Lanceur spatial

Le département de la défense nationale canadienne a souligné le rôle crucial de l’accès à l’espace pour assurer la sécurité nationale. Il suffit de penser à la surveillance du grand nord canadien, qui deviendra une voie maritime importante pour les navires. Présentement, le Canada possède une bonne expertise dans le développement de satellites. Par contre, les satellites développés au Canada sont mis en orbite par des lanceurs étrangers. Cette dépendance, entretenue depuis plusieurs décennies par le Canada, a créé une situation où le pays est incapable de mettre ses satellites en orbite dans un temps qui respecte ses besoins.

Le programme de recherche dans lequel s'inscrit ce projet a pour objectif d’étudier des concepts de guidage, navigation et contrôle (GNC) viables pour le développement d’un petit véhicule de lancement spatial canadien. L’analyse des concepts nécessitera le développement de modèles du futur lanceur, utilisés pour la réalisation de simulations. Une prédiction adéquate du comportement aérodynamique et aéroélastique du lanceur est essentielle à ces modèles. Cet aspect représente l’objet principal du travail confié au LMFN. Les premières approches développées assumeront que le corps du lanceur est rigide. Par la suite, des modèles qui tiennent compte de l’aéroélasticité du véhicule seront développés. En effet, l’aéroélasticité est un aspect extrêmement important qui doit absolument être pris en compte dans l’étude des concepts.

La mise en orbite d’un satellite n’est pas une chose triviale. Le système de GNC du lanceur doit composer avec le comportement aéroélastique du projectile. La vitesse du vent ainsi que les variations de pression, de température et de gravité en fonction de l’altitude et les perturbations soudaines ont tous une influence sur le comportement en vol du lanceur et donc sur sa réponse aéroélastique. Le lanceur doit aussi supporter des vitesses élevées, une forte accélération, des vibrations importantes générées par les moteurs, les chocs brusques produits par la séparation des étages, la non-similarité parfaite des moteurs sur un même étage ainsi que les variations constantes de la vitesse et du poids du lanceur durant le vol. La structure du lanceur doit pouvoir supporter de façon efficace ces phénomènes tout en étant aussi légère que possible. La flexion et la vibration du lanceur est inévitable, d’où l’importance de la modélisation aéroélastique.

Le projet étudie donc le comportement aéroélastique d’un modèle de lanceur par le biais de bilans d’énergie qui permettent de déterminer si des conditions de vol sont problématiques (les amplitudes de vibrations augmentent). Un code d’interactions fluide-structure est aussi développé pour connaître les propriétés aérodynamiques de l’écoulement d’air autour du lanceur.

Le projet de l’étude aéroélastique du lanceur est divisé en trois parties. Tout d’abord, avec la mécanique des fluides numérique et l’analyse modale de la mécanique des solides, un premier outil a été créé : un code de déformations imposées. Ce code a permis de faire des analyses aérodynamiques instationnaires avec des déformations imposées selon la forme des modes vibratoires du lanceur. Il utilise le langage UDF d’Ansys Fluent. Ensuite, des analyses aéroélastiques statiques ont pu être effectuées et ont donné une déformation maximale faible. Enfin, un code de couplage aéroélastique dynamique utilisant la sommation de modes implémenté dans ANSYS Fluent a été développé et validé. Le solide est résolu dans le temps avec une méthode de différences centrées au deuxième ordre de manière explicite. Le couplage est assuré par une méthode d’interpolation entre les maillages fluide et solide à l’aide de fonctions de bases radiales. Un cas test de validation avec plaque plane flexible a aussi été réalisé et comparé avec les équations théoriques des poutres ainsi qu’à un autre solveur d’interactions fluide-structure commercial. Le code a été appliqué au lanceur afin de comprendre le phénomène aéroélastique dynamique. Les déformations maximales atteintes pour le régime instationnaire sont de l’ordre de 0.4% de la longueur du lanceur. Les coefficients aérodynamiques varient peu durant le cycle vibratoire. Il a aussi été montré que le premier mode est celui qui est le plus facilement excité par des perturbations. Une analyse de la déformation généralisée a montré que l’amortissement provenant de l’aérodynamique est faible, ce qui implique que les fréquences d’oscillation observées sont très similaires aux fréquences naturelles prédites.

Les travaux effectués ont permis de déterminer que la flexion statique du lanceur n’est pas une source de préoccupation pour le design d’un lanceur. Le point le plus sensible réside dans le comportement vibratoire du lanceur. En effet, il a été démontré que les vibrations causées par les perturbations sont d’amplitudes faibles mais non négligeables. Ces amplitudes peuvent augmenter si les perturbations persistent, puisque l’amortissement fourni par le fluide est faible. Aussi, la partie avant du lanceur est beaucoup plus sensible aux perturbations que la partie arrière.

Les codes aéroélastiques et la méthodologie développés ont permis de comprendre le comportement aéroélastique de la géométrie du lanceur canadien. Il serait éventuellement intéressant de vérifier la possibilité d’utiliser un solveur plus simple pour la modélisation fluide, d’ajouter des fonctionnalités de dynamique du corps flexible, d’ajouter le contrôle GNC et de tester sa réponse, d’investiguer le brassage du carburant dans les réservoirs et de tester différentes configurations et matériaux de la structure du lanceur. Finalement, il faut noter que le code de couplage aéroélastique développé est applicable à d’autres projets d’interactions fluide-structure d’intensité faible à modérée sans nécessiter de grandes modifications. 

Lanceur de matériau très mou (équivalent à du caoutchouc – pour obtenir une déformation visible) évoluant à Re=1E6 et Ma=2.5 soumis à un écoulement avec incidence variable dans le temps suivant une fonction sinusoïdale. Les contours de pression et les lignes de courant sont montrés sur la coupe centrale tandis que les structures 3D bleutées représentent les ondes de choc (gradients de densité).