celui du jet principal ; amorçage du film lorsque le choc du jet principal arrive sur la lèvre d’injection du film.

Concernant les perspectives de ces études, au-delà des analyses plus approfondies à finaliser sur les propriétés de cet écoulement de tuyère (analyses spectrales en régime stabilisé, analyses temporelles des efforts), les perspectives sont de simuler plus rigoureusement les effets au pas de tir. Par ailleurs ces essais vont constituer une référence en matière de mesures de charges latérales aérodynamiques transitoire pour être exploitées à des fins de validation des outils numériques.

Références


Reijasse & Boccaletto, IUTAM book series, 2009, Reijasse et al. JESMS, 2011

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