Etude numérique des performances aérodynamiques de planeurs hypersoniques en régime hypersonique raréfié

 

Damien Toussaint¹, Beatriz Carda¹, Hugo Noubel², Jean-Philippe Braeunig¹, Céline Baranger¹, Viviana Lago²

¹ CEA-CESTA, 15 avenue des Sablières – CS 60001, 33116 Le Barp Cedex, France

² CNRS/ICARE, 1c avenue de la Recherche Scientifique, CS 50060, F-45071, Orléans Cedex 2, France

 

Résumé

Depuis les travaux de Nonweiler en 1963, le concept de waverider constitue un sujet de recherche très actif (voir par exemple les travaux de Jones, Bowcutt, Anderson [1], Rasmussen…). Un waverider (ou planeur hypersonique) est un véhicule portant hypersonique conçu pour générer, pour une condition d’écoulement donnée, un choc attaché à son bord d’attaque. Cette propriété lui permet de disposer de caractéristiques aérodynamiques améliorées par rapport à un véhicule hypersonique « générique », notamment en terme de finesse aérodynamique (rapport des forces de portance et de traînée). Ces véhicules sont donc destinés à voler à des vitesses élevées, et potentiellement dans les hautes couches de l’atmosphère (au-dessus de 60-70 km d’altitude) où le régime d’écoulement n’est plus continu mais raréfié. Le degré de raréfaction de l’écoulement peut influencer de manière significative les propriétés aérodynamiques de ces véhicules. L’objectif du projet ANR ASTRID APHYRA, mené par le laboratoire FAST du laboratoire CNRS/ICARE de 2021 à 2024, est d’étudier expérimentalement l’influence du degré de raréfaction sur les performances aérodynamiques d’un planeur hypersonique. Des mesures de forces aérodynamiques, de pressions pariétales et des visualisations par glow discharge ont été réalisées au sein de la soufflerie hypersonique raréfiée MARHy pour différentes maquettes avec incidence et diverses conditions d’écoulement (Mach/Reynolds) [2].

Ces données expérimentales ont permis une meilleure compréhension des propriétés aérodynamiques des planeurs hypersoniques, mais sont également des données rares et précieuses pour la validation des codes de calcul. Dans le cadre de l’étude présentée ici, ces données sont mises à profit pour la validation des codes de calculs d’écoulements super-/hypersoniques raréfiés utilisés au CEA-CESTA : le code interne NS, qui résout les équations de Navier-Stokes par une méthode volumes finis ; le code cinétique K, qui résout les équations-modèles ES-BGK [3] par une méthode déterministe de type vitesses discrètes [4] et le code cinétique SPARTA [5], qui émule l’équation de Boltzmann suivant la méthode DSMC de Bird [6]. Des simulations ont été réalisées avec ces trois codes pour les différences conditions d’écoulement considérées expérimentalement et pour deux maquettes : la première, inspirée des travaux de Rolim et al. [7], est très effilée ; la seconde est un sphère-cône à méplat, soit une forme plus émoussée. L’exposé présentera une comparaison des résultats numériques avec les données expérimentales du projet APHYRA.

Bibliographie

[1] J. D. Anderson, Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics – Second Edition (AIAA, 2006).

[2] 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.

[3] L. H. Holway. Kinetic therory of shock structure using an ellipsoidal distribution function. In Rarefied Gas Dynamics, 1966.

[4] Baranger et al. Locally refined discrete velocity grids for stationary rarefied flow simulations. JCP, 257 (15):572–593, 2014.

[5] Plimpton et al. Direct simulation Monte Carlo on petaflop supercomputers and beyond. Physics of Fluids, 31(086101), 2019.

[6] G. A. Bird. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford Science Publications, 1994.

[7] T. C. Rolim, P. G. de Paula Toro, M. A. S. Minucci, A. de Carlos de Oliveira, and R. da Cunha Follador, “Experimental results of a Mach 10 conical-flow derived waverider to 14-X hypersonic aerospace vehicle,” J. Aerosp. Technol. Manag. 3, 127–136 (2011).