Imagerie rayons X dynamique en contraste de phase pour l'analyse de la foudre – DyXPLAY

Le remplacement de l’aluminium par des composites à fibres de carbone (CFRP) dans l’industrie aéronautique s’inscrit dans une démarche d’aviation durable. Or comparé à l’aluminium, les CFRP ont une conductivité thermique et électrique plus faible, produisant un endommagement thermomécanique plus sévère en cas d'impact de la foudre. Pour protéger un aéronef en CFRP contre la foudre, une stratégie consiste à durcir les structures aéronautiques. Cela nécessite d’instrumenter les essais foudre selon trois contraintes : i) le capteur/instrument doit être isolé électriquement du banc d’essai ; ii) injecter dans une structure, via un arc électrique, un courant de 100 kA pendant 200 µs est destructeur et exige d’acquérir un jeu de donnée auto-suffisant à chaque tir ; iii) les phénomènes thermomécaniques engendrés se déroulent sur l’échelle de la microseconde à la milliseconde. Ces contraintes imposent de travailler avec des caméras rapides qui fonctionnent dans le visible, là où les structures sont opaques et l’arc de foudre est très lumineux. Ainsi, on n’aborde que de manière indirecte l’endommagement à cœur lié à l’agression foudre. Pour y accéder directement, on a récemment mis en évidence pour la première fois le potentiel de l’imagerie X en contraste de phase (X-ray Phase Contrast Imaging) combinée à la technique d’interférométrie à décalage multilatéral de l’ONERA (IDML) pour caractériser des CFRP foudroyées sur le banc foudre de l’ONERA (analyse post-mortem). L’XPCI-IDML permet, en une seule prise d’image, de décorréler l’information d’atténuation et de phase et de mettre en évidence des endommagements de nature différente.
Dans ce projet, on propose de franchir les étapes nécessaires à la réalisation d’un banc de laboratoire XPCI-IDML, mais cette fois dynamique (> 500 kHz) pour caractériser en temps réel, sur le banc d’essais foudre de l’ONERA, l’explosion des protections et l’endommagement à cœur. La difficulté réside dans la haute cadence, où la réduction du temps de pose augmente le bruit de mesure. Pour remonter à une information de qualité suffisante, le défi sera donc de développer des méthodes d’extraction de phase innovantes. Pour cela, on simulera l’image XPCI-IDML du foudroiement en utilisant le modèle d’imagerie développé au CEA. Les paramètres de la scène (densité, température, pression...) seront issus des modèles de simulation de l'ONERA qui fournissent une description qualitative de la magnéto-hydrodynamique de l'arc de foudre, de l'explosion de la protection foudre et de l'endommagement à cœur du composite. Les images XPCI-IDML simulées seront comparées à des images XPCI-IDML expérimentales, réalisées sur banc de référence (laboratoire ou synchrotron), d’échantillons caractéristiques et de phénomènes d’endommagements canoniques. Cela permettra d’ajuster les modèles pour réduire le nombre d'information a priori sur la scène de foudroiement et améliorer les images XPCI-IDML estimées. Grâce aux outils plus prédictifs, il sera possible d'optimiser la chaîne d'acquisition numérique, de développer des algorithmes avancés de reconstruction de phase et de guider les développements expérimentaux. Une approche itérative entre les images XPCI-IDML simulées, les images XPCI-IDML expérimentales et l'optimisation des algorithmes de reconstruction de phase sera faite pour tendre vers les conditions d'acquisition à haut taux de répétition. Ces travaux permettront de définir précisément le banc statique et dynamique qui répondra au mieux aux enjeux du durcissement des structures aéronautiques carbone face à la foudre.