SOUFFLERIES

La soufflerie S4 de Modane (France)

Les souffleries à très haute vitesse répondent aux besoins spécifiques des missiles stratégiques, des fusées et des véhicules spatiaux. Lors d’une rentrée atmosphérique, ce sont des vitesses de l’ordre de 20 000 km/h qui sont atteintes. La première catégorie des souffleries hypersoniques est constituée de souffleries qualifiées de « froides » (dites aussi souffleries à basse enthalpie), c’est-à-dire que l’air est chauffé préalablement, juste suffisamment pour éviter sa liquéfaction. Du fait de sa détente dans la tuyère, l’air – ou tout autre gaz d’étude – atteint des températures très basses de quelques dizaines de kelvins, soit autour de — 250 ⁰C. La soufflerie S4 du centre O.N.E.R.A. de Modane fonctionne suivant ce principe. Elle est constituée, d’amont en aval, par :

– des réservoirs d’air comprimé à 27 MPa,

– un réchauffeur à effet Joules montant jusqu’à 1 600 ⁰C,

– un jeu de tuyères Mach 6,4, Mach 10 et Mach 12,

– un caisson d’essai,

– un diffuseur (dont la forme est convergente puisqu’on est en écoulement supersonique) pour comprimer l’air,

– une sphère à vide pour aspirer l’air éjecté du diffuseur.

Cette soufflerie permet des rafales d’une durée de 45 secondes à Mach 12. Dans cette catégorie de souffleries « froides », la simulation des phénomènes réels du vol hypersonique n’est pas complètement assurée, puisque la vitesse atteinte est encore insuffisante – bien qu’atteignant 6 500 km/h avec une tuyère Mach 12 – et que l’air conserve toujours sa structure moléculaire, n’étant pas le siège des phénomènes réactifs observés dans la réalité où il y a dissociation des molécules d’oxygène et d’azote du fait de la forte augmentation de la température à proximité des aéronefs. Cette augmentation de la température est due au frottement de l’air sur le véhicule, qui engendre, à ces vitesses, d’intenses flux de chaleur. C’est la forme de la tuyère qui permet l’obtention du nombre de Mach voulu, mais c’est la température conférée à l’écoulement qui détermine la vitesse (V) en sortie de tuyère en raison de la définition même du nombre de Mach (M) déjà énoncée, soit : V = Ma, avec a la vitesse du son qui elle-même est proportionnelle à la racine carrée de la température. Cette dépendance du nombre de Mach à la température peut être commodément illustrée par l’exemple de Concorde qui, en régime de croisière, volait à Mach 2 à 18 km d’altitude, où règne une température de — 50 ⁰C. La vitesse de l’avion à cette distance du sol atteignait ainsi 2 110 km/h. Si l’avion avait conservé cette même vitesse au ras des flots, avec une température extérieure de + 20 ⁰C, ce supersonique n’aurait volé qu’à Mach 1,7.

De fait, avec une soufflerie « froide », on obtient assez facilement un grand nombre de Mach, puisque la vitesse du son est faible, environ 350 km/h au lieu de 1 200 km/h dans les conditions normales de température et de pression. La vitesse qui en résulte est malgré tout importante mais pas encore entièrement représentative de la réalité d’une rentrée atmosphérique.

La soufflerie F4 du Fauga-Mauzac (France)

Pour reproduire plus fidèlement la réalité des vols hypersoniques, on utilise alors des souffleries hypersoniques qualifiées de « chaudes » (dites aussi souffleries à haute enthalpie), où le gaz d’essai est chauffé intensément en amont de la tuyère de manière à fournir des écoulements chauds dans la veine d’essai. L’obtention de températures initiales (dites génératrices) avant détente dans la tuyère excédant 2 500 ⁰C, accompagnées de pressions élevées, requiert des puissances considérables. La durée d’une rafale est par conséquent extrêmement courte, limitée également[...]