Etude expérimentale du comportement aérodynamique et optimisation des performances des planeurs hypersoniques dans des écoulements supersoniques et hypersoniques raréfiés

Experimental study of the aerodynamic behavior and performance optimization of hypersonic gliders in rarefied supersonic and hypersonic flows

• Auteur / Autrice : Hugo Noubel
• Direction : Viviana Lago
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/02/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Mazellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Irina Graour, Jean-Luc Vérant, Céline Baranger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Jacquin, Pierre-Henri Maire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Gaz raréfiés, Dynamique des

Écoulement visqueux

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Aérodynamique hypersonique

Aérodynamique

Navettes spatiales

Mots clés libres

Waverider

Supersonique/shypersonique

Écoulements raréfiés

Soufflerie MARHy

Waverider

Supersonic / hypersonic

Rarefied flows

MARHy wind tunnel

Résumé

L’objectif principal de ce travail de thèse est de caractériser expérimentalement l’impact des effets visqueux sur les performances aérodynamiques des planeurs hypersoniques. Cette étude regroupe six écoulements basse pression (de 0,068 Pa à 71,11 Pa) de la soufflerie MARHy, quatre supersoniques (Mach 2 et Mach 4) et deux écoulements hypersoniques (Mach 20). Les maquettes expérimentées sont au nombre de 6 et l’objectif est d’étudier des géométries avec des degrés d’optimisation différents et de comprendre l’impact des effets visqueux sur chacune d’elles. Différents diagnostics ont été utilisés pour mener à bien cette étude : Tout d’abord, une balance aérodynamique a été développée pour pouvoir mesurer les forces de traînée et de portance des différentes configurations. Ensuite, les ondes de choc ont été visualisées à l’aide de visualisation par décharge luminescente. Enfin, une étude de pression pariétale a été menée sur deux planeurs hypersoniques. Ce travail de thèse permet d’établir une large base de données expérimentales sur les planeurs hypersoniques en régime raréfié. Les études de forces ont permis de quantifier l’évolution de la finesse au cours d’une rentrée atmosphérique en fonction du degré de raréfaction (paramètre de Tsien). Pour ce qui est des angles d’attaque, des formulations tenant compte des effets visqueux ont été établies et pourront être utilisées lors de l’optimisation des waveriders à hautes altitudes. Un planeur hypersonique tenant compte de ces données a été testé et est prometteur à haute altitude. Tout au long de cette thèse, les résultats mettent en évidence l’impact des effets visqueux sur les performances aérodynamiques des planeurs hypersoniques.

The main objective of this thesis work is to experimentally characterize the impact of viscous effects on the aerodynamic performance of hypersonic gliders. The study includes six low-pressure flows (ranging from 0.068 Pa to 71.11 Pa) from the MARHy wind tunnel, four supersonic flows (Mach 2 and Mach 4), and two hypersonic flows (Mach 20). A total of 6 models were tested, aiming to study geometries with different degrees of optimization and to understand the impact of viscous effects one ach of them. Various diagnostics were used to carry out this study : Firstly, an aerodynamic balance was developed to measure the drag and lift forces of the different configurations. Next, shock waves were visualized using glow discharge imaging. Finally, a parietal pressure study was carried out on two hypersonic gliders. This thesis work establishes a broad experimental database on hypersonic gliders in the rarefied regime. Force studies have enabled us to quantify the evolution of glide ratio during atmospheric re-entry as a function of the degree of rarefaction (Tsien parameter). As far as angles of attack are concerned, formulations taking viscous effects into account have been established and can be used in the optimization of high-altitude waveriders. A hypersonic glider incorporating these data has been tested and shows promise at high altitude. Throughout this thesis, results have highlighted the impact of viscous effects on the aerodynamic performance of hypersonic gliders.