Propulsion spatiale, superstatoréacteurs, moteurs de lanceurs spatiaux, combustion moins polluante, sécurité du transport aérien, le département multi-physique pour l’énergétique de l’ONERA embrasse de multiples problématiques, au cœur des enjeux actuels. Zoom sur le DMPE et son nouveau directeur, Jérôme Anthoine.
Des défis enthousiasmants
Selon Jérôme Anthoine, le département multi-physique pour l’énergétique (DMPE) ne manquera pas de challenges à relever : dans le domaine de la sécurité et plus précisément du givrage, la mise en service, au printemps 2020, de la nouvelle soufflerie givrante est un jalon d’importance, l’ONERA étant référent dans ce domaine, comme l’attestent les diverses collaborations signées avec la NASA ou la convention PHYSICE signée en 2018 avec la DGAC. Sur le même principe, la mise en service de la plateforme PyCoFiRe en 2024 est à préparer sur le centre du Fauga-Mauzac.
Un autre défi : la combustion oxygène/méthane et le développement de lanceurs moins coûteux. Par ailleurs, le réchauffement climatique et la récente pression sur le monde aéronautique ont rendu encore plus fort le besoin d’avoir des aéronefs moins polluants et de maîtriser leurs émissions, thématiques qui seront davantage au cœur des activités du département.
Enfin, en support à la tutelle et en s’appuyant sur le triptique essais/simulation/expérimentation qui fait partie de l’ADN de l’ONERA, le DMPE devra consolider la nouvelle génération de superstatoréacteurs et accompagner le développement de la future évolution du missile M51.
Des défis qui ne font pas peur au nouveau directeur, rompu à la conduite de projets faisant appel à des compétences complémentaires. Et de préciser que « un de mes chevaux de bataille sera de demander l’embauche de nouvelles recrues, pour mener à bien les projets futurs qui ne cessent de nous être confiés. Je sais que la Direction de l’ONERA est acquise à notre cause, reste à ce que les lignes bougent du côté institutionnel. »
Je teste donc je suis
50 moyens d’essais, 210 personnes aux compétences complémentaires, 3 finalités concernées - aéronautique, espace, défense - dont les problématiques se croisent et se complètent : le département scientifique DMPE, Multi-Physique pour l’Energétique, dont Jérôme Anthoine prend la tête début 2020, est en effet de taille. Il se caractérise, comme l’ensemble des départements de l’ONERA, par des recherches menées dans le dialogue permanent entre simulation numérique et essais expérimentaux. La force du DMPE est bien là : il utilise CEDRE, le logiciel pour l’énergétique de l’ONERA, en toute complémentarité avec les essais « grandeur nature » menés dans les laboratoires. Il dispose en effet d’installations adaptées à toutes les problématiques de l’énergétique : les bancs M1 et MICADO pour les foyers aéronautiques, MASCOTTE pour les moteurs cryogéniques, les bancs de tests des statoréacteurs et super statoréacteurs à Palaiseau, ou encore les bancs LACOM et MERCATO pour la combustion et le réallumage des moteurs aéronautiques et la zone pyrotechnique du Fauga-Mauzac pour les moteurs fusées.
Mesure dans le jet supersonique à l'aval de la tuyere
sur le banc Mascotte, dédié à la recherche en
combustion cryotechnique, sur les différentes
parties du moteur
Simulation numérique par le code CEDRE de la combustion
d'un moteur à ergols liquide
Plusieurs instruments mais une seule partition
Autre force de ce département à l’ONERA : la forte complémentarité des équipes, capables de traiter les nombreuses thématiques scientifiques associées à l’énergétique. Pour résoudre une problématique donnée, un expert ONERA peut s’appuyer sur les différents métiers dans son département, mais également sur les autres métiers des départements.
Il faut dire que la Direction du département a donné le la, en restant à l’écoute de ses parties prenantes extérieures : « c’est un département qui se porte bien grâce aux choix stratégiques faits précédemment, soutenus par les agences étatiques et les industriels du secteur ASD ». Et d’ajouter « C’est également grâce aux hommes et aux femmes qui le composent et je mettrai tout en œuvre pour leur permettre de s’épanouir et de mener une recherche de qualité. »
Dans le même écosystème que l’ONERA depuis toujours
Alors que Jérôme Anthoine conduisait sa thèse sur l’aéroacoustique dans les boosters au VKI, l’Institut von Karman de dynamique des fluides, en Belgique, il était déjà en relation avec l’ONERA, partenaire de l’institut belge. Jérôme Anthoine pratique dès lors le cœur de métier d’un expert en propulsion : conception de bancs expérimentaux, campagne d’essais, notamment en gaz froid, analyse de la physique des instabilités hydrodynamiques.
Menant parallèlement des activités d’enseignement et d’encadrement, il poursuit sa carrière par la création d’un groupe de recherche en aéroacoustique, une mission qui le fera recroiser, à plusieurs reprises, la route de l’ONERA, naturellement concerné par ces mêmes problématiques. En 2009, quand un poste s’ouvre, Jérôme Anthoine est un candidat tout trouvé, grâce à son expérience en expérimentation, mais également en gestion de projet. Il prend en effet en charge en 2010 le projet DEMO IDC sur Ariane 6.
Ainsi, grâce à sa connaissance pointue des problématiques de l’énergétique, une discipline qu’il pratique depuis toujours, et grâce à son expérience acquise à l’ONERA et au dehors, Jérôme Anthoine a plusieurs cartes en mains pour défendre les bannières du DMPE. Surtout, il sait qu’il peut compter « sur l’implication et le niveau d’expertise élevé de ses équipes » précise-t-il.
CEDRE - Plateforme multi-physique de simulation numérique pour l’énergétique
Le code CEDRE est utilisé par la DGA, MBDA, ArianeGroup et Safran Aircraft Engines, ainsi que par les chercheurs de l’ONERA pour leurs recherches propres (études et thèses).
Transferts thermiques dans les chambres de combustion de moteur-fusée
Dans le cadre des travaux menés avec le CNES sur les transferts thermiques dans les chambres de combustion de moteur-fusée, l'évaluation de méthodes de résolution instationnaire – dédiées à la restitution des flux de chaleur – a permis d'obtenir des niveaux de température et de flux en parois en bon accord avec les niveaux expérimentaux mesurés sur le banc MASCOTTE de l'ONERA. Chaque physique étant traitée par un solveur dédié, ce calcul fait intervenir un couplage entre le solveur CHARME, pour la phase gazeuse, et le solveur SPIREE, pour les gouttelettes d'oxygène liquide.
Ambiance acoustique au décollage des lanceurs spatiaux
Dans le cadre des travaux de R&T menés avec le CNES sur l'ambiance acoustique au décollage des lanceurs spatiaux, la simulation numérique permet d'estimer les niveaux de bruit auxquels le lanceur et les structures du pas de tir sont exposés. Le bruit généré par un jet supersonique à Mach 3.1 est ici reproduit par l’utilisation couplée du solveur CHARME de CEDRE – pour la simulation des sources acoustiques en champ proche – et du code SPACE – pour la propagation acoustique non linéaire en champ lointain.
Phénomènes de givrage & d'ingestion dans les turboréacteurs
Grâce au couplage entre les solveurs CHARME (pour l'aérodynamique), SPARTE ou SPIREE (pour le calcul des trajectoires de gouttes ou de particules solides) et FILM (pour les phénomènes de ruissellement, accrétion et ré-atomisation), CEDRE est utilisé par SAFRAN-AE pour simuler le givrage dans les turboréacteurs (dû à des gouttes d'eau en surfusion ou des cristaux de glace) ainsi que l'ingestion de grêle, de sable et d'eau.
Légende : visualisation des trajectoires de gouttelettes d'eau autour d'une aile, calculées par approche lagrangienne. Les trajectoires sont colorées par la vitesse des gouttes. L'objectif de la simulation est de calculer en chaque point de l'aile le débit d'eau impactant afin d'en déduire l'épaisseur du dépôt de givre correspondant.
