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La foudre aussi se calcule

La plupart des aéronefs sont conçus pour voler quelques soient les conditions atmosphériques. Dans ce contexte, le risque de foudroiement en vol est de plusieurs fois par an. Il est ainsi indispensable de prendre en compte ce risque dès la conception de l’appareil. Ce calcul montre les premières millisecondes d'un arc foudre en interaction avec un matériau aéronautique


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Calcul réalisé par le département Mesures Physiques (DMPH) de l'Onera, montrant les vingt premières millisecondes d'un arc foudre en interaction avec un matériau aéronautique. Cette simulation numérique a été obtenue à l'aide du logiciel Code_Saturne®** dans lequel le DMPH a intégré la modélisation physique du dispositif d'essais du CEAT*. Le courant électrique est fixé à 200A. Le codage couleur correspond à 3 isothermes du plasma. Une telle modélisation fait appel à un maillage contenant près de 1 million de cellules, et sa résolution a été effectuée par le supercalculateur parallèle de l’Onera.



La plupart des aéronefs sont conçus pour voler quelques soient les conditions atmosphériques. Dans ce contexte, le risque de foudroiement en vol est loin d’être marginal puisqu’un avion de ligne est foudroyé en moyenne toutes les 1500 heures de vol, soit plusieurs fois par an. Il est ainsi indispensable de prendre en compte ce risque dès la conception de l’appareil en s’appuyant sur des normes de protection qui garantissent la tenue d’un appareil à un foudroiement majorant.
 

Aussi, au sein du département Mesures Physiques (DMPH), l'Onera mène depuis des années des actions de recherche pour comprendre et modéliser finement l'agression foudre. Ces actions ont pour but (1) de répondre aux problèmes actuels des industriels, (2) d'apporter une expertise aux instances normatives ou étatiques et (3) de relever les défis futurs de l’aéronautique qui nécessitent l’utilisation de matériaux plus légers et plus respectueux de l’environnement tout en garantissant leur tenue au foudroiement.
 

Images Airbus - Tous droits réservés Images prises à trois instants successifs d’un foudroiement en vol vu d’un hublot d'avion de ligne. L’arc de foudre, initialement sur le moteur, balaye l’aile de l’aéronef. La zone d’arc entourée en rouge est la zone que l’on cherche à reproduire de façon expérimentale et théorique. (Images Airbus France).
Images Airbus - Tous droits réservés
Images prises à trois instants successifs d’un foudroiement en vol vu d’un hublot d'avion de ligne. L’arc de foudre, initialement sur le moteur, balaye l’aile de l’aéronef. La zone d’arc entourée en rouge est la zone que l’on cherche à reproduire de façon expérimentale et théorique. (Images Airbus France).


 

La certification d’un matériau consiste à réaliser des essais qui reproduisent les effets directs d’un foudroiement. Une collaboration avec le CEAT* qui réalise ce type d’essais a été entreprise dans le but d’améliorer l’interprétation et la maîtrise de ces essais. Cette collaboration, axée sur la recherche, a permis d’obtenir des résultats scientifiques conséquents sur les propriétés des arcs de foudre en interaction avec un matériau.
 

Dispositif d’essais de certification du CEAT*. L’échantillon à tester se situe en face de l’électrode.
Dispositif d’essais de certification du CEAT*. L’échantillon à tester
se situe en face de l’électrode.


 


Video CEAT                              
Visualisation des 20 premières millisecondes
d’un arc de foudre se produisant durant un essai de certification,
pour un courant de 200A et une durée de 1 seconde.
La couleur rouge correspond aux zones les plus chaudes
pouvant atteint plus de 15000°C. On remarque que ces zones
sont le siège de puissants jets de gaz chaud.


 

* CEAT : Centre d’Essais Aéronautique de Toulouse de la DGA [Délégation Générale pour l'Armement]

** Code_Saturne : Logiciel généraliste de mécanique des fluides développé par EDF R&D, avec qui l’Onera mène une collaboration active sur le sujet de la foudre. La modélisation consiste en un couplage entre une zone « plasma » dans lequel évolue l’arc de foudre, et plusieurs zones « solides » correspondant aux électrodes.  



Etude, texte, images : Laurent Chemartin et Philippe Lalande, ingénieur-chercheurs au département Mesures physiques de l'Onera

20.07.2008