Problématique des phénomènes des ondes de choc dans les tuyères supersoniques et leur interaction avec la structure

La problématique des charges latérales dans les tuyères propulsives des moteurs fusées reste un enjeu majeur pour l’industrie aérospatiale. Par ailleurs, le souci d’allègement de la masse d’ensemble du lanceur conduit à concevoir des tuyères de finesse croissante qui à leur tour peuvent poser des problèmes aéroélastiques. En effet, il est bien établi que lors des phases de démarrage et d’extinction des moteurs fusées, la structure interagit avec l’écoulement principal, conduisant ainsi à la génération des effets aéroélastiques qui peuvent amplifier davantage les charges latérales pouvant mettre en péril l’intégrité du propulseur. En considérant cette problématique relevant du domaine multiphysique, le recours aux simulations numériques couplées paraît légitime et indispensable afin d’alléger le plan d’expériences, jugées chères et coûteuses. Cependant, pour des problèmes complexes tels que le calcul couplé pour des tuyères 3D en écoulement turbulent, même avec un déploiement de grands moyens de calcul, le temps nécessaire pour achever ce type de simulation numérique reste exorbitant. Une autre alternative, consiste à modéliser ces effets en utilisant des modèles de stabilité aéroélastiques, relativement simples et permettent de déceler les éventuelles instabilités à moindre coût. Les phénomènes aéroélastiques dans les tuyères fonctionnant en régime de surdétente, sont analysés d’une manière approfondie, à l’aide des modèles de stabilité aéroélastique. Partant du modèle simplifié de Pekkari, de nouveaux modèles de stabilité aéroélastique tenant compte des effets visqueux de l’écoulement ont été proposés. Le couplage entre l’écoulement et la structure est réalisé via la théorie des petites perturbations ou théorie de piston. Il est rendu possible par l’introduction d’un profil de pression plus réaliste en faisant appel à la théorie de l’interaction libre de Chapman pour un écoulement incident uniforme. La formulation ainsi obtenue dont le modèle initial de Pekkari peut être rendu comme un cas particulier, est basée sur le calcul de la longueur d’interaction et en s’appuyant sur la méthode intégrale de Michel pour les couches limites, laminaires ou turbulentes. Des calculs numériques ont été réalisés par un couplage faible entre un code CFD et un code de structure, en utilisant la méthode de transpiration. Cette méthode même limitée aux petits déplacements de la structure (cas linéaire), permet en général la prédiction des instabilités. L’échange de données entre les deux codes, fluide et structure, s’est effectué pour le moment par une simple interface, écrite en Fortran, permettant l’échange dynamique des données. Les résultats issus des différents modèles sont exposés dans un contexte comparatif.