Rentrée atmosphérique : quel culot ?

Que se passe-t-il quand un véhicule spatial pénètre dans une couche d’air peu dense ? Pour le savoir, une équipe du CEA - DAM, spécialiste en méthodes numériques, s’est associée à des chercheurs du CNRS spécialisés en méthodes expérimentales. Objectif : analyser l’influence de la géométrie de la partie arrière, dite culot d’un véhicule spatial, sur ses performances aérodynamiques à haute altitude. Cette étude [1] est primordiale pour la validation des modèles physiques et outils de simulation du CEA - DAM. Elle est d’autant plus importante que les données sur les écoulements dans des milieux très peu denses ne sont pas nombreuses.

Lors de sa rentrée dans l’atmosphère terrestre, à environ 120 km d’altitude, un véhicule spatial, comme une tête nucléaire, traverse différentes couches d’air, de pression et densité très variables. Par exemple, la pression de l’air est plus de cent mille fois plus faible à 80 km d’altitude qu’au sol. Les différences de pression rencontrées lors d’une rentrée atmosphérique à très grande vitesse (plusieurs fois la vitesse du son) impactent fortement la physique de l’écoulement de l’air autour du véhicule, comme l’illustre la figure 1.

Nous nous intéressons ici aux écoulements dits raréfiés, qui ont lieu à haute altitude, donc à faible pression. Leur étude est moins répandue que celle des écoulements à basse altitude (dits continus), car les efforts subis par le véhicule spatial sont généralement plus faibles à haute altitude. Pourtant, pour s’assurer de la réussite de la mission liée à la précision sur cible et optimiser la géométrie du véhicule, il est primordial d’estimer ces efforts avant le vol. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des modélisations physiques, des outils de simulation numérique et des moyens expérimentaux spécifiques aux écoulements raréfiés. Le CEA - DAM développe de tels modèles et outils de simulation ; le laboratoire Icare du CNRS dispose quant à lui d’une soufflerie, appelée MARHy, unique en France, permettant de reproduire en laboratoire des écoulements apparaissant au-dessus de 70 km d’altitude. C’est donc tout naturellement que le CEA et le CNRS ont associé leurs forces dans le cadre de cette étude, adossée au projet de recherche nommé CHYP, pour Culot HYPersonique, financé par l’Agence nationale de la recherche.

L’objectif de cette étude commune est double : identifier quelle géométrie de culot a les meilleures performances aérodynamiques en fonction de la pression de l’air, et plus généralement valider nos codes de calcul en régime raréfié [1].

La géométrie du culot a un effet direct sur la position et la forme de l’onde de choc qui apparaît lors de la rentrée dans l’atmosphère. Elle modifie également l’écoulement en aval du culot, ce qui influe sur la force de traînée subie par l’objet. Cette force résulte des efforts appliqués par les particules d’air sur le véhicule spatial et tend à s’opposer à son mouvement. On cherche donc à la minimiser. Nous nous sommes intéressés à un véhicule spatial de type cône-cylindre avec trois géométries de culot distinctes : à bord droit, à bord arrondi et à jupe évasée (figure 2). La campagne d’essais dans la soufflerie MARHy a été réalisée avec ces trois géométries. La vitesse de l’écoulement était quatre fois plus grande que celle du son, et nous avons fait varier la pression de l’air de 2 à 71 pascals (0,02 à 0,71 mbar) pour générer des écoulements plus ou moins raréfiés. Nous avons mesuré la force de traînée du véhicule ainsi que la pression de l’écoulement à proximité de celui-ci. En parallèle, nous avons effectué des simulations numériques sur le supercalculateur Exa 1 du CEA - DAM avec un code de simulation dédié aux écoulements raréfiés, développé au CEA - DAM [2].

Ces travaux ont mis en avant plusieurs résultats illustrés sur la figure 3. Tout d’abord, la comparaison des mesures aux résultats numériques permet de valider la bonne restitution de l’expérience avec le code de simulation du CEA - DAM. Une telle validation est précieuse, car les données expérimentales en régime raréfié sont particulièrement rares. Ensuite, cette étude a permis d’illustrer que, pour une configuration de culot donnée, le coefficient de traînée augmente drastiquement lorsque la pression de l’air diminue (il est ici multiplié par trois). Cela est principalement lié au fait que, lorsque la pression diminue, les frottements du fluide (parallèles à l’objet) deviennent prépondérants devant les effets de pression (perpendiculaires à l’objet). D’autre part, la modification de géométrie entre le culot droit et le culot arrondi a un effet négligeable sur les efforts subis par le véhicule. Enfin, la configuration à jupe évasée est celle qui minimise systématiquement le coefficient de traînée.