Utilisation des plasmas pour le diagnostic et le contrôle d’écoulements raréfiés

Benjamin Khiar, Amélie Jarnac, Raphaël Chassagnoux, Denis Packan, Paul-Quentin Elias

DPHY, ONERA, Université Paris Saclay, F-91120 Palaiseau, France

 

Résumé

Le regain d’intérêt autour des écoulements hypersoniques et raréfiés réactive deux problématiques récurrentes pour ce type de régime : la caractérisation de l’écoulement et la mise en place de dispositifs adaptés à leur contrôle. Pour améliorer ces deux points, l’ONERA examine notamment l’apport des plasmas à travers deux applications : le développement de sources d’électrons pulsées intenses adaptées aux diagnostics d’écoulements raréfiés et l’actuation magnétohydrodynamique (MHD) de l’écoulement de plasma généré lors des phases de rentrée pour modifier les coefficients aérodynamiques ou les flux thermiques.

Concernant la première application, il apparaît que l’état de l’atmosphère est mal connu lors de certaines phases du vol de rentrée, ce qui peut induire une imprécision sur le calcul de la trajectoire. Similairement, les propriétés de l’écoulement dans certaines souffleries raréfiées avec un fort déséquilibre sont parfois imparfaitement connues. Pour caractériser les écoulements raréfiés, la fluorescence par faisceau d’électron est une technique établie. Elle a été utilisée et perfectionnée à l’ONERA depuis de nombreuses années, notamment dans des écoulements raréfiés froids [1], [2]. Cependant, l’approche actuelle, reposant sur une source d’électrons continue de faible intensité, n’est pas appropriée pour les cas de figures ci-dessus, du fait de la forte émission naturelle du milieu. Pour cette raison, l’ONERA examine le potentiel de sources d’électrons pulsées basées sur des décharges à cathode creuse, appelée PseudoSpark. Ces sources ont fait l’objet de travaux à l’ONERA dans les années 1990-2000 [3], notamment pour la caractérisation d’écoulement à haute vitesse [4], mais dans des régimes peu émissifs. Leur compacité et la possibilité, récemment démontrée, de contrôler leur déclenche pour les opérer à des cadences de l’ordre du kilohertz en font des candidates intéressantes pour la caractérisation en environnement fortement émissif [5], [6]. L’exposé présentera l’avancée des travaux pour la caractérisation de ces sources et leur utilisation pour le diagnostic des écoulements raréfiés [7].

En parallèle de ces travaux, l’ONERA mène aussi des études qui visent à apporter des solutions à la problématique du contrôle de trajectoire pour le vol très haute vitesse (Mach >10). Dans ces régimes, les véhicules s’entourent naturellement d’un « cocon » de plasma qui permet, si un champ magnétique est appliqué, d’agir sans pièces mobiles sur cet écoulement : c’est le concept d’actuateur MHD[8]. La conception de tels dispositifs fait appel à une physique riche et complexe qui nécessite en particulier le développement d’outils de modélisation multi-physique (mécanique des fluides, électromagnétisme, physique des matériaux…). Dans le cadre de projets internes, l’ONERA poursuit une stratégie qui vise à mettre au point ces outils [9], dans l’objectif de pouvoir modéliser la plus grande portion possible d’une trajectoire de rentrée assistée par MHD (du régime raréfié au continu ETL). Cet effort nécessite en parallèle un travail de comparaison et de validation face à des résultats expérimentaux obtenus dans des installations permettant la génération d’écoulements ionisés. Dans cet objectif, l’ONERA et le laboratoire ICARE se sont associés pour proposer un projet ambitieux (ASTRID AMHYRA) qui vise à répondre à ce besoin. Lors de cet exposé, nous présenterons la démarche proposée et les résultats attendus grâce à ce projet. En particulier, nous illustrerons les expériences qui seront menées au sein des souffleries PHEDRA (étude de l’impact de la MHD sur la thermique et l’ablation) et MARHy (étude de l’impact de la MHD sur l’aérodynamique) du laboratoire ICARE. L’objectif de ces campagnes est en premier lieu de disposer d’une base de données expérimentale inédite, couvrant une très grande diversité de conditions de vol.

Bibliographie

[1]          A. K. Mohamed, « Electron Beam Velocimetry », in New Trends in Instrumentation for Hypersonic Research, A. Boutier, Éd., in NATO ASI Series. , Dordrecht: Springer Netherlands, 1993, p. 373‑380. doi: 10.1007/978-94-011-1828-6_34.

[2]          B. Diop, J. Bonnet, T. Schmid, et A. Mohamed, « Compact Electron Gun Based on Secondary Emission Through Ionic Bombardment », Sensors, vol. 11, no 5, Art. no 5, mai 2011, doi: 10.3390/s110505202.

[3]          S. Larigaldie, « Study of the breakdown phase in a pseudospark switch. I. Basis experiments and crude model », IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 23, no 3, p. 362‑368, juin 1995, doi: 10.1109/27.402326.

[4]          S. Larigaldie, D. Bize, A. K. Mohamed, M. Ory, J. Soutadé, et J. P. Taran, « Velocity Measurement in Hypersonic Flows Using Electron-Beam-Assisted Glow Discharge », AIAA Journal, vol. 36, no 6, p. 1061‑1064, juin 1998, doi: 10.2514/2.480.

[5]          J. Yan, S. Shen, Y. Wang, S. Zhang, L. Cheng, et W. Ding, « A novel trigger for pseudospark switch with high repetition rate, low jitter, and compact structure », Review of Scientific Instruments, vol. 89, no 6, p. 065102, juin 2018, doi: 10.1063/1.5029420.

[6]          J. Yan, S. Shen, et W. Ding, « High-Power Nanosecond Pulse Generators With Improved Reliability by Adopting Auxiliary Triggering Topology », IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no 2, p. 1353‑1364, févr. 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2922360.

[7]          R. Chassagnoux, A. Jarnac, et P.-Q. Elias, « Parametric Characterization of Discharge Delays of a Pseudospark Discharge », IEEE Transactions on Plasma Science, p. 1‑10, 2024, doi: 10.1109/TPS.2024.3392294.

[8] Resler Jr, E. L., & Sears, W. R. (1958). The prospects for magneto-aerodynamics. Journal of the Aerospace Sciences, 25(4), 235-245.

[9] Khiar, B.; Tholin, F., Pechereau, F., Riou, L., Packan, D. (2023), Modelling of MHD flow control for atmospheric re-entry at ONERA. Aerospace Europe Conference 2023.