Développement de nouvelles sources laser pour l’allumage et rallumage en altitude des turboréacteurs

Development of new laser sources for high-altitude ignition and re-ignition of turbojets

• Auteur / Autrice : Martin Maillard
• Direction : Éric Freysz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 08/02/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Degert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bellenoue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gabi-Daniel Stancu, Richard Moncorgé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Turboréacteurs

Allumage laser

Lasers

Mots clés libres

Laser

Allumage

Turboréacteur

Laser

Ignition

Turbojet engines

Résumé

Cette thèse explore le développement de nouvelles sources laser pour l’allumage et le rallumage en altitude de turboréacteur. Le projet LAMA, au coeur de cette thèse, capitalise sur les résultats des projets CALAS et ECLAIR. Il a permis le développement d’une source laser produisant des impulsions de 40 mJ, d’une durée de 1 ns à une cadence de répétition de 100 Hz, avec une qualité modale de M2 = 1, 4. Pour atteindre de telles performances, une étude des effets de lentille thermique et de gain dans un barreau de Nd :YAG a été nécessaire. Elle a mis en évidence l’influence de la longueur d’onde du laser sur sa propagation dans un milieu amplificateur. Ce laser couplé à une tête de focalisation adaptée à une chambre de combustion d’un moteur ARDIEN 3G de Safran HE, a permis la première démonstration d’allumage d’un moteur d’hélicoptère par laser. Afin d’étudier le domaine d’allumage du laser dans différentes conditions de températures et de pressions, des campagnes d’essais ont été réalisées sur le banc MERCATO de l’ONERA. Elles ont mis en évidence l’existence d’une position optimale pour l’allumage laser ainsi que la capacité de ce dernier à fonctionner à froid et en dépression.

This thesis explores the development of new laser sources for ignition and reignition athigh altitudes of turbojet engines. The LAMA project, central to this thesis was built upon the results of the CALAS and ECLAIR projects. It led to the development of a laser source producing pulses of 40 mJ, lasting 1 ns at a repetition rate of 100 Hz, with a beam quality ofM2 = 1.4. To achieve such performance, a study of the thermal lensing and gain effects in an Nd :YAG rod was necessary. It highlighted the influence of the laser wavelength on its propagation in an amplifying medium. This laser, coupled with a focusing head adapted to a combustion chamber of an ARDIEN 3G engine from Safran HE, demonstrated the world first helicopter engine ignition by laser. To study the laser ignition domain under different temperature and pressure conditions, test campaigns were conducted on the ONERA MERCATO test bench. They revealed the existence of an optimal position for laser ignition as well as its ability to function in cold and low pressure conditions.