Aérospatiale : Projets passés et futurs à l’ONERA

Dans un précédent post, il a été question de présenter l’ONERA, ses missions, le type d’études qui lui sont confiées et les moyens d’essais disponibles sur les différents centres français dont celui de Lille (à relire ICI).
Mais présenter plusieurs exemples concrets des projets passés et présents (pour préparer le futur) sur lesquels l’ONERA a planché et continue de s’investir me semble primordial. C’est un domaine tellement passionnant et les développements actuels se focalisent sur des innovations qui sont de véritables ruptures technologiques. Alors, parlons en !

Quelques projets auxquels l’ONERA a participé

Les lanceurs ARIANE
Avant 1961, l’ONERA était spécialisé dans l’aéronautique. Après la création du CNES, l’ONERA élargit son champ d’investigation et passe à l’aérospatial avec le développement des fusées, en travaillant en particulier sur :
– des études sur la propulsion (aérodynamique supersonique, analyse des instabilités…),
– la résistance des structures,
– l’instrumentation.

L’Onera a participé à de nombreuses campagnes d’essais de vol de fusée pour leur mise au point et a étudié les phénomènes liés à la rentrée dans l’atmosphère (ex le lancement de la fusée Antarès ou Bérénice dans les années 60).
L’ONERA a également travaillé au développement du premier satellite français Astérix en 1965.

Avec la création du CNES, c’est sur les fusées Ariane, que portent les travaux en aérospatial (étude par exemple des flux thermiques).

Maquettes d’Ariane 5 qui furent testées dans les souffleries de l’ONERA : on voit particulièrement bien les flux thermiques intenses en haut des boosters et sur le haut de la coiffe.

Depuis 1998, l’ONERA travaille déjà sur Ariane 6 dont le vol inaugural aura lieu en 2020. Ariane 6, dont la configuration est fixée depuis 2014, sera chargée de lancer des satellites géostationnaires.
Son expertise concerne par exemple  :
– la propulsion  liquide et solide (respectivement ergol et propergol solide pour les boosters),
– la combustion et les transferts thermiques,
– l’un des moteurs ré-allumables en vol,
– l’aéroacoustique.

Test en soufflerie du lanceur Ariane 6

Les engins du futur en aéronautique

Projet NOVA
Une maquette du projet de l’aéronef NOVA (NextGen Onera Versatile Aircarft) était présentée à l’exposition des 70 ans. Il s’agit d’une véritable rupture technologique pour cet avion dont le fuselage est de section ovoïde (pour augmenter la portance) pour 7 passagers de front avec deux couloirs (180 passagers au total).
Parmi les autres ruptures, citons :
– des profils d’ailes spéciaux (plus longs) avec des extrémités (Winglets) vers le bas  conçus pour diminuer la traînée,
– des moteurs de grand diamètre situés à l’arrière, à très haut taux de dilution*,
– l’ingestion de la couche limite au niveau des moteurs**.

Maquette de l’avion NOVA (échelle 1/30)

Toutes ces innovations ont pour objectifs de diminuer la consommation de carburant (donc les émissions de GES), de réduire le bruit et de limiter drastiquement les émissions de substances polluantes.

* le taux de dilution est la quantité d’air froid et de moindre vitesse qui se mélange aux gaz de sortie d’un réacteur : ainsi les gaz de sortie de la tuyère ont une température diminuée et surtout une vitesse réduite (par rapport au cas où la quantité totale d’air passe par la chambre de combustion, sans dilution en sortie de turbine). Il en résulte un gain notable sur les émissions sonores.

** la couche limite est la couche d’air très ralenti collée aux parois du fuselage et qui, à terme génère de la turbulence. Dans ce projet, cette couche d’air limite est récupérée en extremité de fuselage puis injectée au niveau du réacteur : cela améliore la propulsion et réduit la consommation.

 

Crédit ONERA

 

Projet Ampère (Avion à Motorisation réPartie Electrique de Recherche Expérimentale)

Voici une autre maquette : celle du projet Ampère.

Projet Ampère : Exposition les 70 ans de l’ONERA (Fête de la Science 2016)

Il s’agit d’un projet d’avion régional avec propulsion électrique permettant des trajets de 500 kms pour relier des villes non connectées par le rail. L’avion pourrait accueillir entre 4 et 6 passagers et se déplacerait à une vitesse de 250 km/h. Il pourrait être technologiquement prêt entre 2030.
La rupture technologique est liée à la présence de 32 fans (soufflantes) électriques situés sur l’extrados de la voilure : c’est la propulsion distribuée. Ainsi, le flux d’air est augmenté par rapport à un avion conventionnel de façon d’améliorer la portance et ce, dès la phase de décollage (d’où la possibilité de décoller et d’atterrir sur des pistes plus courtes). Le contrôle et l’orientation de l’appareil est à la fois assuré par les gouvernes conventionnelles mais aussi par les moteurs (en modulant leur puissance). L’alimentation électrique est prévue par des piles à combustible (donc à l’hydrogène) complétées par des batteries tampon (technologie Li-ion).
L’Onera travaille à la fois sur la conception numérique et sur les essais avec maquette (échelle 1/5e) à la soufflerie L2 de Lille (nous en avions parlé dans la première partie).

Les engins du futur en aérospatial
Projet Eole
Nous connaissons tous les satellites, gros engins placés en orbite de la Terre et lancés par une fusée de type Ariane (pour les plus gros satellites de communication) : bref, cela implique des coûts très élevés avec les délais de préparation en amont qui vont avec.
Pour abaisser les coûts de manière significative, la miniaturisation des satellites a commencé à prendre un bel essor : il s’agit de machines pesant entre 10 et 50 kg (les nanosatellites).

Démonstrateur Eole : Exposition des 70 ans de l’ONERA à Lille (Fête de la Science 2016)

Comment en assurer la propulsion ?
Conventionnellement, les nanosatellites sont lancés conjointement à un satellite classique ce qui requiert un lanceur. L’idée de base du projet Eole est le développement du lancement aéroporté automatique : le lanceur mettra en orbite le nanosatellite en « décollant » d’une certaine altitude (de l’ordre de 4.000 m) et non plus du sol. C’est un avion qui permettra d’emmener la fusée à cette altitude de lancement : le premier étage d’une fusée n’est donc plus nécessaire. Le gros avantage de l’affaire est que l’avion après largage de la fusée, pourra revenir à sa base et être réutilisé pour un nouveau « lancement ».
Le projet Eole financé par le CNES, est co-développé depuis 2009 avec l’ONERA et Aviation Design (PME Française) pour la fabrication et les essais de qualification. Eole est un démonstrateur d’une envergure de presque 7 m et d’un poids de 200 kgs. Il est censé représenter le comportement d’un aéronef grandeur nature (de type A320) pour « porter » un lanceur de 4t. Pour Eole

Outre l’avantage d’une fusée beaucoup plus simple, le lancement aéroporté permettrait de viser une orbite bien définie et plus adaptée au petit satellite (orbite basse). De plus, on gagne en performance (opérations plus simples; diminution des pertes dues à l’atmosphère telles que la traînée) et la mise en orbite est plus rapide.

Concrètement, le projet Eole vise à mettre au point un démonstrateur volant : le porteur est un drone à deux fuselages et le lanceur est une fusée ARES. Pour que le démonstrateur soit représentatif des engins à taille réelle (3 fois plus grand qu’Eole), le principe de similitude doit être respecté (des nombres adimensionnels caractéristiques des rapports de forces doivent être identiques aux deux échelles).

Plusieurs points clés difficiles à anticiper par le calcul ont fait l’objet des expérimentations en cours :
– quelles interactions entre porteur et lanceur au moment de la séparation, du largage de la fusée -point d’autant plus délicat que porteur et lanceur ont la même masse- ? Les dynamiques sont complexes, il faut être capable d’anticiper les trajectoires des deux corps, étudier l’influence des turbulences atmosphériques, prévoir les risques de collisions…
– comment prédire le comportement de l’ensemble et la réponse aux commandes pendant le vol ?  Le pilotage et la manœuvrabilité de l’avion après largage risquent fort d’être perturbés.

Le démonstrateur Eole testé en soufflerie (Crédit ONERA)

Où en est le projet ?
Au vu des bonnes performances lors des campagnes d’essais qui se sont déroulées entre 2013 et 2016, le projet est devenu européen. Altair doit approfondir la faisabilité d’un tel concept à coûts réduits, incluant également les installations sol.

Pour quelles utilisations concrètes ?

Si ce projet aboutissait à un projet industriel, il sera alors plus facile de mettre en orbite des petits satellites (nano ou micro-satellites) très utiles en cas de catastrophe naturelle, conditions lors desquelles la communication peut être rompue. Il serait alors primordial de lancer un satellite d’observation pour observer les besoins et organiser la mise à disposition des secours.

Les autres projets de l’ONERA
Difficile de faire le tour de la question car l’ONERA est présent sur de nombreux fronts. Mais je ne voulais pas terminer sans à minima citer (et nous pourrons y revenir plus tard) deux autres domaines où le French Aerospace Lab s’investit :
– celui de la défense (furtivité, radars, missiles),
– celui de l’optique (ex: l’optique adaptative lorsqu’il s’agit de corriger les effets de la turbulence atmosphérique de façon à mieux observer une étoile, pour voir toujours plus loin avec des applications calquées vers le domaine médical),
– celui des drones, qui occupe une centaine de chercheurs à l’ONERA sur de multiples sujets (équiper un drone avec des moyens optiques pour observer l’environnement tel que des forêts, des voies de circulation, des bâtiments, des lignes haute tension mais aussi pour repérer des obstacles, mettre au point des solutions technologiques pour repérer et neutraliser les drones malveillants, développer la reconfiguration de drones en cas de problèmes tels qu’une panne ou la perte du réseau de télécommunication).

On y reviendra ! J’espère.

 

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