LA  RECHERCHE  FRANCAISE

 

 

Paul Kuentzmann

Directeur scientifique de l’ONERA

 

            C'est un honneur pour moi de parler au nom de l'Office national d’études et de recherches aérospatiales (ONERA) et de représenter la recherche scientifique française. La recherche française a été de longue date associée au développement des moteurs aéronautiques et reste très mobilisée par les constructeurs nationaux Snecma et Turboméca. Ce court survol s’efforce dans un premier temps de dégager la perception des chercheurs vis-à-vis de l’évolution des besoins ainsi que leur vision quant à l’orientation souhaitable des recherches, puis de rappeler quels sont les acteurs de cette recherche. Je donnerai quelques résultats marquants significatifs issus de la recherche. Pour conclure, j’ébaucherai l’évolution attendue pour cette recherche au cours des prochaines années.

 

            Moteurs civils et moteurs militaires possèdent aujourd’hui leur propre optimisation, étant entendu qu’un certain nombre de technologies restent communes et que la plupart des recherches amont présentent un caractère dual. La compétition est très forte sur les moteurs civils entre les trois principaux groupes mondiaux de constructeurs. Les données économiques interviennent ici de façon déterminante, tant au niveau du développement que de l’exploitation. Il existe également une forte demande liée à la problématique de l’environnement, pour réduire l’émission des espèces polluantes et l’émission sonore ; cette demande a donné naissance à des programmes de recherches nouveaux, intéressants et utiles.

 

            Pour les moteurs militaires, les contraintes budgétaires ne peuvent être ignorées, mais une importance notable est accordée à quelques caractéristiques opérationnelles telles que la composante de furtivité de la motorisation, dans toute l’étendue du spectre électromagnétique, la compacité et le rapport poussée/poids, qui réagissent sur les performances des systèmes d’armes, et le maintien des performances dans un domaine élargi. Pour le rapport F/P, le moteur M88-2 produit par Snecma atteint 8,5 et il serait possible d’arriver à 10 à court terme à l’aide des technologies disponibles. L’objectif de 15 est visé à un horizon plus lointain, cet objectif est un peu moins ambitieux que celui annoncé dans le programme américain IHPTET mentionné il y a quelques minutes par le Dr Henderson.

 

            La recherche française s’organise schématiquement autour de l’idée centrale qu’elle doit fournir aux constructeurs les connaissances et les outils qui leur permettront d’optimiser les composants des moteurs. Cette recherche est donc très orientée et s’efforce de suivre de très près l’émergence des nouvelles demandes comme la diminution de l’émission des polluants, la réduction du bruit et la diminution de la signature du jet.

 

            Toujours très schématiquement, on peut dire qu’un effort important est réalisé pour la simulation numérique à la fois comme outil de compréhension et comme outil de conception. Le progrès réalisé à ce niveau théorique appelle aussi la disponibilité de moyens expérimentaux sophistiqués car il est essentiel de valider les codes de calcul avant de pouvoir les utiliser efficacement. Cette recherche est souvent duale, sauf évidemment sur certains points spécifiquement militaires ou civils.

 

            Le dispositif français de recherche est assez simple à décrire. La programmation est réalisée par les services officiels français, à savoir la Direction générale de l’aviation civile (DGAC) pour le civil, la délégation générale pour l’armement (DGA) pour le militaire. Ces services sont également responsables du lancement des développements techniques probatoires (DTP) et développements exploratoires (DE), qui ont un caractère technologique marqué affirmé et dont il ne sera plus fait mention par la suite. La composante la plus en amont du dispositif est constituée par les équipes du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), des Universités et des Grandes Écoles, la partie aval par l’Industrie. L’ONERA possède une vocation plus appliquée des recherches. L’existence des zones de recouvrement n’est pas sans poser parfois quelques problèmes mais elle a aussi l’avantage de permettre un transfert assez systématique et rapide des connaissances de base vers les applications industrielles. L’efficacité du dispositif a encore été accrue par la mise en place d’actions concertées entre ces différents acteurs. J’ai donné ici quelques exemples où les industriels sont très présents : l’action A3C s’intéresse aux foyers et a été lancé sous l’égide de la DRET, l’action ARCTICA vise l’aérothermique ...

 

            Le décor étant planté, nous allons aborder la partie plus illustrée de la présentation en commençant par la simulation numérique. Les codes de calcul intéressent aujourd’hui toutes les disciplines de la mécanique, elles-mêmes connectées aux technologies essentielles des moteurs. Au-delà des disciplines traditionnelles comme l’aérodynamique ou les structures, émergent de nouvelles disciplines parmi lesquelles on peut distinguer les procédés de fabrication.

 

            Les codes de mécanique des fluides sont parvenus à un stade tel qu’ils peuvent décrire un écoulement réel dans une géométrie réelle, mais leurs performances ne permettent pas encore de dépasser la description de l’écoulement dans un composant isolé. Des progrès restent aussi à réaliser sur la représentativité des modèles physiques, et notamment tout ce qui touche à la turbulence, sur la prise en compte des petits accidents géométriques dans les géométries complexes (c’est typiquement le cas pour les perturbateurs en aérothermique) et surtout sur la réduction des temps de calcul tout en conservant la qualité de la simulation numérique.

 

            Deux voies principales sont actuellement défrichées : la première, en continuité avec les développements passés, consiste à traiter l’interaction entre roues ; la seconde, plus innovante, cherche à systématiser la simulation de phénomènes couplés tels qu’aéroélasticité, aérothermique-conduction, aéroacoustique.

 

            Le premier exemple relatif à l’apport des méthodes de calcul est proposé par Snecma pour les soufflantes. Le progrès de l’aérodynamique des soufflantes va de pair avec la disponibilité d’outils numériques de plus en plus sophistiqués. Alors que pour les premières soufflantes, il fallait réaliser 7 à 8 versions pour parvenir au résultat visé, on pense aujourd’hui y parvenir avec seulement 1 à 2 versions.

 

            Les essais de la soufflante du CFM56-7 ont commencé avec des résultats prometteurs. Les essais ont été précédés de calculs réalisés avec les codes les plus récents.

            Une synthèse similaire a été établie par Turboméca pour les compresseurs centrifuges dans un plan taux de compression/rendement. On aborde aujourd’hui la conception des compresseurs centrifuges par codes 3D Navier-Stokes instationnaires.

 

            Voici maintenant un premier résultat obtenu à l’ONERA sur l’interaction rotor-stator. L’exemple présenté ici a trait à l’aéroélasticité et porte sur une soufflante Snecma. Il s’agit d’un phénomène classique au cours duquel se couplent fortement l’aérodynamique et la vibration des aubes. A gauche, une représentation instantanée du phénomène calculé par le laboratoire LEMFI de l’Université de Paris VI, à droite, une comparaison assez encourageante entre calcul 2D et mesures.

 

            Nous abordons maintenant l’aérothermique et ses applications aux turbines. Le refroidissement externe des aubes se fait par l’intermédiaire de jets d’air froid émis en différents endroits. On parle souvent de refroidissement par film bien qu’il s’agisse souvent d’une série d’injections discrètes. Ce résultat de l’ONERA donne le champ aérodynamique et thermique complexe résultant de deux jets émis du voisinage du bord d’attaque d’une aube abordée par un écoulement très chaud. L’idée sous-jacente est évidemment de se servir du calcul pour parvenir à optimiser l’efficacité de refroidissement de l’aube, c’est-à-dire d’obtenir le meilleur refroidissement avec le minimum d’air injecté.

 

            J’ai mentionné précédemment l’importance grandissante des questions d’environnement, ces questions vont être illustrées par 2 planches.

 

            Cette planche également de la Snecma donne une idée de la capacité des codes de calcul développés par l’ONERA à prédire la production des NOx d’origine thermique. Il s’agit d’une chambre dite DAC (pour Double Annular Combustor) montée sur les plus récentes versions du CFM56-5B.

 

            Cette planche très synthétique a trait au bruit émis par un moteur civil ; le niveau de bruit latéral normalisé est porté en fonction des années de mise en service. L’augmentation progressive du taux de dilution diminue la contribution du jet mais augmente la contribution arrière due la soufflante, ce qui est assez naturel. Les progrès globaux sont néanmoins très significatifs. On pense toutefois arriver à une limite physique mais un nouvel espoir repose dans l’utilisation de techniques de contrôle actif du bruit. Le domaine du contrôle actif n’a pas été précédemment signalé mais il s’agit d’un domaine général de recherches extrêmement prometteur et qui, outre le bruit, peut intéresser aussi différents composants et différents phénomènes comme le pompage ou les instabilités de combustion.

 

            Un domaine qui correspond à un gisement important de progrès et d’économie est celui des procédés de fabrication. Par exemple pour le procédé d’assemblage par friction inertielle, procédé qui peut être simplement décrit comme l’impact à grande vitesse de deux pièces à assembler ; ce procédé est applicable à tous les alliages et en particulier à ceux élaborés par métallurgie des poudres. Le calcul des champs de température et de vitesse de déformation permet une optimisation des paramètres du procédé.

 

            La méthodologie de conception et de développement fait donc de plus en plus appel au calcul mais l’expérimentation reste bien entendu le juge de paix du succès des recherches. Nous ne parlerons pas ici des essais industriels ou de synthèse qui nécessitent des bancs d’essais très puissants mais n’autorisant malheureusement que des mesures à caractère global. Les moyens expérimentaux destinés à la recherche présentent des caractères opposés aux précédents : ils sont généralement d’une taille plus réduite, ne mettent en jeu qu’un composant ou une partie d’un composant du moteur et ils bénéficient d’une instrumentation détaillée. Leur mission est soit de détailler les phénomènes élémentaires, soit d’étudier les phénomènes couplés dans des conditions représentatives mais toutefois simplifiées.

 

            Le temps manque pour faire un bilan exhaustif des bancs et montages de recherche existants en France et qui couvrent en grande partie les besoins existants. Seuls des efforts semblent devoir être faits pour des bancs de recherche multi-étages. Une demande prioritaire semble aussi aujourd’hui porter sur l’instrumentation instationnaire ; cet effort doit en effet aller de pair avec les développements numériques, ne serait-ce que pour valider les calculs instationnaires. Enfin, il importe de prendre en compte, dans la mesure du possible, les moyens existants dans les autres pays européens afin d’éviter tout doublon.

 

            Des investissements ont été faits au cours des dernières années sur les moyens expérimentaux importants de recherche. Le premier de ces moyens est le banc multi-étage de compresseur axial récemment installé à l’École Centrale de Lyon. A noter aussi l’installation d’essais du laboratoire Laerte de l’ONERA à Palaiseau. Cette installation a été conçue dans le cadre du projet A3C sur les chambres de combustion aéronautiques. On a pu regrouper dans le même environnement les moyens techniques indispensables et les moyens optiques les plus avancés comme la Diffusion Raman Anti Stokes Cohérentes (CARS en anglais) et la Fluorescence Induite par Laser (LIF en anglais).

 

            Enfin il serait injuste de ne pas signaler ce que le progrès des moteurs aéronautiques doit à celui des matériaux. Le thème de la recherche sur les matériaux mériterait à lui seul un large exposé. On donne ici la vue du distributeur de turbine et de la première roue M88-2, organes situés derrière la chambre de combustion principale et donc les plus sollicités thermiquement. Le distributeur est réalisé en superalliage AM1, ainsi que les aubes de la première roue ; le disque quant à lui est réalisé en N18 par métallurgie des poudres. Ces alliages ont été mis au point dans le cadre d’une coopération entre ONERA, IMPHY et SNECMA.

 

 

            J’en arrive à la conclusion de l’exposé. La recherche française a prouvé son efficacité au service des besoins industriels, avec des moyens somme toute modestes. Cette efficacité est en grande partie due à une grande continuité des efforts et à la mise en place, sous l’égide des Services Officiels, d’actions coordonnées rassemblant les acteurs de la recherche et permettant un transfert rapide des nouvelles connaissances vers l’industrie. Les investissements les plus importants ont été faits sur les codes de calcul à vocation industrielle et sur un nombre réduit d’installations expérimentales très performantes de recherche.

 

            Ce secteur de recherche subit actuellement le contrecoup des difficultés économiques auxquelles sont confrontées les industries aéronautiques des sociétés occidentales et peut être aussi de la moindre priorité accordée aux moyens de propulsion dans la programmation de défense française. Il faut espérer que la compétence accumulée pourra être sauvegardée, fut-ce au prix de la création de pôles d’excellence dans un dispositif de volume réduit. Il me semble enfin essentiel de maintenir la qualité et l’étroitesse des relations construites entre Recherche et Industrie et de prendre en compte les données de la coopération internationale, laquelle pourra s’avérer très bénéfique à terme mais qui imposera sans doute initialement le partage équilibré de certaines compétences.

 

            Je vous remercie pour votre attention.

 

 

 

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