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3. PROPULSION ET ÉNERGÉTIQUE
La propulsion, en termes de performance pure
et d’efficacité énergétique, est essentielle car elle
conditionne significativement la mobilité et le
rayon d’action des plateformes militaires. Basé sur
des transferts thermodynamiques et énergétiques,
les systèmes de propulsion classiques (moteurs à
propergols solides, statoréacteur, turbomachines,
systèmes hybrides) impliquent la maitrise des
écoulements réactifs. L’exploitation de nouvelles
sources d’énergie, les mécanismes de transferts
énergétiques et leurs rendements sont également
des enjeux de balistique interne des systèmes
d’armes.
Les écoulements réactifs, généralement turbulents
et instationnaires, sont par nature multiphasiques
et multi-fluides et peuvent incorporer des carburants
multi-composants; par rapport à des fluides
inertes, l’évolution des différentes espèces au cours
de la combustion nécessite une modélisation complexe.
L’amélioration des modèles multi-échelles et
multi-physiques de la combustion des propergols et
de la simulation numérique des écoulements réactifs
(approches lagrangiennes, statistiques) sont des
enjeux actuels pour maitriser les conséquences de
l’utilisation de carburants appauvris ou alternatifs
(biocarburants, carburants multi-espèces, carburants
d’opportunités, charges micro ou nanométriques)
nécessitée par des contraintes opérationnelles,
la volonté de réduction des consommations
ou des rejets dans l’environnement. Ces questions
impliquent également de traiter d’aspects plus technologiques
(injection des carburants, atomisation
et optimisation des mélanges, allumage et stabilisation
des flammes, lutte contre les effets acoustiques)
et de développer, dans des environnements souvent
difficiles pour l’instrumentation, des capacités à
déterminer la cartographie spatio-temporelle de la
composition des mélanges réactifs (capteurs et traitements
associés).
Les incendies et leur propagation sont également
des préoccupations essentielles, notamment pour la
sécurité à bord des bâtiments : feux en milieu confiné
mais aussi feux de nappe, feux de végétation.
Malgré des progrès certains, la prise en compte des
moyens de lutte par arrosage ou par brouillard d’eau
dans les outils de simulation est encore très imparfaite.
La modélisation et la simulation des explosions
constituent clairement un axe de recherche très
important pour la défense et la sécurité. Des phénomènes
physiques comme la transition déflagration-détonation
sont ainsi des enjeux actuels de
recherche. Des campagnes expérimentales délicates
sont également nécessaires pour qualifier
les performances des explosifs. Enfin, la sûreté de
fonctionnement des munitions, notamment dans
un contexte embarqué, nécessite la plus grande des
maitrises.
Comme pour les écoulements de fluides inertes, la
problématique du contrôle est importante, notamment
pour la combustion, pour laquelle l’utilisation
des plasmas est une voie prometteuse; d’autres
applications intéressantes des procédés plasmas
concernent la propulsion ionique, la dépollution ou
la stérilisation du milieu. Comme souvent les progrès
réalisés sont incrémentaux et l’atteinte des limites
d’un concept propulsif se traduit par une butée
de performance, qui ne peut être franchie que
grâce à une rupture technologique. Celle-ci peut
provenir de l’utilisation d’effets physiques peu exploités
(exemple des plasmas), mettre en œuvre de
nouveaux cycles thermodynamiques, utiliser des
sources d’énergies nouvelles dont il faut étudier le
transfert énergétique, venir de nouveaux concepts
d’architecture propulsive.
4. COUPLAGES ET APPROCHES
MULTIPHYSIQUES
Les orientations décrites ci-dessus présentent des
enjeux relativement propres à chacune des disciplines.
En réalité les phénomènes physiques sont
souvent dépendants les uns des autres voire en interaction
forte, ce qui nécessite alors une approche
couplée (décrochement dynamique d’une pale
d’hélicoptère, fouettement de la poutre navire, perforation
d’un blindage…) ; par ailleurs, ces mêmes
phénomènes peuvent avoir des conséquences pour
d’autres applications d’intérêt défense et leur étude
est susceptible de fournir des données d’entrées.
La conception d’une structure résistante exige la
connaissance précise des sollicitations auxquelles
elle est soumise: celle-ci résulte typiquement d’une
modélisation des écoulements de fluides, des transferts
thermiques sur les parois, des chocs solide-solide
ou encore des ondes de choc suite à une explosion…
Elle nécessite, dans des configurations de
structure allégée ou pour des sollicitations de fort
niveau, de prendre en compte le couplage fluidestructure
(aéroélasticité, hydroélasticité). Pour les
systèmes réactifs ou les écoulements générant de
forts échauffements, le couplage entre les équations
de la mécanique des fluides et de la thermique dans
les solides est indispensable. Inversement, la dégradation
du matériau influe sur les écoulements et
peut par exemple compromettre la stabilité de route
d’un engin.
La détermination des sources thermiques à bord
des engins et de leurs sillages (motorisation, échappements
des gaz de combustion, zones d’échauffements)
est importante pour la maîtrise de leurs
signatures infrarouges et/ou impacts environnementaux.
La quantification des niveaux de rayonnement
thermique est une donnée d’entrée intéressant
les concepteurs de systèmes de vision infrarouge
(domaine « Photonique »). Sont donc à améliorer les
techniques de refroidissement (injection de fluide ou
gaz divers, modélisation des échanges thermiques)
qui s’inscrivent dans la problématique des écoulements
multiphasiques.
De nombreux phénomènes physiques couverts par
le domaine « Fluides, Structures » s’accompagnent
de bruit et sont à l’origine d’indiscrétion acoustique.
On pense aux bruits d’écoulements suscep-
Domaine 2
POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION 2010 - ORIENTATIONS 2011-2012 25