Une soufflerie hypersonique haute enthalpie au service de l’aérothermodynamique en régime raréfié

 Jean-Luc Vérant

Département Multi-Physique pour l’Energétique

ONERA Centre de Toulouse

 

Résumé

La soufflerie F4 sous cocon depuis 2015 et schématisée sur la Figure 1, est une soufflerie à rafale dite «hotshot», générant un écoulement aérodynamique à très grande vitesse proche de celles réalisées par les véhicules spatiaux lors de leur rentrée dans l’atmosphère (> 5km/s). Cette installation aérothermodynamique haute enthalpie est unique en France et, en tant qu’installation hypersonique «hotshot», unique en Europe hors Russie.

Cette soufflerie permet de simuler les effets de gaz réels et pour cela, elle est reconnue comme une soufflerie hypersonique « chaude ». Pour produire un tel écoulement, un volume de gaz test (air, azote ou CO2) est injecté initialement dans la chambre à arc à une certaine pression (Pga) à la température ambiante, puis est porté à très haute enthalpie et haute pression au moyen d’un arc électrique de forte puissance (environ 150MW pour les points de fonctionnement les plus hauts) établi pendant plusieurs dizaines de millisecondes jusqu’à plus de 150 millisecondes selon besoin. Environ 10 ms après l’arrêt de l’arc électrique (période d’homogénéisation pour le gaz dans la chambre), le bouchon pyrotechnique qui assure l’isolement pneumatique de la chambre à arc vis-à-vis de la veine d’essai est déclenché électriquement, libérant ainsi le gaz chaud dans la veine d’essai à travers un col qui est inséré dans la tuyère. Le jet sortant de la tuyère débouche dans une sphère de 3 mètres de diamètre où se situe la maquette (appelée caisson d’essai ou sphère d’essai), et génère une rafale aérodynamique d’une durée maximale de 400 ms (temps pour vider la chambre selon le volume choisi jusqu’à 12 litres). Ce jet est ensuite repris par le diffuseur qui dirige l’écoulement vers un réservoir à vide de 35 m3, appelé caisson à vide. Au préalable, la pression de l’ensemble du circuit aérodynamique du col de la tuyère au caisson à vide a été réduite à quelques Pascals (voisin de 10 Pa) au moyen de pompes à vide pour permettre l’amorçage de la tuyère, en particulier pour les essais à faible nombre de Reynolds. La distance entre la sortie de la tuyère et l’entrée du diffuseur constitue la longueur utile de la veine d’essai (environ 760 mm). L’arrêt de la rafale aérodynamique est provoqué par le déclenchement du clapet pyrotechnique qui assure l’isolement pneumatique de la chambre à arc vis-à-vis du réservoir d’évacuation rapide des gaz non utilisés, appelé réservoir EJR. Cette technique permet de réduire la pollution dans la veine d’essais.

La soufflerie dispose de plusieurs tuyères (Figure 2) dont les caractéristiques sont adaptées aux besoins de duplication partielle des écoulements de rentrée atmosphérique tels que le nombre de Reynolds, l’enthalpie totale, le paramètre binaire, le paramètre de raréfaction…etc. L’assemblage tuyère n°2 + col de diamètre 6.32 mm est identifié comme la tuyère n°1 avec un rapport d’expansion A/A* de 11272 (proximité de la frontière continu/raréfié à haute enthalpie) quand la tuyère N°2 affiche un rapport de détente de 4490 pour un diamètre du noyau sain estimé à 400 mm en sortie des 2 tuyères. La tuyère N°3 plus courte permet une meilleure duplication du paramètre binaire L et des conditions de Reynolds les plus élevées de toutes les tuyères F4. Quant à la tuyère N°4, elle est destinée à produire des écoulements hypersoniques hyper-enthalpiques à la frontière du régime continu/raréfié et en régime raréfié transitionnel avec un nombre Knudsen (Lref=0.3 m) qui peut être > 10^-2.

Cette tuyère, bien que fabriquée, n’a cependant pas encore été testée et la présentation proposée donnera un aperçu des conditions attendues en termes de domaine de duplication du vol avec cette tuyère et les perspectives de mise en œuvre dans le domaine raréfié de glissement en considérant un redémarrage de l’installation en 2026.