Essais & Simulations n°125

Le projet DEMEA a reçu

Le projet DEMEA a reçu le soutien du ministère du Redressement productif Eurosatory dossier Projet Une technologie de rupture pour le dégivrage d’entrée d’air d’un turbomoteur Dans le domaine aéronautique, le givrage est une difficulté majeure. Pour cette raison, la fonction dégivrage de tous les aéronefs (en particulier des entrées d’air moteur) est d’une importance capitale pour la sécurité des vols. Notablement différente des dispositifs existants, une technologie innovante, basée sur le chauffage par micro- ondes des parties exposées au givre, a été étudiée dans le cadre d’un programme de recherche DGA. À partir de simulations numériques et d’essais partiels ayant nécessité de nombreux échanges et recalages, un démonstrateur a été réalisé. La démarche employée a permis de conforter par un essai global sur une installation de référence de la DGA (Petit Anneau Givrant) la viabilité du principe de chauffage par hyperfréquence, mais avec des performances insuffisantes vis- à- vis du besoin (les températures de dégivrage atteintes ont été de - 5 °C pour un objectif de - 30 °C). Sont présentées ci- après les différentes étapes de sa réalisation. Le contexte Dans le domaine aéronautique, le givrage est une difficulté majeure. Pour cette raison, la fonction dégivrage de tous les aéronefs (en particulier des entrées d’air moteur) est d’une importance capitale vis- à- vis de la sécurité des vols. Les technologies les plus utilisées pour les moteurs d’hélicoptère (turbomachines) consistent à : • prélever l’air chaud à la sortie du compresseur pour réchauffer les zones sensibles de l’entrée d’air, • alimenter par voie filaire de nombreuses résistances électriques chauffantes insérées dans ces mêmes zones, • filtrer et/ou séparer les particules de glace dans l’entrée d’air. Elles présentent des limites en performance, et aussi des inconvénients significatifs en termes de d’encombrement, de masse, de coûts, ou d’efficacité énergétique. Face à ce constat, TURBOMECA a breveté (PCT- WO 2008/132376) une technologie originale de dégivrage et d’antigivrage d’entrée d’air pour ses moteurs, par chauffage microondes de matériaux absorbant ces ondes et placés sur les parties sensibles. Sa faisabilité a été démontrée par simulation numérique et essais partiels dans le cadre d’une étude interne. Les résultats prometteurs obtenus ont montré l’intérêt de poursuivre cette étude de faisabilité par un projet de démonstrateur expérimental. Du point de vue technique, le principe proposé est basé sur un transfert d’énergie aux zones à dégivrer (pales de prérotation, grille d’entrée d’air) en utilisant des ondes électromagnétiques. Du point de vue opérationnel, il présente de nombreux avantages vis- à- vis des attentes des utilisateurs d’aéronefs, en particulier en améliorant la disponibilité, la capacité de pénétration en zone givrante, et la sécurisation des vols par la diminution de la vulnérabilité. Les travaux réalisés Figure 1 : Schéma d’une entrée d’air Ils entrent dans le cadre du projet DEMEA financé par la DGA (RAPID) et qui s’est achevé fin 2015 par une estimation expérimentale de son efficacité dans des conditions opérationnelles sur le petit anneau givrant (PAG) de la DGA/EP à Saclay (flux d’air de plusieurs centaines de m 3 /s à des températures négatives). ESSAIS & SIMULATIONS • N° 125 • Mai-Juin 2016 I55

dossier Eurosatory Partant de la vérification du concept par des simulations numériques de plus en plus complexes, les travaux réalisés ont nécessité : • un développement d’une filière de matériaux magnétiques absorbants adaptés à la fréquence de chauffage retenue (2,45 GHz), • la réalisation d’une maquette numérique multiphysique (électromagnétisme- thermique) et d’une maquette de laboratoire intégrant ces matériaux sur les pièces à dégivrer, ainsi qu’un système contrôle – commande de chauffage hyperfréquence, • la mesure sans flux d’air des cartographies des températures sur les pièces à dégivrer de la maquette et la comparaison avec des simulations, • une extrapolation aux conditions qui seront rencontrées dans le petit anneau givrant (PAG) du CEPR, avec prise en compte de la convection par un coefficient d’échange, • la fabrication d’un démonstrateur instrumenté pour les essais PAG. Le projet s’appuie sur 3 partenaires et deux sous- traitants : • RESCOLL, porteur de projet, pour la partie matériau (conception, formulation et réalisation) et simulations- mesures thermiques et hyperfréquences (réalisées par le laboratoire IMS de l’université de Bordeaux). • NEXEYA Systems, pour la partie génération des hyperfréquences : système contrôle- commande, source, antennes. • TURBOMECA, End User, pour la spécification du besoin, la fourniture du démonstrateur, son instrumentation et la conduite des essais dynamiques. L’expertise et la conduite technique du projet ont été réalisées par METEXO. Nous résumons ces travaux ci- après, en présentant en particulier les interactions entre les simulations numériques et les essais, qui ont permis de lever progressivement les verrous technologiques, de concevoir et réaliser le démonstrateur et d’en mesurer les performances dans des conditions représentatives de l’environnement opérationnel. Comment ça marche ? Le principe : C’est celui des fours micro- ondes du commerce. On utilise les micro- ondes (2,45 GHz) confinées dans une cavité conductrice constituée par la grille d’entrée d’air, le conduit et les pales pour chauffer des peintures absorbantes (qui convertissent l’énergie électromagnétique en énergie thermique). Elles sont déposées en faible épaisseur (quelques centaines de µm) sur les zones sensibles et permettent de faire fondre la glace qui pourrait se former sur celles- ci (fonction dégivrage) ou éviter le dépôt de glace (fonction antigivrage). Cette solution, qui permet un transfert d’énergie au cœur du matériau, présente un avantage majeur en terme de rendement énergétique par rapport aux systèmes existants utilisant un chauffage résistif (analogie avec les plaques à induction vs les plaques vitrocéramiques). Les constituants de la cavité étant conducteurs (métal ou composite carbone), l’emploi de matériaux purement diélectriques absorbant Figure 2 : Champs EM dans la cavité les micro- ondes ne présente aucune efficacité, car le champ électrique tangentiel à leur surface est nul. La solution de matériaux magnétiques déposés sous de faibles épaisseurs (pour minimiser le poids) sur les éléments sensibles a donc été retenue. Ses limites : L’énergie électromagnétique rayonnée dans la cavité est fournie par des antennes de type monopole (donc monofréquence). Elle varie spatialement, car elle correspond à la combinaison des modes propres de la cavité comme le montre la figure ci- contre (obtenue par calcul). Ces dépôts hétérogènes d’énergie conduisent naturellement à des gradients de température sur les matériaux chauffants. Pour les réduire, on utilise la conduction thermique du support. Cela implique que les phénomènes de convection avec l’air ne soient pas prépondérants. Dans le cas contraire, il faut utiliser d’autres techniques (brassage de modes, source hyperfréquence large bande…) incompatibles du budget prévu pour ce projet. Les points prioritaires pris en compte dans la réalisation du démonstrateur : • une absence de points en dessous de 0 °C, pour éviter des dépôts locaux de glace, • une maîtrise des fuites hyperfréquences dans le flux d’air des maquettes d’essai, pour être compatibles des normes CEM, • une robustesse et une efficacité du système de chauffage hyperfréquences. Absence de zones en dessous de 0 °C Les modélisations effectuées, associées à des essais permettent de dimensionner le système et d’optimiser les temps de chauffage : choix des compositions de peinture, de leur épaisseur, emploi de supports conducteurs de la chaleur, stratégie d’injection des signaux de chauffage… Robustesse et efficacité du système de chauffage Des solutions et des technologies utilisées dans les systèmes contrôlecommande soumis à des environnements électromagnétiques sévères (utilisation de capteurs de température à fibre optique par exemple) ont été retenues. Le logiciel de pilotage développé permet d’optimiser 56 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 125 • Mai-Juin 2016