Thèse soutenue

Etude expérimentale du phénomène de balayage de l’arc électrique lors du foudroiement d’un aéronef
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Auteur / Autrice : Vincent Andraud
Direction : Philippe Testé
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie électrique
Date : Soutenance le 09/03/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
référent : CentraleSupélec (2015-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Philippe Dessante
Examinateurs / Examinatrices : Dunpin Hong, Laurent Pécastaing, Philippe Delmote
Rapporteurs / Rapporteuses : Dunpin Hong, Laurent Pécastaing

Résumé

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Lors du foudroiement d'un aéronef, il y aun mouvement relatif entre l'arc électrique de foudreet l'aéronef, qui peut voler jusqu'à 100 m/s en phasesde décollage ou d'atterrissage, alors qu'il ne peutéviter l'impact. Ainsi le point d'attachement de lafoudre n'est pas statique mais peut se mouvoir surtoute la surface de l'avion - on parle de balayage del'arc électrique de foudre. Face à ce danger, lesavionneurs doivent prévoir de protéger toutes lesparties de l'aéronef d'autant plus que les nouveauxmodèles d'avions en fibre de carbone supportentmoins les dommages thermiques, mécaniques etélectriques causés que leurs prédécesseurs recouvertsd'aluminium. Actuellement, le manque de retourd'expérience ne permet pas de justifier le caractèreprédictif des outils de simulation existants debalayage d'arc électrique. L'objectif de cette thèseest dans un premier temps de reproduire uneexpérience en laboratoire répétable et représentatived'un foudroiement d'aéronef afin de réaliser dans unsecond temps une base de données expérimentale surles grandeurs physiques mesurables du phénomènede balayage dans des situations standardisées. Cettebase expérimentale pourra servir de référence pourdes protections aéronautiques ou pour valider desoutils de simulation.Pour reproduire une expérience représentative dufoudroiement d'un aéronef, un générateur électriquehaute puissance de type Buck capable de reproduireun arc électrique respectant la norme de foudreaéronautique est conçu, réalisé et testé. Des arcs dequelques kV représentatifs de l'onde continue defoudre - une consigne de 400 A pendant 50 ms -sont formés et étirés jusqu'à 1.50 m afin de recréerune colonne d'arc libre. La propulsion de plaquestest de matériau aéronautiques à des vitesses deplusieurs dizaines de m/s est rendue possible par laconception, le développement et la réalisation d'unlanceur électromagnétique de type Railgun: avecun banc de supercondensateurs, l'injection d'uncourant de 25 kA pendant environ 50 ms dans unsystème de rails de Laplace permet de projeter desplaques de quelques centaines de grammes auxvitesses voulues en 2 m d'accélération. Lecouplage du générateur électrique et du lanceurélectromagnétique permet alors la reproduction etl'étude du phénomène de balayage: des mesuresélectriques et des diagnostics optiques par camérasrapides et spectroscopie d'émission permettent deremonter aux grandeurs électriques,hydrodynamiques et thermique de la colonne d'arcen mouvement ainsi que de caractériser ledéplacement du point d'impact sur le matériauaéronautique. Ces mesures et analyses sont aussieffectuées avec soufflerie qui provoque lemouvement de l'arc sur la plaque test fixe enremplacement du Railgun. Ceci permet d'établirune comparaison entre les deux modes dereproduction d'un mouvement relatif arcélectrique/plaque aéronautique.