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MÉTHODES DE MESURE DES PARAMÈTRES DES PLASMAS DE RENTRÉE
J. Taillet
To cite this version:
J. Taillet. MÉTHODES DE MESURE DES PARAMÈTRES DES PLASMAS DE RENTRÉE. Journal de Physique Colloques, 1977, 38 (C3), pp.C3-99-C3-110. �10.1051/jphyscol:1977311�. �jpa-00217099�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C3, supplément au no 8, Tome 38, Août 1977, page C3-99
MÉTHODES DE MESURE DES PARAMÈTRES DES PLASMAS DE
RENTRÉEJ. TAILLET (*)
Office National d7Etudes et de Recherches Aérospatiales (O.N.E.R.A.) 92320 Châtillon, France
Résumé. - La distribution en densité et température du plasma qui apparaît dans la couche de choc entourant une capsule en cours de rentrée dans l'atmosphère est calculée à partir d'un pro- gramme de calcul de cinétique chimique couplée aux équations de l'aérodynamique.
Un tel calcul comporte toujours des hypothèses relatives à la validité de certaines approximations et à la valeur de certaines constantes de base. Seule une expérience en vol peut permettre de vérifier ces hypothèses. Cet article décrit l'expérience en vol Electre, destinée à mesurer au cours d'une rentrée balistique la distribution de la densité de plasma autour d'une capsule. Une telle expérience a permis de vérifier la validité de la plupart des hypothèses du calcul prévisionnel, à l'exception d'une approximation traditionnelle qu'il convient de remplacer par une hypothèse plus réaliste.
Abstract - Plasma density and temperature distributions in the shock layer, in the vicinity of a blunt body during atmospheric reentry, are calculated using a computing programme where che- micd kinetics is coupled to aerodynamics.
Such computation is based on assumptions related to the validity of some approximations and to the value of some reaction constants. To verify these assumptions, the only way is to perform in flight measurements. This article describes the Electre experiment, carried out by ONERA in France, with a view to measuring the real electron density distribution in the shock layer of a reentry capsule. This experiment has confirmed the validity of the majority of the assumptions used in the previsional computation and modified the choice of an important approximation.
1. Introduction. - La rentrée dans l'atmosphère de véhicules supersoniques pose de nombreux pro- blèmes dans les domaines de la mécanique du vol, du transfert thermique et des radiocommunications.
La capsule décrivant une trajectoire de rentrée balistique, orbitale ou planétaire, possède une vitesse respectivement de l'ordre de 5 000 m/s, 8 000 m/s et 11 000 m/s, c'est-à-dire une énergie cinétique respectivement de 12, 32 et 60 MJ/kg. Or, sa vitesse à l'arrivée doit être très faible ; c'est donc la traversée de l'atmosphère qui absorbe cette énergie cinétique.
Comme il suffit de 1 MJ pour élever de plus de 1 000 OC la température d'un kilogramme de métal, on doit choisir une configuration telle que cette énergie se retrouve presque intégralement dans l'écoulement autour de la capsule où elle provoque échauffement, transformations chimiques, dissociation, excitation et ionisation [l]. Cette configuration est celle du corps émoussé. L'aérodynamique nous enseigne que, dans ce cas, l'onde de choc de rentrée est détachée et la traînée importante, contrairement au cas du corps élancé, qui possède une traînée plus faible, mais à la pointe duquel reste attachée l'onde de choc et qui subit de ce fait des contraintes thermiques destruc-
(*) Directeur Scientifique de la Physique Générale.
Couche de choc Percée
W u C h e limite
\
Sillase visqueuxFIG. 1. - Configuration aérodynamique correspondant à la rentrée d'un corps émoussé.
trices. La configuration aérodynamique correspondant à la rentrée d'un corps émoussé est représentée figure 1.
On distingue sur cette figure l'onde de choc (ou front de choc) et la couche de choc à enthalpie élevée, où se forme le plasma qui s'écoule parallèlement aux génératrices du corps de rentrée pour former le sillage d'entropie. La viscosité du gaz entraîne l'existence d'une couche limite également ionisée et parfois polluée par des produits d'ablation, qui alimente au culot de la capsule une zone de décollement et plus loin le sillage visqueux.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1977311
C3-100 J. TAILLET
Nous ne traiterons pas, dans cette étude, des phénomènes relatifs au sillage et nous concentrerons notre attention sur le plasma de la couche de choc.
C'est en effet ce plasma qui, interposé entre les émet- teurs radio-électriques de bord et les stations d'écoute au sol, provoque pendant la rentrée une gênante interruption des communications (black-out) [2]. C'est également lui qui alimente le sillage et c'est de sa détermination que doit partir l'étude du sillage ionisé, étude pouvant intéresser les radaristes en quête de signature de rentrée d'engins, de capsules habitées ou de météorites naturels.
Outre son intérêt dans le cadre de ces applications, le domaine des plasmas de rentrée possède des caracté- ristiques séduisantes pour le physicien des gaz.
L'onde de choc constitue une perturbation brutale à partir de laquelle le gaz s'écoule en relaxant. Tous les problèmes liés aux écarts à l'équilibre thermo- dynamique se retrouvent dans la couche de choc, qui réalise l'étalement spatial d'états successifs d'une population perturbée par le choc. La complexité des réactions élémentaires (voir Tableau 1) pourrait conduire aux plus grandes difficultés si certaines réactions ne jouaient pas, dans certains domaines de paramètres, un rôle prépondérant et si leurs constantes cinétiques n'étaient pas relativement bien connues.
Une rentrée donnée se caractérise par une trajec- toire dans un plan altitude-vitesse. La figure 2 repré-
FIG. 2. - Couloirs type de rentrée balistique, orbitale et planétaire.
A droite de la courbe 1, la recombinaison à trois corps l'emporte sur la recombinaison dissociative; au-dessous de la courbe 2, le rayonnement joue un rôle important et l'écoulement n'est plus
adiabatique.
sente les trajectoires typiques de rentrées balistiques (expériences Electre de I'ONERA, expérience RAM de la NASA), orbitales (Mercury et Gemini) et planétaires, en même temps que de grandes zones caractérisées par l'absence ou la présence d'effets radiatifs importants pour la thermodynamique des gaz ionisés et par la nature des principaux mécanismes de recombinaison (à deux corps ou à trois corps).
On voit ainsi que la physique de la rentrée planétaire est très différente de celle de la rentrée balistique.
Dans le domaine de rentrée balistique, le plus facile- ment accessible à l'expérimentation et que nous avons
donc choisi d'étudier, l'ionisation est essentiellement provoquée par la réaction
où N et O sont produits par dissociation.
On retrouve cette particularité dans la figure 3 qui indique la concentration relative des différentes espèces à l'équilibre thermodynamique en fonction de la température : il apparaît qu'aux températures les plus basses l'ion prépondérant est bien l'ion NO+.
La recombinaison s'effectuera par la réaction inverse (recombinaison à deux corps dissociative) sous l'effet du refroidissement.
FIG. 3. - Concentration relative des différentes espèces de l'air à l'équilibre thermodynamique. (Extrait de la référence [l].)
Cette observation ne permet que de déceler une tendance car le plasma n'est pas en équilibre thermo- dynamique. On peut le voir par les considérations suivantes [l].
En raisonnant dans le système de référence lié à la capsule, on peut montrer que l'énergie cinétique du gaz avant le choc se retrouve presque entièrement sous forme d'enthalpie après le choc ; par conséquent, sa température croit brusquement. La rapidité de cette transformation fait que seuls les degrés de liberté de translation et de rotation sont excités ; la chaleur spécifique à pression constante est alors
S
R. Pour une rentrée à 5 kmls, Tatteint alors 12 000 K.Au bout d'un temps caractéristique, les degrés de vibration sont excités et la chaleur spécifique devient R, la température tend vers 9 300 K (sans détente).
La dissociation et l'ionisation sont excitées ensuite et le gaz voit sa température baisser encore (Fig. 4).
Ceci explique que le maximum de densité électronique ne soit pas provoqué au nez de l'engin, où la tempé- rature de translation est maximale, mais plus loin (Fig. 5). Pour de petits engins, l'abscisse curviligne de ce maximum est supérieure aux dimensions : la densité croît régulièrement du nez au culot.
La densité d'équilibre n'est donc pas celle que l'on calcule à l'équilibre thermodynamique. Elle n'est pas non plus égale à celle qui résulterait du figeage de toute réaction chimique après une mise en équilibre thermodynamique aux conditions aval de l'onde de choc. Les valeurs de densité correspondant à ces
MÉTHODES DE MESURE DES PARAMÈTRES DES PLASMAS DE RENTRÉE
FIG. 4. - Evolution en fonction du temps ou de l'abscisse curviligne de la température de translation d'un gaz moléculaire soumis à un choc à nombre de Mach élevé. (Extrait de la référence [l].)
I r -
1,7
=
FIG. 5. - Evolution de la densité électronique le long d'une ligne de courant autour d'une capsule en cours de rentrée. Ne = densité électronique ; T = température de translation ; U , = vitesse de la capsule ; 1, = libre parcours moyen ; Ne, = densité électronique à l'équilibre thermodynamique; Te, = température à l'équilibre thermodynamique ; S = abscisse curviligne le long de la ligne de
courant. (Extrait de la référence [3].)
deux hypothèses simplificatrices définissent une « four- chette » de plusieurs ordres de grandeurs, donc trop imprécise. Par ailleurs nous avons vu que le déséqui- libre qui suit le choc ne disparaît qu'au bout d'un certain temps ; les valeurs réelles au voisinage du nez de la capsule sont donc en dehors de cette four- chette. L'insuffisance des hypothèses simplificatrices est illustrée par la figure 6, relative à la rentrée des capsules Gemini [3]. Il est donc essentiel, si l'on veut faire une prévision correcte de la distribution de densité de l'écoulement de plasma autour du corps de rentrée, d'avoir recours aux équations de la ciné- tique chimique. Ces équations seront couplées aux équations aérodynamiques et thermodynamiques caractérisant l'écoulement et l'ensemble du système devra satisfaire à des conditions aux limites bien choisies le long du corps de rentrée.
2. Nécessité d'une méthode expérimentale. - Les équations de la cinétique chimique relatives aux
vitesse (km/s) altitude ( k m )
FIG. 6. -Valeur de la densité électronique au droit des antennes d'une capsule Gemini, en fonction de la vitesse et en fonction de l'altitude. Comparaison entre les valeurs fournies par un calcul complet de cinétique chimique avec les résultats obtenus par les approximations d'équilibre thermodynamique et d'écoulement figé.
(Extrait de la référence [3].)
Processus élémentaires de la rentrée &ns l'atmosphère TABLEAU 1.1
Dissociation 0,
+
M * 2 0+
M N 2 + M * 2 N + M N O + M * N + O + MEchange N 2 + 0 2 * 2 N 0
0 + N 2 * N O + N N O + O * N + O z
TABLEAU 1 . 2
Ionisation par choc d'espèces neutres N + O * N O + + e
N + N * N S + e O + O * O S + e
N O + M * N O f + e + M O , + M * O S + e + M
N + M * N + + e + M TABLEAU 1.3
Ionisation par choc électronique N O + e * N O + + e + e
N , + e * N ; + e + e O + e * O + + e + e O 2 + e * 0 2 + $ . e + e
N + e * N + + e + e
J. TAILLET
Echange de charge
réactions du tableau 1 ont des vitesses de réaction publiées dans la littérature et qui sont connues avec une précision plus ou moins grande. Le couplage avec les équations de l'aérodynamique exige quelques simplifications, dont on montre qu'elles sont admis- sibles sans erreur dépassant quelques pour cent.
On suppose par exemple que la géométrie de l'écoule- ment est la même que celle d'un gaz réel à l'équilibre thermodynamique et que l'incidence de la capsule est nulle. On suit alors, dans les tubes de courant ainsi définis, l'évolution des espèces chimiques. Le pro- gramme Courli [20], élaboré avec l'aide de l'Institut Franco-Allemand de Saint-Louis à partir d'un pro- gramme monodimensionnel établi par le Corne11 Aeronautical Laboratory, procède en intégrant les équations de cinétique chimique le long d'éléments de tube de courant à section constante où le gaz évolue à dynalpie constante avec, à leurs extrémités, des discontinuités isentropiques de pression pour satisfaire à la distribution imposée. La détermination des concentrations des espèces résulte d'un bilan qui tient compte des taux de production et de dis- parition, eux-mêmes liés aux températures de trans- lation, de rotation, de vibrations et d'excitations des différentes espèces. Ces considérations montrent que les bilans de densité et les bilans d'énergie sont constamment liés ; le calcul est rendu praticable par l'introduction d'hypothèses simplificatrices, comme celle qui fixe par exemple la valeur de la température électronique, qui n'est pas calculée mais qui est prise a priori, dans les calculs classiques, égale à la tempé- rature des neutres.
La discussion détaillée des hypothèses de ce calcul n'étant pas l'objet de cet article, nous nous contente- rons ici de remarquer que la seule façon de préciser la valeur des constantes de la cinétique chimique et d'établir le bien-fondé des hypothèses simplificatrices consiste à réaliser une expérience de mesure de la distribution de densité du plasma de rentrée corres- pondant aux conditions précises du calcul [4].
Avant de passer à l'examen de cette expérience, indiquons rapidement quelques résultats significatifs de la prévision théorique relatifs à la capsule de rentrée Electre qui sera définie au paragraphe 5 [21].
La figure 7 donne l'évolution à 60 km d'altitude le long d'une ligne de courant située à environ 3 cm du corps de rentrée, de la température de translation, de la température de vibration de l'oxygène et de la température de vibration de l'azote. On constate un grand retard dans l'excitation vibrationnelle de
FIG. 7. - Evolution de la température de translation et des tempé- ratures de vibration de l'oxygène et de i'azote, à 60 km d'altitude, le long d'une ligne de courant située à environ 3 cm de la surface de la capsule Electre en cours de rentrée. (Extrait de la référence [21].)
l'azote, dont la température reste élevée au voisinage du culot.
La figure 8 donne la répartition des espèces à moins d'un centimètre du profil, à 45 km. La figure 9 compare la distribution électronique trouvée, sur la même ligne de courant, avec les distributions obtenues avec les hypothèses simplificatrices d'équilibre thermo- dynamique et d'écoulement figé. Enfin la figure 10 montre, sur une ligne de courant située à 8 cm du corps, la sensibilité de la densité à la vitesse de l'écoulement.
FIG. 8. - Evolution des espèces neutres et ionisées, à 45 km d'alti- tude, le long d'une ligne de courant située à environ 1 cm de la surface de la capsule Electre en cours de rentrée. (Extrait de la
référence [21].)
Ce calcul a été complété par la suite en tenant compte :
- de la diffusion ambipolaire des électrons vers la paroi métallique de la capsule 151,
- de la présence de la couche limite aérodyna- mique d'abord par son effet de déplacement puis
MÉTHODES DE MESURE DES PARAMÈTRES DES PLASMAS DE RENTRÉE c3- 103
FIG. 9. -Comparaison des résultats du calcul précédent, pour la densité électronique, avec les résultats obtenus en supposant l'équi- libre thermodynamique ou l'écoulement figé. (Extrait de la réfé-
rence [21].)
FIG. 10. -Influence de la vitesse de rentrée sur la densité électro- nique obtenue à 45 km d'altitude, le long d'une ligne de courant située à 8 cm de la capsule Electre. (Extrait de la référence [21].)
par son influence sur les concentrations : ce dernier perfectionnement a été l'œuvre de la SNIAS et est intégré aux progrqmmes de calcul de cette société.
3. Impossibilité de résoudre le problème par simu- lation au sol. - Le succès des méthodes de simulation en soufflerie dans le domaine de l'aérodynamique suggère l'examen des possibilités de simulation au sol de la rentrée. En réalité cette simulation est impossible et seule une expérience en vol en vraie grandeur permettra de résoudre le problème. En effet, une vérification de la théorie exige que l'on simule l'en- semble des phénomènes physico-chimiques. Il faudra donc reproduire au sol la composition chimique et les vitesses de rentrée. Il faudra par ailleurs conserver les dimensions si l'on veut fournir à la cinétique chimique la même échelle de temps (Fig. 11). Or, il n'existe aucune possibilité d'obtenir en soufflerie à la fois l'enthalpie et la pression génératrices ainsi que la dimension de veine nécessaires à cette simu- lation en vraie grandeur.
Est-ce à dire que la simulation n'a aucune utilité ? Non, car il sera toujours possible d'éclaircir, en soufflerie, certains aspects partiels du problème et, par exemple, d'abord de préparer sur le plan métro- logique l'expérience en vol et ensuite de contrôler
FIG. 1 1. - Influence des dimensions du corps de rentrée sur la densité électronique obtenue, pour une même vitesse de rentrée, le long d'une ligne de courant déterminée. (Extrait de la référence [9].)
la validité des méthodes de calcul dans les conditions particulières de la simulation pour aider son inter- prétation ; mais il faudra, pour que cette simulation puisse conduire à des résultats utilisables, avoir recours à des maquettes ayant le facteur d'échelle le plus voisin possible de l'unité.
L'ONERA a construit une soufflerie à arc élec- trique (hot shot) permettant d'obtenir pendant une durée d'environ 80 ms un écoulement d'azote ou d'air à un nombre de Mach voisin de 16 reproduisant les conditions de rentrée balistiques à une altitude comprise entre 80 et 40 km. Une veine d'expérience, de diamètre égal à 150 cm dans sa version finale, permet d'étudier des maquettes à l'échelle 113 de capsules scientifiques de rentrée. Cette soufflerie était, au cours de cette expérimentation, alimentée à partir du réseau à haute tension de l'EDF à Fontenay- aux-Roses ; elle consommait en quelques centièmes de secondes une énergie d'environ 5 MJ, employée à chauffer dans une chambre de compression du gaz à une température peu inférieure à 10 000 K et à le porter à une pression de 1 000 bars afin d'obtenir après détente un domaine de simulation allant jusqu'à 6 000 m/s. La chambre est reliée à une tuyère, occultée par un bouchon explosif que l'on fait sauter à un instant choisi après le passage de l'arc pour per- mettre la décroissance des phénomènes électriques perturbateurs qui lui sont associés : la tuyère s'amorce et fournit un écoulement hypersonique qui traverse une chambre de mesure dans laquelle est disposée la maquette de la capsule étudiée (Fig. 12). La mise au point de cette installation a conduit à perfectionner les techniques destinées à éviter la pollution du gaz à haute température et à améliorer le rendement de la chambre de compression (traitement des parois intérieures par revêtement d'alumine de 1 mm d'épais-
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chombre chombre de veine 0 150cm
O a r c mesure ovec
tuyere,
-
moquette C O ~ S S O ~ , ~ videhyperfréquences
1 L
sondes ~ ~ e c t r o r l o t i g u e s mesures et de pressions FIG. 12. -Schéma simplifié de la soumerie à arc de I'ONERA àFontenay-aux-Roses.
seur projetée à l'aide d'un chalumeau à plasma) [6,71.
Dans une telle soufflerie, contrairement à ce qui se passe dans le cas de la rentrée réelle, l'écoulement amont reste légèrement ionisé, mais d'une façon peu significative par rapport aux densités produites dans la couche de choc (IO7 à 10" cm-3 correspond res- pectivement à 10'' à 10" pour la couche de choc) [8].
Une des utilisations les plus importantes de cette soufflerie à arc est la préparation d'une expérience en vol. Nous reviendrons sur ce point après avoir décrit le principe de l'expérience en vol que les équipes de l'ONERA ont décidé de réaliser. Une discussion complète des possibilités de la souMerie dans le domaine de la simulation de la rentrfx a été présentée par J. Dorey [9].
4. Principe des essais en vol. -La mesure locale des caractéristiques électroniques (densité et tempé- rature) des plasmas de rentrée peut se faire par sondes de Langmuir, ou mieux en utilisant les sondes triples qui fournissent pour une distribution maxwellienne à la fois la densité et la température. Cependant, si ces sondes constituent un diagnostic précieux en soufflerie [IO, 11, 121, elles sont relativement mal adaptées aux essais en vol par suite de leur fragilité en ambiance thermique.
Il faut donc abandonner l'idée de faire des mesures ponctuelles et recourir aux méthodes utilisant l'inter- action ondes-plasma qui ont l'avantage d'être non obstrusives. L'instrument de base d'une telle mesure est donc le générateur UHF ou- hyperfréquence embarqué sur la capsule.
Un procédé de ce genre a été utilisé par la NASA au cours de la série des expériences de rentrée RAM qui ont été réalisées en 1967 et 1968 [4]. La méthode employée est la réflectométrie [13] ; on sait qu'en utilisant plusieurs fréquences on peut, par ce procédé, accéder à la densité maximale du plasma situé en face de l'aérien, cornet ou fente, émettant les ondes électromagnétiques ; une réflexion sur le plasma devenu surdense se traduira par une augmentation soudaine du taux d'ondes stationnaires de la ligne reliant le générateur à l'aérien. En disposant tout le long du corps de la capsule plusieurs aériens enchâssés dans la peau de l'engin, on peut ainsi avoir
une description de la distribution du plasma dont la précision croit avec le nombre d'antennes et le nombre de fréquences utilisées. Cependant, cette méthode est mal adaptée à une étude précise de la distribution transversale de la densité. C'est pourquoi I'ONERA a eu recours à une méthode plus élaborée, qui consiste à étudier la transmission des ondes à travers la couche de choc.
La méthode par transmission permet d'analyser avec une bonne précision, comme nous allons le montrer plus loin, les distributions longitudinales et transversales de la densité de plasma autour du corps de rentrée. Son inconvénient est lié à la nécessité de disposer de récepteurs au-delà du plasma créé dans la couche de choc. Or, il n'est pas possible de disposer ces récepteurs à proximité de la capsule ; mais si leur sensibilité est suffisante, rien ne s'oppose à ce qu'ils soient répartis au sol sur une vaste zone en vue directe du phénomène de rentrée, de telle façon que les rayons vecteurs antenne d'émission-antenne de réception balayent des portions caractéristiques des différentes zones de la couche de choc (Fig. 13).
FIG. 13. - Description schématique de l'opération Electre. Les émetteurs sont embarqués sur la capsule, et les récepteurs répartis
le long de la côte des Landes.
Cette opération est facilitée par une mise en rotation de la capsule autour de son axe. On pourra ainsi reconstituer, moyennant une restitution précise de position et d'attitude de la capsule, les modifications dues au plasma dans la forme des diagrammes de rayonnement des antennes embarquées et, par consé- quent, la distribution de densité électronique ne.
MÉTHODES DE MESURE DES PARAMÈTRES DES PLASMAS DE RENTRÉE c3-10s
La comparaison des résultats obtenus par l'expérience
w
. . javec ceux du calcul permettra ensuite de choisir la meilleure hypothèse concernant la valeur de la tempé- rature électronique Te.
5. Méthodologie des essais en vol. - Dans ce para- graphe, sont décrites les méthodes employées par I'ONERA pour réaliser les expériences en vol Electre, relatives à la détermination des paramètres du plasma de la couche de choc autour d'une capsule de rentrée.
Ces expériences ont donné lieu à deux tirs réussis le 23 février 1971 et le 12 mars 1972 [14].
RENTRÉE. - Les dimensions de la capsule de rentrée résultent d'un compromis entre l'efficacité (nécessité d'avoir des dimensions suffisantes pour laisser à la relaxation le temps de s'établir) et le coût (limiter la masse embarquée afin de pouvoir utiliser un porteur de prix accessible). Pour la même raison, on a choisi une trajectoire balistique, avec rentrée entre 4 000 et 5 000 m/s.
Pour éviter les problèmes posés par la pollution de l'écoulement (accroissement de l'ionisation due aux ions métalliques ou diminution de l'ionisation par certains produits d'ablation) on a choisi une tête de rentrée en cuivre, qui joue le rôle de puits de chaleur pendant la période significative de l'expérience -
entre 65 et 35 km. Le profil de la capsule est donné par la figure 14 : le nez est hémi-sphérique, d'environ
CAPSULE ELECTRE A'
I
380 b B ~rI.es UHF
POSITION de. ANTENNES .HYPERFi!EQUENCE'e UHF -4.83 GHz
FIG. 14. -Capsule Electre. A, B, C, D : position des antennes hyperfréquences. Les antennes UHF sont représentées par les cou-
,pures perpendiculaires a l'axe de la capsule.
20 cm de diamètre ; cette sphère se raccorde à une jupe tronconique en titane ; le diamètre de la capsule au culot est de 46 cm ; sa longueur hors tout est d'environ 2 m. On voit sur le cliché de la figure 15 l'ensemble de la capsule. Les pastilles d'alumine apparentes sur ces photos recouvrent les antennes hyperfréquences ; les couronnes d'alumine visibles sur le cliché maté- rialisent des coupures de la continuité électrique de la peau de la capsule ; les lèvres de ces coupures consti-
FIG. 15. - Capsule Electre. On remarque sur le cliché les antennes UHF et hyperfréquence.
renferme un équipement électronique complexe, est de 130 kg.
Au cours du 2e tir Electre, cet équipement électro- nique mesurait et retransmettait au sol 71 paramètres dont 11 technologiques et 60 scientifiques. Ces derniers sont essentiellement :
- les différentes puissances fournies aux antennes, - les puissances réfléchies,
- les impédances complexes dans différentes antennes d'émission.
Les mesures technologiques permettent de sur- veiller l'ambiance (pression de la capsule et tempéra- tures des appareillages), de repérer l'incidence, de surveiller l'exécution des ordres, de mesurer les accélérations et enfin de restituer l'attitude de la capsule.
Le porteur capable de réaliser l'expérience est la fusée Tibère, de 14 m de haut, formée d'un premier étage BER à pilotage par propulseurs auxiliaires, d'un second étage BER identique au précédent mais stabilisé par un ensemble de quatre empennages, et d'un troisième étage du type utilisé pour le lanceur Diamant A (Fig. 16). Ce lanceur comporte une case d'équipement portant divers dispositifs mécaniques et électroniques, dont le système de pilotage à jets de
tuent des antennes UHF. Le poids lie la~capsule, qui FIG. 16. - Lanceur Tibère sur sa rampe.
C3- 106 J. TAILLET
gaz CASSIOPEE, capable de faire basculer et de pointer vers le sol le troisième étage avant l'allumage des impulseurs de mise en rotation et du propulseur principal.
En effet, si le porteur Tibère en condition de vol normale est capable de hisser, par exemple, une charge de 100 kg à plus de 2 000 km d'altitude, il peut aussi être utilisé pour porter à 150 km d'altitude la masse d'environ 900 kg du troisième étage et de la pointe scientifique et, après basculement grâce au système CASSIOPEE, pour accélérer, par allumage du troi- sième étage, l'ensemble vers le sol, reproduisant ainsi les conditions de rentrée balistique de la capsule après extinction et séparation du troisième étage. Cette méthode a l'avantage de diminuer considérablement la dispersion du point de chute, augmentant ainsi de façon appréciable à la fois la sécurité de l'expérience et la facilité du pointage des stations de réception au sol vers la capsule (Fig. 17).
échelonnées depuis le voisinage du nez de l'engin jusqu'à son culot.
Les chaînes d'émission ont été réalisées sur cahier des charges ONERA, par le CNET (Fig. 18).
FIG. 1 S. - Chaîne d'émission a 2,33 GHz.
42 (km) Mise à feu impulseurs roulis case à équipements
site sur rampe : 84"
Engin repointé pon& : 120 km
\
Début du et repointage
' "
f
Fin de propulsion étage 3( m i s à feu rétro) Séparation étage 2
f
Début des mesuresFin de propulsion étage 2
Fin des mesures Cercle de dispersion
X (km)
O 50 1 q 2 5 kmJ 150
FIG. 17. -Trajectoire de rentrée Electre.
5 . 2 CHA~NES D'ÉMISSION. - Dans l'ensemble des deux tirs Electre, on a utilisé :
- deux chaînes d'émission UHF à 274 et 822 MHz (puissance émise 16 et 8 W),
- trois chaînes d'émission dans la gamme hyper- fréquence à 2 330, 4 630, 9 230 MHz (puissance émise 1 ; 0,55 ; 0,12 W),
- une chaîne de télémesure AJAX à 247,5 MHz.
L'ensemble de l'appareillage de mesure embarqué est maintenu avant le tir à une température convenable pour assurer la meilleure stabilité des émetteurs et des chaînes de mesure.
Un système de multiplexage assure l'émission successive des différentes antennes suivant un code bien établi. Pour chacune des hyperfréquences choi- sies, on a disposé, le long d'une génératrice, 4 antennes
Les antennes hyperfréquence ont fait l'objet de travaux originaux [15, 161. Ces travaux ont permis de choisir le type d'antenne à iris rectangulaire, de dimensions plus petites que la longueur d'onde, forme qui se prête bien à une prévision théorique du diagramme de rayonnement. L'iris est excité par une cavité parallélépipédique en alumine frittée (constante diélectrique 9,5), donc de dimensions réduites. La figure 19 détaille le dispositif de couplage guide cavité-
fenêtre d'alumine, lente émettrice
1
fiche coaxialeFIG. 19. -Principe de l'antenne hyperfréquence et des dispositifs de couplage coaxial-guide-cavité-iris.
iris pour les antennes en bandes S et C représenté sur les clichés 20 et 21. L'ensemble est protégé par une pastille en alumine. Les propriétés thermiques de l'alumine (grande conductibilité calorifique) per- mettent de réduire l'échauffement de l'antenne à la même valeur que celui du reste de la structure (1 100 K).
Les facteurs de pertes diélectriques restent inférieurs à pour cette température dans toutes les gammes de mesure. On a vérifié, grâce à une simulation ther- mique de la rentrée, que le taux d'ondes stationnaires reste acceptable pendant toute la rentrée malgré les déformations de la structure, à condition de mettre en œuvre des dispositions permettant d'assurer un
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Un parallaxage permettant l'acquisition est assuré par le Centre d'Essais des Landes. Les antennes de ces stations ont été réalisées par ELECMA (Fig. 22).
Le gain d'antenne varie de 12,5 à 35 dB suivant les fréquences.
FIG. 20. - Iris rayonnant en bande S.
FIG. 22. - Station de réception SARA.
FIG. 21. -Ensemble du dispositif rayonnant en bande S et de ses accessoires de couplage, avant montage.
contact permanent entre iris rayonnant et fenêtre de protection. Les essais en vol ont parfaitement confirmé ces prévisions.
5.3 CHAÎNES DE RÉCEPTION. - La réception est confiée à des stations dites SARA (Station d'Analyse de Rayonnement d'Antennes) disposées le long de la côte des Landes. Ces stations comportent des aériens pour les cinq fréquences de travail, montés sur affût Bofors de façon à pouvoir être pointés, par commande manuelle, vers la capsule en cours de rentrée suivie à la jumelle par l'opérateur.
Les chaînes de réception correspondantes, réalisées par C.S.F., comportent chacune un sélecteur de polarisation et un récepteur superhétérodyne. Un dispositif de traitement de l'information, un ensemble d'enregistrement et des baies d'étalonnage et de contrôle complètent chaque station. Leur sensibilité est de - 104 à - 120 dBm.
5.4 RECONSTITUTION DES DIAGRAMMES D'ANTENNES.
- Le fonctionnement des stations de réception est d'abord vérifié, à partir d'une expérience préliminaire qui comporte le tir d'un engin Bélier muni d'un émet- teur UHF ; cet engin effectue une rentrée à basse vitesse, donc sans plasma ; le diagramme de rayonne- ment correspondant a été mesuré expérimentalement au sol ; à partir des niveaux mesurés dans les différentes stations au sol, de la trajectographie et de la restitution d'attitude de l'engin, on peut déduire le diagramme de rayonnement que l'on compare au diagramme mesuré au sol. On obtient une excellente coïncidence.
La reconstitution des diagrammes de rayonnement UHF et hyperfréquences à partir des données acquises dans les stations SARA pendant la rentrée a fait l'objet d'un programme de calcul. Les entrées de ce programme sont obtenues à partir de la trajecto- graphie et de la restitution d'attitude de la capsule Electre, qui donne les orientations, dans un système d'axes lié à la capsule, des rayons vecteurs émetteurs- récepteurs (Fig. 23). Les puissances reçues et les caractéristiques des aériens permettent, connaissant la distance émetteur-récepteur, de calculer les puis- sances émises. On obtient ainsi le diagramme de rayonnement des antennes embarquées pour d 8 é - rents points de la trajectoire de rentrée, pour diffé- rentes positions des antennes le long de la capsule, et enfin pour différentes fréquences. Le codage et le multiplexage des différentes émissions permettent de
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\
facilement calculable. C. Pouit a étudié l'influence d'un milieu stratifié ayant la constante diélectrique du plasma froid sur les champs électromagnétiques qui se propagent à partir de cette antenne [17]. Passant aux valeurs asymptotiques du champ pour de grandes distances à l'antenne, il déduit le diagramme de rayonnement relatif à chaque modèle de stratification.L'inversion de cette méthode pose des problèmes difficiles et 1,011 a choisi de procéder empiriquement, c'est-à-dire de qualifier par la bonne concordance pour différents angles de visée entre les résultats du calcul et ceux de la mesure des distributions de densité électronique choisies par essais et erreurs. Cette méthode, avant d'être essayée en vol, avait fait l'objet de tests en soufflerie à arc. Pour cela on simulait, dans la chambre de mesure de la soufflerie, construite en matériaux diélectriques et entourée d'antennes de FIG. 23. - Reconstitution des diagrammes d'antennes à partir réception, une rentrée sur une maquette munie
des stations de réception : position angulaire des stations vues d'antennes à 2,33 GHz (Fig. 25). Les caractéristiques
de la capsule.
Antenne B 4,63GHz
270'
FIG. 24. - Diagramme d'antenne type.
séparer et de classer correctement l'information ainsi obtenue. La figure 24 donne un exemple de reconsti- tution de diagramme de rayonnement.
5 . 5 DÉTERMINATION DE LA DISTRIBUTION DE LA DENSITÉ DE PLASMA A PARTIR DES DIAGRAMMES DE RAYONNEMENT. - Pour déterminer la distribution de la densité de plasma à partir d'un diagramme de rayonnement, il faut d'abord choisir un modèle décrivant les interadions ondes-plasmas. Dans le domaine considéré, les fréquences de collision électron- neutres et les fréquences de plasma -calculées sont d'ordres de grandeur voisins : les amortissements sont collisionnels et le couplage de modes joue un rôle peu important; c'est pourquoi le modèle choisi est celui du plasma froid inhomogène soumis à un .rayonnement électromagnétique.
En ce qui concerne les hyperfréquences, les antennes à iris rayonnant de dimensions petites vis-à-vis de la longueur d'onde fournissent . un champ électrique
EIG. 25. -Dispositif d'étude des diagrammes de rayonnement hyperfréquence dans la soufflerie ARC de I'ONERA. On distingue sur la maquette les antennes émettrices protégées par des pastilles d'alumine, et, autour de la chambre d'expérience, les antennes
réceptrices. (Extrait de la référence [9].)
du plasma de rentrée étaient calculées, comme pour une rentrée réelle, à partir des paramètres générateurs de l'écoulement dans la soufflerie. Une distribution de densité, approchée par une distribution stratifiée formée de couches homogènes, était déduite du calcul (Fig. 26).
La comparaison des diagrammes relevés à l'aide des antennes réceptrices et des diagrammes calculés permettait de corriger la distribution théorique ; elle mettait en particulier en évidence une diminution de densité au voisinage de la paroi, diminution qui n'apparaissait pas dans le calcul prévisionnel en raison des approximations effectuées. Celui-ci a été amélioré en introduisant certains effets de la couche limite et une condition à la paroi concernant la concentration électronique. Les essais en soufflerie ont permis de préparer l'interprétation de l'expérience en vol ; ils ont cependant été difficiles à analyser autrement que
MÉTHODES DE MESURE DES PARAMÈTRES DES PLASMAS DE RENTRÉE c3-109
ne
1
électrons /cm3O 1 2 3 4 5 à la paroi
FIG. 26. - Distribution stratifiée équivalente à une distribution continue, obtenue au cours d'un essai. La courbe en tirets correspond à la distribution obtenue par un calcul de cinétique chimique
comportant des approximations inacceptables.
d'une façon semi-quantitative en raison des fluctua- tions liées aux inhomogénéités du plasma obtenu en soufflerie à arc. Ce défaut n'apparaît plus dans le cas de la rentrée réelle, et la méthode est applicable sans difficulté.
En ce qui concerne les ultra-hautes fréquences, le calcul est plus complexe car on est encore plus loin qu'en hyperfréquences des conditions de l'optique géométrique. Le problème a été résolu par simulation au réseau, d'après une méthode proposée par P. Alais, et qui a fait l'objet de la thèse de J. Fritz [18]. Etant donnée la forme des antennes, le problème est de révolution. On peut donc simuler à l'aide d'un réseau
.
maillé plan formé de capacités, de selfs et de résis- tances, l'espace tridimensionnel rempli de plasma froid, milieu dispersif, qui emmagasine l'énergie sous forme électrique et cinétique et la dissipe sous forme thennique. Un tel réseau permet d'obtenir, dans une large plage de fréquences, le diagramme de rayonne- ment des antennes UHF d'une capsule. Le profil de densité est simulé par une variation appropriée de l'impédance des éléments du réseau. Encore une fois, la méthode ne peut être que directe, et il n'existe pas de procédé d'inversion praticable qui permette de passer du diagramme de rayonnement à la distribution de densité et de fréquence de collision du plasma.
Il faudra donc encore procéder par essais et erreurs.
6. Comparaison entre les distributions de densité déterminées expérimentalement et les résultaîs du calcul de cinétique chimique. - Le premier tir Electre s'est effectué dans des conditions idéales (incidence inférieure à 50) ce qui a permis d'appliquer sans modifications la méthode de calcul exposée plus haut.
Le second tir Electre, par suite d'un choc malencon- treux sur la capsule au moment de sa séparation, s'est effectué avec une incidence dépassant 25O, condition rendant très difficile l'application de la méthode prévisionnelle en raison de la profonde dissymétrie du plasma autour de la tête de rentrée.
On a pu cependant tirer parti des mesures effectuées sur des rayons vecteurs perpendiculaires au plan
formé par l'axe de la capsule et le vecteur vitesse ; la distribution suivant ces directions est en effet peu influencée par l'incidence.
Bien que le but de cet exposé ne soit pas l'analyse des résultats mais plutôt la description de la méthode de mesure, il est cependant intéressant de noter quelques conclusions caractéristiques. Nous en cite- rons essentiellement deux :
a) Vers l'avant de la capsule, les distributions calculées et celles déduites de l'expérience coïncident assez bien. On est donc en droit de penser que les vitesses de réactions les plus importantes sont connues avec une bonne précision.
b) Vers l'arrière de la capsule, où le phénomène de recombinaison joue un rôle essentiel, les distribu- tions déduites de la mesure correspondaient toujours à des densités d'un ordre de grandeur plus élevé que les densités calculées en faisant l'hypothèse d'une température électronique Te égale à celle des neutres T, (Fig. 27).
FIG. 27. - Comparaison, pour la même antenne, des diagrammes de rayonnement réels @oints expérimentaux) et du diagramme de rayonnement obtenu à partir du calcul de cinétique c h i q u e comportant des approximations inacceptables (courbe en trait plein). La courbe en tirets représente le diagramme de rayonnement
en l'absence de plasma.
Or les mesures en soufflerie, effectuées au moyen de sondes triples, ont toujours fait apparaître des températures électroniques plus élevées que les tem- pératures de neutres [19]. Par ailleurs, un calcul théorique montre que dans les conditions identiques à celles rencontrées au voisinage du culot d'une capsule, la température électronique doit être très voisine de la température de vibration de l'azote TVN2 [22]. On a donc modifié l'hypothèse adoptée pour la température électronique, en faisant Te = TvN2.
L'introduction de cette nouvelle hypothèse fait entiè- rement disparaître la divergence précédemment obser- vée, ce qui constitue une confirmation indirecte de l'hypothèse Te = TvN2 (Fig. 28).
7. Conclusion. - La mesure des paramètres d'un plasma de rentrée, et plus particulièrement de la distribution spatiale de sa densité électronique autour
J. TAILLET
Id6 avec l'aide de nombreux chercheurs et ingénieurs de la
+5 Direction de Physique Générale de I'ONERA, parmi
lesquels je citerai Gérard Garnier, Didier Compard, Christian Pouit et Joël Fritz. Les calculs prévisionnels ont été élaborés sous la direction de Jean-Pierre Chevallier, de la Direction Aérodynamique de l'Office.
Une telle expérience n'a pu réussir que grâce à la compétence et à l'énergie des équipes responsables de la conception du tir, du choix et de la préparation du lanceur et du champ de tir, de la réalisation de l'électronique embarquée et des stations au sol, de la simulation thermique de la rentrée et enfin de la réali- sation même du tir et de I'expérience sur le terrain.
Ces travaux ont été conduits par Paul Lygrisse, de la
FIG. 28. - Exemple de coïncidence satisfaisante de diagrammes de
rayonnement mesuré et calculé à partir d'une distribution stratifiée Direction des Etudes de Synthèse de YONERA.
(cas T, = TNI). L'Office a bénéficié pour la réalisation de l'opération Electre de l'aide de nombreux organismes : Direction de la capsule, est illustrée par l'exemple de I'expérience
Electre. La mise en œuvre d'une expérience de ce genre, qui dure moins de dix secondes, demande plusieurs années d'efforts soutenus pour sa prépara- tion et son dépouillement, et la collaboration d'un nombre important de chercheurs, d'ingénieurs et de techniciens formant une équipe pluridisciplinaire.
des Recherches et Moyens d'~ssais, Direction Tech- nique des Engins, Service d7Equipement des Champs de Tir, Centre d'Essais des Landes, Centre National d'Etudes des Télécommunications, et de la coopéra- tion de nombreux industriels : Société Nationale Industrielle Aérospatiale, THOMSON-CSF, ELEC-
MA,
. . .
Par ailleurs, certaines technologies utiliséesau cours du vol (CASSIOPEE) ont été mises au point Remerciements. - Cette expérience a été conçue et avec l'aide du centre National d9Etudes spa&ales dirigée sur le plan scientifique par Jacques Dorey, et la collaboration de l'Industrie.
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