Les effets de raréfaction sur les performances des planeurs hypersoniques dans des écoulements supersoniques et hypersoniques raréfiés

 

1. Noubel¹, C. D. Toussaint², C. Baranger², I Fedioun¹, V. Lago¹.

¹Laboratoire ICARE, CNRS Orléans France

²CEA-CESTA 15 avenue des Sablières CS 60001 33116 Le Barp Cedex France

Résumé

Les véhicules aérospatiaux utilisant les technologies « waverider » sont conçus pour maximiser leur efficacité en se déplaçant sur leur propre onde de choc, contrairement aux véhicules conventionnels. L’élément clé de ces véhicules est l’amélioration de la portance grâce à une forme aérodynamique optimisée. Certains de ces engins sont conçus pour être largués depuis de grandes altitudes par des fusées, puis pour ajuster leur trajectoire afin d’atteindre leur cible. Cependant, à haute altitude, les effets visqueux altèrent les propriétés aérodynamiques, ces altérations étant particulièrement marquées à des vitesses hypersoniques. La compréhension des caractéristiques aérodynamiques des planeurs hypersoniques est donc cruciale pour définir leur trajectoire, que ce soit pour atteindre un objectif de manière optimale ou pour effectuer des manœuvres d’évitement. Maîtriser la trajectoire de ce type de véhicule implique d’étudier les principaux coefficients aérodynamiques, tels que la portance (CL) et la traînée (CD), en fonction des nombreuses conditions que le planeur hypersonique rencontrera au cours de son vol : variations des nombres de Mach et de Reynolds, modifications de l’incidence du planeur, différents régimes d’écoulement, échauffement cinétique, etc.

L’objectif principal de cette étude est d’étudier l’impact des effets visqueux sur les performances aérodynamiques d’un véhicule de type « waverider ». La géométrie d’un waverider est optimisée pour une condition de vol spécifique, c’est-à-dire pour un certain nombre de Mach et une altitude donnée. Cette géométrie vise à augmenter la compression sur la section portante du véhicule afin de lui permettre de « surfer » sur sa propre onde de choc. Le design initial d’un waverider repose sur le cône de Mach, tel que défini par Rassmusen. Cependant, les polaires de Mach sont établies en supposant un écoulement de gaz parfait, sans tenir compte des effets visqueux. Ces derniers, cependant, créent des couches limites visqueuses qui modifient les angles de choc, entraînant une perte de pression sur la section portante, ce qui réduit la portance et augmente la traînée visqueuse. Cette étude  a été réalisé à l’aide de la soufflerie super/hypersonique raréfiée MARHy de la plateforme FAST du Laboratoire ICARE. Pour mener à bien cette étude, six conditions d’écoulement différentes, de Mach 2 à Mach 20, ont été expérimentalement examinées en utilisant trois techniques de diagnostic : une balance de poussée à deux axes, la visualisation par décharge luminescente et la mesure des pressions pariétales.

Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de :

• Proposer des fonctions de raccordement définissant la finesse maximale en fonction des conditions d’écoulement, couvrant les régimes continus jusqu’au régime moléculaire libre.
• Proposer une géométrie optimisée pour les écoulements raréfiés.
• Évaluer la pertinence de cette nouvelle géométrie pour différents régimes d’écoulement.
• Étudier les performances de deux types de géométries : les waveriders « purs » et les géométries de type cône à bout émoussé.

 

Remerciements

Les auteurs remercient l’ANR-ASTRID et le labex Caprysse pour le soutien et le financement accordes a ces travaux.

Bibliographie

[1] Noubel, Hugo. Etude expérimentale du comportement aérodynamique et optimisation des performances des planeurs hypersoniques dans des écoulements supersoniques et hypersoniques raréfiés. Diss. Université d’Orléans, 2024.

[2] Hugo, Noubel, and Viviana Lago. « Experimental analysis of waverider lift-to-drag ratio measurements in rarefied and supersonic regime. » Hypersonic Vehicles-Applications, Recent Advances, and Perspectives. IntechOpen, 2021.

[3] Noubel, Hugo, and Viviana Lago. « Correlation between waverider shock waves and aerodynamic forces in supersonic rarefied flow, experimental investigation in the wind tunnel MARHy. » Acta Astronautica 199 (2022): 86-102.

[4] Noubel, Hugo, Damien Toussaint, Celine Baranger and Viviana Lago. « Correlation between waverider shock waves and aerodynamic forces in supersonic rarefied flow, experimental investigation in the wind tunnel MARHy. » Acta Astronautica , soumis .

[5] Noubel Hugo, Lago, Viviana. « Étude expérimentale de la finesse pour des waveriders en régime raréfié supersonique réalisée dans l’installation MARHy. » HERA Hypersonique des Ecoulements Raréfiés workshop. 2021.

[6] Noubel Hugo, Lago, Viviana. « Experimental investigation of waverider aerodynamic forces and shock waves in hypersonic slip regime in the wind tunnel MARHy. » HiSST: 2nd International Conference on High-Speed Vehicle Science & Technology. 2022.

[7] Noubel Hugo, Lago, Viviana, « EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF AERODYNAMIC FORCES AND SHOCK WAVES FOR A WAVERIDER IN SUPERSONIC AND SLIP REGIME CARRIED OUT IN THE MARHY FACILITY. » 2nd International Conference on Flight Vehicles, Aerothermodynamics and Re-entry Missions & Engineering (FAR). 2022.