Experimental implementation and study of the lightning swept-stroke along an aircraft
Etude expérimentale du phénomène de balayage de l’arc électrique lors du foudroiement d’un aéronef
Résumé
: In the domain of aeronautical industry, therisk of lightning strike is taken into account from theconception of the aircrafts as the phenomenonstatistically occurs every 1000 to 10000 flight hours.As this phenomenon involves a lightning channelthat is static in the terrestrial reference frame and anaircraft that can reach a speed of 100 m/s in the takeoff or in the landing phase, there is a displacement ofthe impact area - the arc root - on the aircraft outerskin. This phenomenon is referred to as swept-strokephenomenon. Thus, all the parts of the aircraft areexposed to the risk of direct electric andthermomechanical damages induced by the lightningstrikes. Therefore, it is necessary to understand thephysical mechanisms that drive the displacement ofthe arc root to optimize lightning strike protections.There is a significant bibliography about themodelling of this displacement combiningelectromagnetism and fluid mechanics equations.Though, the existing simulation codes still have notbeen validated by the implementation of anexperimental aircraft simulation that would be struckdown by lightning to create a reference database forthe physical parameters of the phenomenon. ThisPhD thesis aims to reproduce such an experiment andto establish such a reference database.To reproduce a representative experiment of swept stroke, a high power electric generator with a Buckconfiguration and capable to reproduce an electricarc respecting the aeronautical standard lightningwaveform is designed, implemented and tested.Electric arcs of a few kV representative of thecontinuous lightning waveform standard arecreated and elongated until 1.50 m. The propulsionof test samples to speeds of several tens m/s isrealized with the design, development andimplementation of an Railgun electromagneticlauncher: a supercapacitor bank enables theinjection of a current of 25 kA during 50 ms into aLaplace's rails system and so to propel samples ofa few hundred grams to the desired speeds within2 m of acceleration. The coupling of the electricgenerator and the Railgun enables the reproductionand the study of the swept-stroke: electricalmeasures and optic diagnostics through high speedcamera and spectroscopy are implemented tocharacterize the electric, hydrodynamic andthermal behavior of the moving electric arc. Theimpact point displacement is also characterized andanalyzed. These measures and analyses are alsoconducted with a Wind tunnel that provokes thedisplacement of the electric arc on the test sample,replacing the Railgun. From this study, thecomparison between the two modes of relativemotion between the electric arc and the test sampleis established.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)