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Motorisation - Snecma, l'Onera et le CNRS s'unissent autour de la combustion

Rédaction Industries et Techniques
Dans ce programme cadre, les trois entités souhaitent fédérer leurs compétences et leurs efforts de recherche en matière de combustion aéronautique et spatiale. Et visent une rupture technologique.
 

Le motoriste Snecma, l'Onera et le CNRS lancent une Initiative en combustion avancée, Inca. Le programme commun entend « valoriser l'expertise de l'école française de Combustion, reconnue internationalement et placer le motoriste au meilleur niveau mondial dans ce domaine, omniprésent dans les produits qu'il développe, qu'il s'agisse d'avions ou de lanceurs spatiaux », explique Jean Paul Béchat, PDG du Groupe Snecma.

Pas moins de six unités de Snecma, cinq départements de l'Office national d'études et de recherche en aéronautique et quinze laboratoires du CNRS participeront aux activités de recherche tout aussi bien fondamentales et appliquées. Les orientations seront également définies avec le concours de la délégation générale de l'armement (DGA), de la direction des programmes aéronautiques civils (DPAC), du centre national d'études spatial  (Cnes) et du ministère de la Recherche.

Au terme des cinq années que durera l'accord, cette fertilisation croisée de compétences doit déboucher sur des ruptures technologiques. Aujourd'hui et pour longtemps encore, la combustion est à la base du fonctionnement de quasiment tous les moteurs aéronautiques et spatiaux.

Or, les turboréacteurs d'avions sont arrivés à une telle maturité, que reculer leurs limites technologiques est de plus en plus difficile. En particulier si l'on veut tenir compte des exigences environnementales de plus en plus sévères, souligne Jean-Paul Béchat. (lire à ce sujet l'article "Turboréacteurs, des composants optimisés", Industries et Techniques n°829).

Pour preuve, la communauté aéronautique s'est fixé comme objectif de réduire la production de dioxyde de carbone de 50% et celle des oxydes d'azote de 80% à l'horizon de 2020. « Avec Inca, nous espérons devancer cette date », explique Olivier Mahias, de la direction de la recherche et technologie de Snecma Moteurs.

Le partenariat Inca est unique en son genre car il va bien au delà des classiques accords bilatéraux. Il doit permettre un transfert de connaissance rapide, immédiat, au contraire des dizaines d'années souvent nécessaires dans les années précédentes.

A ce titre, la consolidation du groupe Snecma en matière de motorisation (lanceurs, satellites, hélicoptères, avions...) est un des facteurs qui facilite aujourd'hui ce partage de compétences, aujourd'hui françaises, sur un sujet également bien partagé par les acteurs économiques. « Plus tard, le partenariat pourra s'ouvrir à d'autres acteurs de la recherche ou de l'industrie », indique le dirigeant.

Que traitera-t-on dans Inca ?

« La combustion dans un moteur restera encore pour longtemps le moyen le plus efficace pour augmenter le volume d'un gaz et l'éjecter à haute vitesse », rappelle Geneviève Berger, directrice générale du CNRS.

Or, « de nombreux problèmes, de toutes disciplines, mécaniques, chimiques, hydrodynamiques, aéroélastiques, aérothermiques etc.  sont encore non résolus, notamment parce qu'ils sont antagonistes». Comme par exemple, l'élévation de température, utile pour améliorer le rendement mais qui détériore le bilan d'émissions polluantes.

Pour aborder ces questions en cohérence, Inca se réfèrera à une organisation matricielle.  
Un comité industriel exprimera ses besoins orientés selon ses produits, en trois axes :
- Combustion cryogénique
- Combustion aérobie
- Combustion à propergol solide.

Un comité scientifique proposera ses orientations de recherche selon quatre problématiques omniprésentes dans la combustion, à savoir :
- Dynamique de la combustion
- Injection et mélange
- Emission et environnement
- Phénomènes pariétaux et rayonnement.

« Ce découpage reflète parfaitement les phénomènes qui se passent au sein d'une chambre de combustion, qu'elle soit d'un moteur d'avion ou de fusée, explique Olivier Mahias. Un mélange de carburant et de comburant est introduit dans la chambre. Le kérosène, sous forme liquide doit être transformé en gouttelettes, avant d'être vaporisées dans la flamme. Si l'on maîtrise bien ce dernier changement de phase, l'atomisation du liquide en gouttelette est moins bien maîtrisé.

Une fois la combustion démarrée, il faut l'entretenir, contrôler les instabilités de la flamme. Une tâche de plus en plus difficile au fur et à mesure que l'on introduit de la « finesse » dans les paramètres du mélange, (pré-mélange, richesse, etc), commente l'ingénieur de recherche.

Vient ensuite la prise en compte du rayonnement de la flamme, et son incidence sur les parois de la chambre de combustion. Et conséquemment, son refroidissement. Actuellement, une partie de l'air ingéré est utilisé pour refroidir la chambre. Or, «une diminution de ce débit de 5%, réinjecté dans le circuit de combustion réduirait de façon drastique la production d'oxydes d'azote», ajoute Olivier Mahias. Ces émissions polluantes, résultantes des étapes précédentes, font l'objet d'un volet à part entière.


Informations annexes sur les quatres groupes de recherche 

1 - Dynamique et contrôle de la combustion

Besoins industriels
- Critères économiques et environnementaux stricts
- Exigences de fiabilité accrues
- Moteurs fusées réutilisables

Défis scientifiques
- Nécessité d'une métrologie non-intrusive
- Compréhension des phénomènes d'atomisation d'un liquide en gouttelettes
- Connaissance couplée des phénomènes aérodynamiques et chimiques
- Amélioration des simulations et prédiction numérique multiphysiques
- Amélioration des prévisions des espèces chimiques, et des phénomènes instationnaires

Etat de l'art
-
Assez satisfaisant, notamment grâce à l'avènement du banc d'essai Mascotte de l'Onera
- Modélisation diphasique, instationnaire à poursuivre, notamment du point de vue de l'éternel compromis à trouver entre précision et temps de calculs
- Initiation d'une nouvelle voie de recherche qui consiste à contrôler les phénomènes de combustion au moyen d'actionneurs plutôt qu'a les subir.

Apport du programme Inca 
-
Mise en place de synergies en matière de code de calculs entre des services autrefois concurrents et amélioration de l'effort de recherche.

2 - Injection et mélange

Besoins industriels
-
Chambres de combustion performantes et fiables
- Maîtrise du mélange carburant / comburant
- Maîtrise de la distribution et de l'étagement
- Réutilisabilité des moteurs
- Critères économiques et de risque sévères

Défis scientifiques
- Étude des phénomènes de pulvérisation, d'atomisation, de mélanges et de combustion à haute pression, voire en microgravité
- Moyens de métrologie et de caractérisation
- Développement d'outils de conception et de technologies de fabrication

Etat de l'art
-
Banc Mascotte, moteur Vulcain (hydrogène / oxygène liquide)
- Premiers concepts d'injecteurs LPP (combustion pauvre pré-vaporisée et pré-mélangée)
- Premiers concepts d'injecteurs multipoints

Apport du programme Inca :
- Optimisation des moyens (coûteux) mis en œuvre pour cette recherche pluridisciplinaire
- Transfert des connaissances
- Amélioration des connaissances de base du mélange et de la pulvérisation du carburant
- Utilisation de Mems pour l'activation du mélange
- Miniaturisation des fonctions hydrauliques

3 - Emissions et environnement

Besoins industriels
-
Minimiser les émissions polluantes
- Réduire la consommation de carburant

Défis scientifiques
-
Augmenter les taux de compression pour réduire la consommation et abaisser la quantité de Co2 produite
- Recourir à la combustion pauvre pour abaisser la température et minimiser la production de Nox (antagonisme)
- Optimisation multiphysique, demande des progrès dans la modélisations des phénomènes chimiques, diphasiques
- Moyen de mesure nécessaires pour valider les outils de prédiction

Etat de l'art
-
Technique LPP - combustion pauvre, programmes européens
- Programmes LES4LPP, Muscles, Molécules sur les instabilités
- Programme ACIACOC en techniques de contrôle
- Programmes CFD4C et SiA TEAM en modélisation physique
- Programme européen CLEAN et internes à Snecma (PAT, PHP)

Apport du programme Inca 
-
Implication de scientifiques de disciplines connexes à la combustion : climat, atmosphère, chimie, etc.
- Fertilisations croisées
- Développement de l'injection multipoints ou à émulsions
- Développement de l'allumage laser
- Microtechnologies
- Développement de mesures non-intrusives (technique Opo de l'Onera)
- Modélisation des suies, CO, UHC ou autres espèces à très haute pression

4 - Phénomènes pariétaux et Rayonnement

Besoins industriels
-
Prévision fiable et très précise des transferts thermiques
- Conception de dispositifs de protections thermiques et de refroidissement de parois
- Elaboration de matériaux résistants à très haute température

Défis scientifiques
-
Compréhension des transferts thermiques à partir d'écoulements complexes (turbulents, réactifs, diphasiques, hétérogène, recirculants...).
- Comportement de la paroi quand elle n'est pas inerte
- Compréhension des écoulement diphasiques complexes, multi-espèces, avec fort gradients aux parois.

Etat de l'art
- Mesure des flux derrière une paroi inerte
- Prévision des flux par formules établies dans des conditions simplifiées
- Rayonnement, outils de calcul numériques

Apport du programme Inca 
- Rassemblement de compétences complémentaires dans le domaine de l'aérothermie, ré-évaluation des problèmes de fonds et des priorités.

Philippe Beaufils

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