Le marquage laser femtoseconde mesure la vitesse d'un écoulement plasma hypersonique

Les ingénieurs qui testent des boucliers thermiques au sol se heurtent à un problème délicat. Les installations qui reproduisent le mieux l'échauffement de rentrée atmosphérique sont les souffleries à arc (arc-jets), qui projettent sur un échantillon de l'air chauffé électriquement et partiellement ionisé. Ce plasma est assez chaud pour détruire une sonde et assez lumineux pour aveugler une caméra. Une équipe du centre de recherche en aérodynamique (Aerodynamics Research Center) de l'University of Texas at Arlington vient de publier une mesure de vitesse par laser réalisée dans cet environnement. L'article est paru dans Communications Engineering. Ses auteurs sont les doctorants Aaron Gieder, Nikkhil Chander et Alyssa Velky, ainsi que le professeur Luca Maddalena, avec des coauteurs de Texas A&M, de Hy-SET LLC et de Speckodyne Inc. Les listes de références citent également Laura et Arthur Dogariu et Daniel Palmquist parmi les auteurs.

Selon l'annonce de l'université, la technique atteint la couche de choc, cette région mince située entre l'onde de choc détachée et la surface du véhicule, où le gaz est le plus chaud et où le comportement de la couche limite détermine la charge thermique.

01Inscrire un traceur dans le gaz

La méthode s'appelle FLEET, pour femtosecond laser electronic excitation tagging (marquage par excitation électronique au laser femtoseconde). La vélocimétrie conventionnelle ensemence l'écoulement de particules et les suit. En régime hypersonique, cela échoue : les particules accusent un retard sur le gaz à la traversée des chocs, peuvent contaminer la soufflerie et ne peuvent pas être injectées proprement dans un plasma. FLEET contourne le problème en fabriquant le traceur à partir du gaz lui-même.

Comme l'explique l'UT Arlington, un train d'impulsions laser extrêmement brèves, chacune durant un millionième de milliardième de seconde, dissocie les molécules d'azote de l'air. Lorsque les atomes se recombinent en molécules, ils émettent de la lumière et dessinent une fine ligne qui se déplace avec l'écoulement ; une caméra à haute cadence suit cette ligne au fil du temps. Un rapport technique de la NASA sur FLEET en détaille le calcul. Le marquage est imagé par une caméra rapide à déclenchement synchronisé, avec un retard réglable, et la vitesse se déduit du déplacement pendant ce retard. Une autre étude chinoise, menée en soufflerie hypersonique, note que la fluorescence dure de l'ordre de la microseconde, alors que la porte temporelle de la caméra est réglée sur quelques centaines de nanosecondes. Le marquage est donc un repère très éphémère, et le réglage de la porte doit lui être adapté.

Le laser est en outre non intrusif. Selon Maddalena, la méthode permet de mesurer la turbulence « très près de la surface » du matériau dans la couche de choc, une zone qu'une sonde physique perturberait ou détruirait. L'équipe affirme que le laser ne perturbe pas l'écoulement. Dissocier une petite fraction de l'azote le long d'une ligne est une intervention très légère comparée à une sonde plongée dans un plasma.

FLEET n'est pas nouveau en hypersonique. Des chercheurs l'ont employé dans de grandes installations, par exemple pour mesurer la vitesse longitudinale à Mach 8 dans la soufflerie hypersonique de Sandia. La question plus difficile était de savoir s'il fonctionnerait dans une soufflerie à arc, avec sa lumière parasite extrême.

02Pourquoi les arc-jets sont difficiles

La soufflerie à arc de l'UT Arlington, baptisée Leste, est entrée en service en 2019. L'université la présente comme la première du genre dans une université et l'une des rares souffleries à arc des États-Unis. Le groupe a publié en 2021 la première mesure FLEET réalisée dans un arc-jet. La soufflerie était une installation à plasma de 1,6 MW, et la vitesse moyenne du gaz dans le panache pour la condition étudiée était de 1,78 km/s.

Le communiqué de 2020 sur cette première démonstration identifiait la difficulté centrale : séparer la faible rémanence du signal du traceur de l'intense émission de fond produite par le plasma. Une étude ultérieure du même groupe sur la turbulence a eu recours à une solution optique classique. Elle a appliqué un filtre passe-haut à 725 nm et un algorithme de soustraction du fond pour isoler le signal FLEET du rayonnement de l'arc-jet. Ce travail portait sur un écoulement d'azote dans une tuyère à Mach 4, un cas bien plus simple que l'air. Il montre aussi à quel point les données sont sélectives : sur 4 722 images, seules 563 étaient exploitables pour mesurer la vitesse.

Passer de l'écoulement libre à la couche de choc dans l'air représente un cap plus difficile, pour deux raisons :

• Extinction du signal (quenching). L'oxygène de l'air chaud affaiblit l'émission des molécules d'azote. Le marquage devient plus faible et plus difficile à imager, et marquer de l'air dans des conditions réalistes est un cas plus ardu que l'azote pur.
• Fond lumineux. La couche de choc est la zone où le plasma brille le plus, de sorte que le rapport signal sur fond y est à son pire.

D'après le résumé de Tech Xplore, l'équipe a obtenu des mesures de vitesse malgré l'intense émission du plasma et la perte de signal liée à l'oxygène. Un résumé publié par Bioengineer.org indique que les vitesses dans le cœur du jet étaient cohérentes avec les conditions de fonctionnement de l'installation et avec des diagnostics complémentaires, et que les profils résolus spatialement faisaient apparaître des structures que des mesures ponctuelles auraient moyennées. Je n'ai pas pu accéder à l'article complet ; je ne peux donc pas rapporter les incertitudes, la résolution spatiale, la cadence du laser ni les conditions d'essai exactes. Ces chiffres déterminent dans quelle mesure d'autres laboratoires pourront reproduire le résultat.

03Pourquoi la turbulence dicte l'épaisseur des boucliers thermiques

L'intérêt pratique tient au transfert de chaleur. L'UT Arlington rappelle que, lorsqu'un écoulement d'air régulier devient turbulent, la charge thermique sur un véhicule peut être multipliée par 10 ou plus. Les systèmes de protection thermique doivent être dimensionnés pour l'échauffement le plus sévère raisonnablement envisageable. Si les essais au sol surestiment ou sous-estiment la turbulence, ou si les concepteurs ne peuvent pas vérifier ce que la soufflerie a produit, la marge doit couvrir l'incertitude. Cette marge coûte de la masse, et la masse coûte cher, tant sur les engins spatiaux que sur les véhicules hypersoniques.

Jusqu'à présent, une bonne part de ce qui se passe à la paroi dans une soufflerie à plasma était déduite. Les simulations d'écoulements turbulents, réactifs et ionisés comportent de fortes incertitudes de modèle, et elles ont besoin de données proches de la paroi pour être vérifiées. Le groupe de Maddalena poursuit ce travail grâce à un financement de l'Office of Naval Research. Un communiqué de l'UT Arlington de 2022 décrivait une subvention destinée à étudier l'effet d'un écoulement hypersonique turbulent sur les matériaux de protection thermique, en particulier aux bords d'attaque et aux nez, à l'aide de la TALIF femtoseconde, de FLEET et de la spectroscopie Raman anti-Stokes cohérente (CARS). Le site du groupe arc-jet mentionne une autre subvention visant à ajouter la CARS aux diagnostics par laser femtoseconde de l'arc-jet. La CARS mesure la température et les espèces chimiques plutôt que la vitesse. Combiner ces diagnostics donnerait la vitesse, la température et la composition dans un même écoulement.

04Essais au sol et vol réel

Maddalena avance un point inhabituel sur le réalisme des essais. Selon lui, l'équipe « teste dans des conditions pires » qu'en vol réel, car l'écoulement de plasma généré dans les installations au sol est plus turbulent que celui que subit un véhicule. Une soufflerie qui ajoute de la turbulence ne flatte rien : elle tend à surestimer l'échauffement par rapport au vol. L'objectif du groupe est de quantifier cet effet afin de pouvoir corriger les données de n'importe quelle soufflerie vers les conditions de vol. Il précise : « quelle que soit la soufflerie utilisée ».

C'est un objectif, pas un résultat. L'article démontre que la mesure est possible ; il ne démontre pas que la correction fonctionne. Transformer des statistiques de vitesse près de la paroi en une méthode validée d'extrapolation au vol exigera des comparaisons avec des modèles numériques, des données de flux thermique sur des échantillons réels et, idéalement, des données de vol. Parmi les questions ouvertes auxquelles les documents publics ne répondent pas :

• l'épaisseur minimale de la couche résolue contre la paroi ;
• la manière dont la correction de l'extinction par l'oxygène est traitée quantitativement ;
• la répétabilité des mesures en tir unique d'une condition d'essai à l'autre.

L'article marque une étape en matière de capacité de mesure. Il rend observable une grandeur jusqu'ici invisible dans l'un des environnements d'essai les plus hostiles qui soient, et c'est le préalable au travail de dimensionnement des boucliers thermiques décrit plus haut.