INTÉRACTIONS FLUIDE-STRUCTURE SUR LES MÉCANISMES DINSTABILITÉ TOURBILLONNAIRES EN CAVITÉ CONFINÉE

AUTOR(ES)
FONTE

IBICT - Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia

DATA DE PUBLICAÇÃO

14/12/2007

RESUMO

(...)Les lanceurs spatiaux actuels ont des charges utiles chaque fois plus importantes et ils ne se limitent plus à la mise en orbite de satellites ou au lancement de sondes interplanétaires, mais banalisent également le transport humain pour la conquête de lespace. La propulsion solide, fiable et de conception simple par rapport à dautres technologies, est généralement choisie pour équiper plusieurs familles de lanceurs, parmi lesquelles le lanceur Européen ARIANE 5. Pour vaincre le défi du décollage, ce dernier est équipé de deux Moteurs à Propergol Solide (MPS), délivrant 90 % de la poussée nécessaire pour arracher les 725 tonnes du lanceur à la table de lancement. Chaque moteur désigné MPS P230 [1] a une hauteur de 30 m et un diamètre de 3 m et est chargé de 237,8 tonnes de propergol solide segmenté en 3 blocs. Cependant, lambiance dynamique proportionnée dun tel moteur, i.e. les quelques tonnes doscillation de poussée générée, doit être limitée de façon à minimiser les exigences de conception des satellites tout en augmentant la fiabilité du lanceur. Dès le début des années 90, un programme européen de recherche a été établi afin danalyser, comprendre et prévoir les éventuelles instabilités de fonctionnement des MPS P230 en particulier et des boosters à propergol solide segmentés en général. Ce programme exemplaire et sans précédant à ce jour sur la propulsion solide a mêlé à la fois les industriels de lespace et bon nombre de laboratoires de recherche. Tout dabord, soulignons quil existe deux types dinstabilités : 1- linstabilité de combustion, liée à la réponse du propergol en combustion et 2- linstabilité aérodynamique liée au caractère instable de lécoulement interne. Considérant des moteurs de taille significative, les instabilités propres à la combustion peuvent être négligées vis-à-vis des instabilités aérodynamiques. De plus, la manipulation des paramètres comme la vitesse de combustion ou laddition daluminium dans la fabrication du propergol peuvent contribuer à minimiser les instabilités liées à la combustion. En effet, linstabilité aérodynamique, liée à des paramètres géométriques du moteur, est particulièrement remarquée [2] et elle a très vite été suspectée de constituer la source principale dinstabilités au sein des propulseurs segmentés. Dans ces conditions, ces instabilités peuvent se traduire par des fonctionnements oscillatoires, se manifestant notamment par lapparition doscillations de pression aux basses fréquences [3]. Ces types dinstabilités ont été observés dans le fonctionnement des lanceurs américains TITAN [4, 5, 6, 7] ou même dAriane 5 [8]. Même si ces instabilités, plus ou moins prononcées, nont jamais menacé lintégrité du moteur, elles nen constituent pas moins une source de vibration gênante pour la charge utile et toute lélectronique embarquée. La réduction des instabilités, et de leurs conséquences, constitue donc un objectif majeur dans lévolution des MPS actuels et pour des nouvelles conceptions. De nombreux travaux se sont alors focalisés à la compréhension et lanalyse des mécanismes dinstabilités aérodynamiques [9, 10]. La première source dinstabilité a ainsi été identifiée comme étant directement liée à la segmentation du propulseur, où la présence dune protection émergeante conduit à la formation dune couche de cisaillement, siège de la génération de structures tourbillonnaires en son sein. En effet, la présence dobstacles à lécoulement conduit à la formation dune couche de cisaillement associée à un profil inflexionnel de vitesse. Ce profil de vitesse peut donner lieu à une instabilité hydrodynamique, conduisant alors au développement de structures tourbillonnaires dans le sillage de lobstacle : il sagit dun mécanisme dénommé Vortex Shedding dObstacle ou encore VSO. La fréquence dinstabilité des couches de cisaillement peut être décrite par les théories de stabilité linéaire, comme par exemple à partir des travaux de Michalke [11]. Lexistence de ce détachement tourbillonnaire a bien été constatée par voie numérique ou expérimentale notamment à partir de tests sur le banc dessai des tirs LP3 ou LP6 [12]. A partir de montages de simulation [13, 14, 15, 16, 17], il a également été clairement démontré que la segmentation et la couche de cisaillement ainsi générée engendrait un couplage pression/vitesse et quun tel couplage engendrait une amplification significative des oscillations de pression ainsi recueillies. Linfluence de la géométrie sur lorganisation des structures tourbillonnaires est, bien sûr, un objectif des travaux récents visant alors à réduire les instabilités au sein des propulseurs, où il est également possible dimaginer des contrôles, quils soient actifs [18, 19] ou passifs [20, 21]. Le rôle de la hauteur de la protection thermique, sa forme ainsi que la hauteur de la veine, correspondant aux différents instants de la vie du propulseur, constituent autant de paramètres importants [22].(...)

ASSUNTO(S)

propulsão de foguetes mécanique des fluides propulsao aeroespacial instabilités aérodynamiques couplage fluide/structure

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