Les souffleries du centre Onera de Meudon du subsonique à l’hypersonique

Voler plus haut, plus vite, préserver la vie des pilotes d’essais et des passagers, autant de défis relevés par l’homme depuis l’aube du XXème siècle, quand les pionniers de l’aviation s’attachèrent à faire décoller des engins plus lourds que l’air et à les maintenir en sustentation. Contemporaines des premiers exploits aériens, les souffleries aérodynamiques en recréant artificiellement les conditions rencontrées lors d’un vol ont puissamment concouru aux progrès de l’aéronautique.
Le centre de Chalais-Meudon est riche d’une histoire déjà plus que centenaire en ce qui concerne l’aviation. Elle commence avec les exploits du capitaine Ferber au début du XXème siècle. Elle se poursuit avec la construction de la Grande soufflerie entre 1929 et 1935 sous l’égide du ministère de l’Air. Enfin l’affectation en 1946 du site de Chalais-Meudon à l’Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (Onera) consacre le centre à la recherche pour l’aéronautique et plus tard pour le spatial avec l’installation de nouvelles souffleries permettant d’atteindre des vitesses jusqu’à 5 400 km/h.
Programme Mars Sample Return, destiné à la conception d’une capsule en vue d’une mission de retour d’échantillons martiens.

Naissance des souffleries et moyen alternatif proposé par Ferber à Meudon

Inventées à la fin du XIXème siècle, les souffleries ont pris leur essor au début du XXème siècle. Le procédé repose sur un principe déjà énoncé par Newton : les forces qui s’exercent sur un corps plongé dans un fluide sont les mêmes, que le corps se déplace à travers le fluide au repos avec une certaine vitesse, ou que le fluide se déplace par rapport au corps immobile avec la même vitesse relative. 

La « soufflerie » aérodynamique porte un nom impropre, puisqu’elle est toujours désignée par le moyen de mise en mouvement de l’air des premières installations - au moyen d’un ventilateur qui soufflait de l’air en amont d’un tunnel – alors que très rapidement on a préféré disposer le ventilateur en aval de la veine d’essai, d’où un mode de fonctionnement par aspiration. Le nom initial de « soufflerie » est resté en Français.

Les souffleries ont contribué à réduire le nombre d’accidents, sauvegardant ainsi la vie des pilotes et préservant le matériel. Elles ont aussi permis de passer du flair des constructeurs à l’art de l’ingénieur.
Ce moyen d’investigation expérimental, très commode, s’est rapidement imposé au détriment des moyens alternatifs reposant sur le déplacement direct de l’objet dans l’air. Ce fut notamment le cas de la tyrolienne, qui profite des effets de la gravité, pour mettre en mouvement l’avion le long d’un câble tendu entre des pylônes. Ce moyen, expérimenté en 1904 par le capitaine Ferber à Chalais-Meudon, profitait de la déclivité du vallon de Meudon pour lancer horizontalement, après une descente, l’avion suspendu à un chariot glissant le long du câble tendu. Gustave Eiffel avait aussi envisagé un tel dispositif – qu’il avait appelé aérodrome – à partir du premier étage de sa tour, avant d’entreprendre la réalisation d’une soufflerie.

Les souffleries de Gustave Eiffel au Champs-de-Mars et à Auteuil

La première évolution des souffleries consiste dans le passage du soufflage à l’aspiration ; ainsi le sillage du ventilateur, placé en aval de la veine d’essai, ne perturbe plus la maquette. 
Une seconde évolution consiste dans l’introduction du collecteur - pièce convergente disposée en amont de la section d’essai - qui permet d’augmenter la vitesse dans cette section en vertu de la loi de conservation du débit - masse V x  S = Constante en écoulement incompressible.
Gustave Eiffel est à l’origine d’une seconde évolution dans l’art des souffleries. Il intercale une pièce divergente – le diffuseur – entre la veine d’essai et le ventilateur situé en aval. C’est une innovation majeure, puisqu’elle permet de diminuer drastiquement la puissance nécessaire à l’installation. L’efficacité de ce dispositif découle de la loi de Bernoulli, qui stipule que pression et vitesse varient en sens inverse. De fait le diffuseur, en diminuant la vitesse, a pour effet de comprimer l’air. 

La différence de pression de part et d’autre du ventilateur est alors très inférieure à celle qui règne lorsque le ventilateur est situé directement en aval de la section d’essai. Eiffel résume ainsi la situation : « Le diffuseur économise donc en somme les deux tiers de la puissance. L’avantage de ce système de récupération est manifeste ».

La soufflerie de type Eiffel, née en 1912 à Auteuil, bénéficie de l’invention du diffuseur. Elle provient du transfert de la première soufflerie de Gustave Eiffel, installée au Champs-de-Mars aux pieds de la Tour Eiffel en 1909. La soufflerie du Champs-de-Mars atteignait une vitesse de 18 m/s dans une section d’essai circulaire de 1,5 m de diamètre. Elle était mue par un ventilateur actionné par un moteur de puissance 50 chevaux. Avec ce même moteur transféré du Champs-de-Mars à Auteuil, la nouvelle soufflerie, dotée d’un diffuseur, atteint 32 m/s dans une section de 2 mètres de diamètre, soit un gain en débit de 200 %.

La Grande Soufflerie S1Ch de Chalais-Meudon

C’est Antonin Lapresle, collaborateur, puis successeur d’Eiffel à la soufflerie d’Auteuil, qui construit de 1929 à 1935, à la demande du Ministère de l’Air, la grande soufflerie de Chalais-Meudon. De type Eiffel bien sûr, elle est munie d’un convergent de rapport de réduction 3,5, passant d’une embouchure de surface 350 m2 à une section de veine d’essai de surface 100 m2, permettant ainsi d’atteindre une vitesse maximale de 180 km/h. Son diffuseur, constitué d’un tube tronconique géant de section elliptique d’axe vertical 10 m et d’axe horizontal 18 m, est réalisé en voile de béton armé mince d’une épaisseur de 7 cm pour 38 mètres de longueur. En aval du diffuseur, la chambre d’aspiration, dotée de six ventilateurs de 1000 ch chacun permet l’extraction de l’air. Devenue obsolète, l’installation est désaffectée en 1977. Classée Monument historique en 2000, elle reste l’emblème du centre de Meudon. 

Durant vingt ans de 1950 à 1970, cette installation a été utilisée intensivement. Deux équipes assuraient son fonctionnement de 6 h le matin à 22 heures le soir. Elle a permis de tester au cours de nombreux programmes nationaux l’aérodynamique des avions, mais aussi des automobiles et des bâtiments.

La soufflerie transsonique S3Ch

En 1945, la France décide de rapatrier d’Autriche – comme prise de guerre - une soufflerie sonique capable d’atteindre 1 200 km/h dans une veine d’essai de 8 mètres de diamètre [2]. Le site de Modane en Savoie est retenu pour héberger cette gigantesque installation d’une puissance de 88 MW. Cependant il apparut rapidement indispensable au conseil scientifique de l’Onera de faire des vérifications avant de terminer la construction de la soufflerie de Modane-Avrieux. Aussi une soufflerie à échelle réduite S3Ch (1/8) fut-elle réalisée en urgence sur le site de Chalais-Meudon en utilisant des moteurs JUMO de récupération et en commandant les ventilateurs à la société allemande Dingler. Il importait en effet que cette soufflerie pilote fût opérationnelle le plus vite possible afin d’en tirer tous les enseignements applicables à la future soufflerie de Modane. Les fabrications démarrèrent sans qu’aucun contrat n’eût été passé. Ainsi que le résume Marcel Pierre, l’acteur principal du rapatriement en France de la soufflerie allemande : « Il s’agit en quelque sorte d’une prime à la Grande Soufflerie ». 

Cette soufflerie S3Ch de Chalais-Meudon fonctionne à partir de juin 1948 fournissant des renseignements très utiles pour la mise au point de la soufflerie de Modane-Avrieux. Elle permet d’atteindre un nombre de Mach de 1 (soit la vitesse du son) et comme le souligne l’ingénieur général de l’armement, Paul Dumanois « avec sa veine de 1m de diamètre, ce n’est pas seulement une maquette, mais une soufflerie de recherche particulièrement précieuse ». Au sein du Département d’Aérodynamique Fondamentale et Expérimentale (DAFE) de l’Onera, la soufflerie S3Ch fournit encore aujourd’hui des résultats de grande qualité pour la recherche et l’industrie aéronautique.
Cette installation fut rénovée en 1986 [4]. Il lui fut substitué une veine sensiblement carrée de section 0,76 m sur 0,80 m pour une longueur de 2,2 m, munie de parois rigides pleines ou perforées et surtout de parois déformables auto-adaptables. 
Ces dernières permettent la simulation d’une atmosphère illimitée autour d’un profil d’aile, les parois horizontales haute et basse de la veine d’essai reproduisant alors le contour des lignes de courant d’un écoulement uniforme à l’infini. L’air est mis en mouvement au moyen d’un groupe moto-ventilateur à deux étages de 3,5 MW de puissance. Un échangeur de chaleur, situé dans le collecteur, évite que l’air ne s’échauffe en cours d’essais pouvant durer de 2 à 3 heures. 
Les capacités de cette soufflerie en font un moyen d’essai privilégié pour les études d’avions civils ou militaires, de missiles ainsi que des lanceurs spatiaux dans leur phase ascensionnelle transsonique. Elle est utilisée de manière récurrente pour les essais d’interaction nacelle-voilure et de maintien de la laminarité sur les profils d’aile au profit du développement des avions de la gamme Airbus. Les autres clients réguliers sont Dassault Aviation, MBDA, le groupe Safran, le Cnes, ainsi que la Délégation Générale de l’Armement (DGA) pour des projets amont.

La soufflerie supersonique S5Ch

La course à la vitesse a rendu nécessaire la réalisation d’installations encore plus performantes en termes de vitesse et la création de souffleries supersonique (au-delà de la vitesse du son). Les écoulements supersoniques [3] obéissent à des lois fondamentalement différentes de celles qui régissent les écoulements subsoniques. La relation d’Hugoniot, qui permet de discriminer ces deux états, exprime en l’absence de frottement la relation entre la vitesse V du fluide et la section A du tube de courant contenant ce fluide :

$$\frac{dA}{A} = (M²-1)\frac{dV}{V}$$

où M est le nombre de Mach. Ainsi en subsonique (M<1), A et V varient en sens inverse, la vitesse croissant dans des sections convergentes, alors qu’en régime supersonique (M>1), au contraire, la vitesse croît dans des sections divergentes. 

Il s’ensuit aussi que l’état sonique (M = 1) ne peut être obtenu que pour dA = 0, c’est-à-dire dans une section minimale ou col. En conséquence la réalisation d’une soufflerie supersonique requiert la mise en place d’une tuyère constituée d’un convergent, qui augmente la vitesse de l’écoulement jusqu’à l’obtention du nombre de Mach unitaire au col, suivi d’un divergent à l’intérieur duquel la vitesse de l’écoulement continue à augmenter pour passer en supersonique.

La soufflerie S5Ch a été construite selon ce principe. Elle entre en service en 1952 et dès 1953 on dépasse la vitesse du son (Mach 1) dans cette installation. Elle permet aujourd’hui l’obtention d’écoulements jusqu’à plus de trois fois la vitesse du son (Mach 3,2). Malgré sa veine d’essai modeste de 0,3 m sur 0,3 m, son fonctionnement requiert une puissance de 1,4 MW. 
En 1959, l’Onera se voit attribuer un contrat de recherches pour concevoir une « Super Caravelle », bientôt appelée Concorde, capable de transporter 100 passagers à Mach 2,2 [1]. Ce seront les heures de gloire de la soufflerie avec la mise au point des entrées d’air. Depuis la soufflerie a servi à de nombreux essais militaires ou civils.

La soufflerie hypersonique R3Ch

L’obtention d’écoulements au-delà de Mach 4 exige un chauffage préalable de l’air avant sa détente dans la tuyère sous peine de le liquéfier. Les écoulements à partir de Mach 4 ou Mach 5 sont souvent qualifiés d’écoulements hypersoniques. Ils concernent principalement le domaine des fusées ou des véhicules spatiaux. Outre un réchauffage de l’air en amont de la tuyère, les souffleries hypersoniques nécessitent une puissance accrue pour amorcer le col de la tuyère. 
Il faut en effet établir une différence de pression entre l’amont et l’aval suffisante pour créer les conditions favorables à cet amorçage, soit une forte compression en amont ou une intense dépression en aval, ou la combinaison des deux effets. De fait ce type de soufflerie, compte tenu des puissances mises en jeu, est le plus souvent « à rafale », c’est-à-dire qu’au contraire des souffleries continues, capables de souffler des heures durant, elles opèrent pendant une rafale, dont la brève durée - quelques secondes à quelques minutes - est déterminée par la capacité des réservoirs amont d’air comprimé ou celle des réservoirs aval de vide.

La soufflerie R3Ch du centre de Meudon, construite en 1965, fonctionne suivant le principe suivant avec d’amont en aval :

  • des réservoirs d’air comprimé à 250 bar
  • un réchauffeur à effet Joule montant jusqu’à 1100 K
  • une tuyère Mach 10 permettant l’obtention de vitesse jusqu’à 5 400 km/h
  • un caisson d’essai
  • un diffuseur
  • une sphère à vide de capacité 500 m3 pour aspirer l’air éjecté du diffuseur

Cette soufflerie permet des rafales longues d’une durée de 12 secondes. Elle a été mise à contribution pour les programmes Ariane et également lors du projet de navette spatiale européenne Hermès à la fin des années 80. Plus récemment elle a été utilisée pour des essais dans le cadre du programme Mars Sample Return, destiné à la conception d’une capsule en vue d’une mission de retour d’échantillons martiens.

Les souffleries de recherche fondamentales

En outre, le DAFE dispose d’un ensemble de souffleries de taille plus modeste mais très précieuses pour l’étude des phénomènes fondamentaux :

  • la soufflerie S19, atteignant une vitesse de 180 km/h dans une section de 0,3 x 0,15 m2, où sont menés des essais de contrôle des écoulements décollés dans des diffuseurs, sur des marches ou à l’intérieur de cavités ;
  • la soufflerie S2L, atteignant une vitesse de 250 km/h dans une veine d’essai de section 1 m2 et de longueur 1,76 m, actuellement utilisée pour des essais d’aérodynamique externe et de contrôle des décollements ;
  • les souffleries S8Ch, constituées de deux circuits indépendants, permettant de produire des écoulements transsoniques et supersoniques de Mach 0,5 à Mach 2 dans des sections d’essais de 0,12 x 0,10 m2. Dans ces souffleries, furent entrepris dès 1956 des essais sur des profils transsoniques et des arrière-corps de missiles et de lanceurs. Dans les années 1970 elles permirent des développements métrologiques (mesure de vitesse au moyen de la vélocimétrie laser à frange), et elles continuent de fournir des résultats de premier ordre dans le domaine du contrôle des écoulements décollés avec choc et des jets et sillage de culots en écoulements compressibles.

 

Perspectives : vers la soufflerie numérique ?

Dans les années 1980, l’avènement des ordinateurs de grosse capacité de calcul et le développement conjoint des méthodes numériques laissaient augurer la disparition à moyen terme des souffleries, certains experts se laissant aller à des prédictions de dates (15 ans ou 20 ans) qui se sont révélées aussi fausses que celles établies dans les années 1970 en ce qui concerne la disparition du pétrole à l’horizon 2000. C’est pourquoi il est sage de ne pas indiquer d’échéance pour l’abandon des essais aérodynamiques au sol, mais il est bien certain que tous les efforts réalisés dans le domaine numérique s’inscrivent dans la perspective de renoncer un jour à la soufflerie. 

Toutefois les nombreux projets de constructions de souffleries dans les pays émergents, et notamment en Inde, montrent qu’en dépit de l’important développement du numérique, le recours à l’expérience est dans le domaine de l’aérodynamique toujours d’actualité.

[1 ] Bazin M., Carpentier J., Chanetz B., Coët M.-C., Dang-Tran K., Délery J., Landré N. et Marec J.-P.
De l’aérostation à l’aérospatiale, Le centre de Recherche de l’Onera à Meudon - Editeur, Onera, 2007
[2] Chanetz B., Coët M.-C. et Tensi J.
La Grande soufflerie de Modane - PEGASE, la revue du Musée de l’Air, n° 137, juin 2010
[3] Chanetz B., Délery J. Et Veuillot J.-P.
Aérodynamique, pp 271-277 + encart XVI-XVII - Encyclopaedia Universalis, 2008
[ 4 ] Coët M.-C. et Chanetz B.
Napoléon, un empereur dans le vent - AeroFrance, la revue de l’Aéroclub de France, n°120, 2ème trimestre 2012
[5] Coët M.-C., Chanetz B. et Peter M..
Gustave Eiffel, pionnier de l’aérodynamique - Centraliens, la revue de l’association des anciens élèves de l’Ecole Centrale, n°617, avril 2012

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