Interactions de corps proches en écoulements raréfiés – IPROF

Le projet IPROF a pour objectif de caractériser les interactions aérodynamiques de corps évoluant à proximité les uns des autres en écoulements supersoniques et hypersoniques raréfiés. Lorsqu'un object est fragmenté à haute altitude lors de sa rentrée dans l'atmosphère terrestre, les trajectoires des fragments peuvent être fortement influencées par ces interactions. Par conséquent, une meilleure connaissance de ces effets permettra de réduire les incertitudes dans les simulations des trajectoires de rentrée et permettra ainsi une estimation plus précise du risque au sol. Les recherches expérimentales seront menées avec MARHy, la soufflerie hypersonique et raréfiée de l’ICARE, l’une des rares souffleries au monde produisant des écoulements hypersoniques raréfiés (jusqu’à Mach 20, jusqu’à 110 km), couvrant ainsi les régimes de transition et de glissement.

Les interactions aérodynamiques entre plusieurs corps en régime raréfié sont un problème récurrent qui survient lors de la rentrée dans l’atmosphère terrestre ou lors d’un vol balistique à haute altitude. Ces phénomènes se produisent dans un large éventail de situations, tant naturelles que pour celles créées par l'homme. Des exemples typiques de problèmes à étudier sont: la désorbitation des débris spatiaux (lors d'une rentrée contrôlée ou non contrôlée); la fragmentation des météoroïdes en plusieurs corps; la séparation des étages du lanceur; la libération d'une charge utile; ou la séparation hypersonique. Par conséquent, l’étude des interactions aérodynamiques entre des corps qui se fragmentent dans des écoulements à grande vitesse présente un grand intérêt dans de nombreux domaines, les cas artificiels étant les situations les plus courantes. Les phénomènes d'interaction aérodynamique ont une influence sur les trajectoires des fragments individuels lorsqu'il évoluent au seint d'un nuage (plus grand) d'objet, car la portance et la traînée des fragments peuvent fortement varier en fonction de la position dans le sillage. On sait que cela a une grande influence sur les champs d'impact à la surface de la Terre. Le champ d'impact est la zone où les objets d'un seul événement d'une rentrée sont dispersés et où les objets peuvent causer des blessures à la population ou des dommages aux bâtiments. De plus, les phénomènes d'interactions aérodynamiques peuvent influer sur le taux de dépôt d'énergie dans l'atmosphère et l'altitude de fragmentation d'un météoroïde lors de sa entrée. Cette libération d'énergie peut provoquer d'importants dégâts au sol.

Afin d'estimer le champ d'impact et/ou l'énergie finale des objets lors de l'impact au sol, les trajectoires des fragments doivent être connues aussi précisément que possible. Le projet IPROF propose de mener des expériences dans une soufflerie raréfiée dotée de capacités uniques pour explorer les interactions aérodynamiques rencontrées avec des écoulements raréfiés à grande vitesse. Ce choix est motivé par le fait que la fragmentation se produit à des altitudes d’environ 80 km, généralement, pour lesquelles le régime d’écoulement est raréfié. Une deuxième motivation est que les interactions aérodynamiques en régime raréfié sont négligées sans savoir si elles sont significatives ou non. L'objectif de ce projet est d'explorer divers scénarios expérimentaux dans une large gamme de nombres de Knudsen (rapport du libre parcours moyen à une dimension pertinente de l'objet) en régime raréfié. Le projet englobe quatre situations expérimentales allant de Mach 4 à Mach 20, couvrant des configurations d'écoulement de plus en plus complexes qui invoquent différents niveaux de raréfaction d'un régime supersonique à hypersonique.

Les résultats de cette proposition contribueront à améliorer les modèles et les simulations numériques des trajectoires à haute altitude, car l’effet de raréfaction n’est pas suffisamment bien compris pour décider de la configuration à prendre en compte ou à négliger.