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Etude expérimentale des paramètres influencant la stabilisation de la flamme LOX/CH4 dans un moteur fusée

Description

En 2020, le premier lancement du lanceur Ariane 6 marquera le terme de son développement. Cet évènement annonce déjà de nouvelles pistes pour les travaux de R&D qui prépareront les futurs lanceurs. En particulier, le développement du moteur Prometheus offre de nouvelles opportunités et de nouveaux challenges technologiques. Parmi ceux-ci, l'utilisation du couple d'ergols LOX/CH4 qui présente de nombreux atouts, mais tout autant de points ouverts concernant son application aux moteurs fusées. La recherche de coûts de développement et de fabrication toujours plus réduits, ainsi que la réduction de la durée des cycles entre le développement et la mise sur le marché constituent d'autres challenges tout aussi importants.

La combustion dans un moteur fusée est très fortement dépendante du design des injecteurs. La conception actuelle se base sur l'expérience métier acquise au cours de nombreux développements de moteurs LOX/H2 : HM7, Vulcain1&2, Vinci et sur des campagnes d'essais élémentaires dédiées [1]. Elle nécessite donc une mise à jour méthodique et approfondie pour être adaptée aux moteurs LOX/CH4. La nécessité de réduire la durée des cycles de developpement et le nombre d'essais avant la mise en production d'un nouveau moteur incitent à développer des modèles permettant de prédire l'efficacité des moteurs dans l'ensemble de leur domaine de fonctionnement, que ce soit pour une injection subcritique, supercritique ou transcritique des ergols. Ces modèles doivent être alimentés, pour leur construction et pour leur validation, par des bases de données extensives d'essais à feu réalisés dans des conditions d'injection représentatives de celles rencontrées dans les moteurs LOX/CH4.

Parmi l'expérience mondiale, plusieurs configurations d'injection ont déjà pu être testées en LOX/CH4. Certains paramètres ont déjà été identifiés comme ayant un impact sur la qualité et la stabilité de la combustion [2]. Il reste cependant beaucoup à faire, notamment le lien entre ces paramètres et les comportements fonctionnels caractéristiques comme le mode d'accrochage de la flamme aux lèvres de l'injecteur, la longueur de flamme, sa stabilité, sa topologie, la stratification thermique des gaz brûlés, les rendements de combustion, …

L'objectif de la thèse sera dans un premier temps de comprendre le fonctionnement des injecteurs actuellement utilisés pour définir un plan d'essai permettant une étude paramétrique détaillée et réaliste. Les paramètres envisagés seront à la fois géométriques (épaisseur de lèvre, retrait…) et fonctionnels (cisaillement, vitesses d'injection…). Les essais seront réalisés sur le banc cryogénique Mascotte de l'ONERA [3], dans le cadre d'une collaboration entre les équipes CNRS, d'ArianeGroup, du CNES et de l'ONERA. Les analyses s'appuieront, entre autres, sur l'utilisation de diagnostics optiques pour la caractérisation fine des flammes et des ergols injectés. Le doctorant pourra être amené à mettre en œuvre et à développer des moyens de post-traitement avancés pour l'analyse détaillée des essais. En fonction de l'avancement de la thèse, l'utilisation d'un code de calcul RANS pourra être envisagée en support à l'exploitation des essais pour aider au dimensionnement d'injecteurs et à la compréhension des phénomènes mis en jeu.

[1] M. Juniper, A. Tripathi, P. Scouflaire, J. C. Rolon and S. Candel (2000) Structure of Cryogenic Flames at Elevated Pressure. Proceedings of the Combustion Institute, 28: 1103-1109.

[2] Singla, G., Scouflaire, P., Rolon, C. and Candel, S. (2005)Transcritical oxygen/transcritical or supercritical methane combustion. Proceedings of the Combustion Institute, 30(2): 2921-2928.

 

[3] L. Vingert, G. Ordonneau, N. Fdida, P. Grenard, A rocket engine under a magnifying glass, AerospaceLab Journal 11, http://urlz.fr/7S4g

Profil

Master 2

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Laboratoire EM2C
Directeur(rice) de thèse/recherche : DUCRUIX Sébastien
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : sebastien.ducruix@centralesupelec.fr
Responsable Cnes de l'offre : THERON Marie

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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