Que sont les souffleries de la NASA ?

Comme le savent bien ceux qui suivent ces pages, la plupart des conditions atmosphériques peuvent être reproduites dans l'espace d'une chambre climatique, l'instrument de laboratoire que nous utilisons chez FDM – Environmental Makers.

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La plupart, mais pas tous. Si l'on veut tester l'impact de fortes masses d'air sur un véhicule, il faut un dispositif supplémentaire. C'est précisément le rôle des souffleries de la NASA.

À quoi servent les souffleries de la NASA ?

site web de la NASA, l'histoire des souffleries est aussi ancienne que celle de l'étude des effets du vent sur les véhicules, ou aérodynamique.

Bien avant que les premiers avions ne voient le jour, les scientifiques savaient que des conditions de laboratoire étaient nécessaires pour tester comment les véhicules interagissaient avec l'air.

Les souffleries ne sont rien de plus que cela : des laboratoires qui reproduisent le flux d'air auquel les objets — principalement des véhicules, mais pas seulement — seront confrontés dans leurs conditions d'utilisation.

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Comment sont fabriquées les souffleries

Les souffleries sont des tubes creux dans lesquels l'air circule à une certaine vitesse. 

À l'intérieur se trouve la chambre d'essai, où est placé l'objet à tester. Il existe différentes méthodes pour introduire de l'air dans la soufflerie et deux types principaux de souffleries : à circuit ouvert et à circuit fermé. La première expulse l'air, tandis que la seconde le recycle et est généralement considérée comme plus précise.

Essais en soufflerie : quels secteurs couvrent-ils ?

Les souffleries de la NASA, parmi les plus perfectionnées au monde, servent principalement à tester les avions et les engins spatiaux. Mais les essais en soufflerie ne s'arrêtent pas là.

Les souffleries servent à tester l'aérodynamisme de tout objet devant défier l'air. C'est pourquoi toute l'industrie automobile investit dans les essais en soufflerie, et les voitures commerciales que nous conduisons quotidiennement sont soumises à ces tests dès la phase de conception. 

Si les voitures doivent atteindre des performances exceptionnelles, les tests en soufflerie sont encore plus rigoureux. C'est le cas des Formule 1. Les motos de course, les vélos et même les vêtements des cyclistes sont soumis à des tests similaires, car ils doivent offrir une résistance à l'air minimale pour gagner de précieuses secondes.

Enfin, pour rester dans le domaine du sport, même les ballons de football et de rugby sont testés en soufflerie afin d'étudier la conception la plus aérodynamique possible.

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La chambre environnementale FDM

Les souffleries constituent un exemple extrême mais important de tests climatiques qui ne peuvent être réalisés avec des instruments de laboratoire classiques.

Pour tous les autres, il y a la chambre climatique. Spécialisées dans les tests en conditions climatiques dites « extrêmes », les chambres climatiques permettent de simuler avec précision et fiabilité toutes les conditions environnementales rencontrées lors des essais de produits et de matériaux.

Pour en savoir plus sur la chambre environnementale FDM, n'hésitez pas à nous écrire.

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Normes de référence

• AIAA S-071A — Pratique recommandée : Évaluation de l'incertitude des données de soufflerie, une norme de référence pour quantifier l'incertitude dans les mesures aérodynamiques.
• AIAA R-092 — Pratique recommandée : Étalonnage des souffleries subsoniques et transsoniques, procédures d'étalonnage pour les souffleries subsoniques/transsoniques.
• NASA SP-440 — Essais en soufflerie : Manuel de référence de la NASA pour la conception et la réalisation d’essais en soufflerie.
• ASME PTC 19.1 — Codes d'essais de performance : Incertitude des essais, une norme d'ingénierie pour l'analyse de l'incertitude dans les essais expérimentaux.
• ISO 5801 — Ventilateurs : Essais de performance utilisant des voies d'air normalisées, applicables aux tunnels pour la qualification des ventilateurs industriels.

Sources faisant autorité

• L'AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) est une organisation de premier plan dans le domaine de l'ingénierie aérospatiale. Elle publie les normes AIAA S-071 et R-092.
• La NASA – Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace. Elle exploite les installations de soufflerie les plus avancées au monde (Langley, Ames, Glenn).
• L'ASME (American Society of Mechanical Engineers) publie la norme PTC 19.1 relative à l'analyse de l'incertitude expérimentale.

Foire aux questions sur la soufflerie de la NASA

Quelle est la différence entre les régimes subsonique, transsonique, supersonique et hypersonique ?

La classification est basée sur le nombre de Mach M = V/c, le rapport entre la vitesse d'écoulement et la vitesse du son locale. Subsonique (M < 0,8) : conditions de vol des avions commerciaux en croisière, des drones, des véhicules terrestres et de l'aérodynamique industrielle. Écoulement incompressible pour M < 0,3, légère compressibilité jusqu'à 0,8. Transsonique (0,8 < M < 1,2) : régime critique avec coexistence de zones subsoniques et supersoniques sur le profil, formation d'ondes de choc mobiles, vibrations de buffeting et augmentation de la traînée. Nécessite des souffleries perforées ou à parois poreuses pour contrôler les réflexions. Supersonique (1,2 < M < 5) : écoulement compressible avec ondes de choc stables, détente de Prandtl-Meyer, applications pour avions de chasse et missiles. Les souffleries utilisent généralement des tuyères de Laval convergentes-divergentes. Hypersonique (M > 5) : phénomènes de dissociation moléculaire, équilibre thermodynamique non atteint, échauffement aérodynamique extrême (rentrée atmosphérique de la navette spatiale : M = 25). Ils nécessitent des tunnels à impulsion (tubes à choc, tunnels de tir) avec des durées d'essai de 1 à 100 ms. Chaque régime requiert une physique, une instrumentation et une infrastructure complètement différentes.

Quelles sont les principales galeries de la NASA ?

La NASA exploite plus de 40 souffleries réparties dans trois grands centres. Centre de recherche Langley (Virginie) : soufflerie dynamique transsonique (4,9 m x 4,9 m, Mach 0-1,2 avec fréon), installation transsonique nationale (NTF) (2,5 m x 2,5 m, N₂ cryogénique jusqu’à -150 °C pour les nombres de Reynolds élevés), soufflerie haute température de 2,4 m. Centre de recherche Ames (Californie) : souffleries de 12 m x 24 m et de 24 m x 36 m (les plus grandes au monde, utilisées pour les hélicoptères et les avions complets), soufflerie unitaire (Mass 0,2-3,5 à l’échelle du modèle réduit), recherche aérodynamique hypersonique (Mass 7+). Centre de recherche Glenn (Ohio) : soufflerie de recherche sur le givrage pour la certification des systèmes antigivrage des moteurs d’avion, soufflerie supersonique de 3 m x 3 m et soufflerie supersonique de 2,4 m x 1,8 m. Les tunnels les plus célèbres de l'histoire sont le tunnel transsonique de 4,9 mètres de Langley (1946, testé pour le X-1 de Chuck Yeager) et le tunnel grandeur nature de 12,2 x 24,4 mètres d'Ames (utilisé pour les missions Apollo, la navette spatiale et Skylab). Le coût horaire des essais dans un tunnel de la NASA varie de 5 000 $ à 30 000 $. L'accès est possible pour les partenaires industriels et académiques via les programmes SBIR et NARI de la NASA, ou par le biais de contrats d'approvisionnement dédiés.

Comment calibre-t-on un tunnel subsonique ?

L' étalonnage d'une soufflerie selon la norme AIAA R-092 requiert une caractérisation métrologique complète : (1) cartographie de l'écoulement dans une chambre d'essai à l'aide de sondes Pitot-statiques et de sondes à 5 trous avec une grille de 20 × 20 cm ou plus fine ; (2) uniformité de vitesse typique de ± 0,5 % dans la section de travail ; (3) turbulence mesurée par anémométrie à fil chaud, valeurs d'intensité de 0,05 à 0,5 % selon la classe ; (4) angle d'écoulement ascendant/latéral < 0,1 degré ; (5) gradient de pression axiale statique environnementale < 0,2 % m/m ; (6) cartographie de la température avec des thermocouples blindés pour un gradient < 1 °C ; (7) sonde de référence dans une chambre de décantation pour la correction continue de la vitesse de référence. La soufflerie est également qualifiée en ce qui concerne l'effet de blocage (modèle occupant % de la section d'essai, corrections Maskell/Pope), la couche limite pariétale (épaisseur et croissance le long de la soufflerie) et l'angularité de l'écoulement pour les modèles d'aéronefs. L'incertitude de mesure finale des forces aérodynamiques (portance, traînée, moment de tangage) doit être documentée conformément au GUM avec des bilans d'incertitude détaillés pour chaque canal.

Mise à l'échelle de Reynolds : comment est-elle appliquée ?

Le nombre de Reynolds Re = rho*V*L/mu compare les forces d'inertie et de viscosité dans l'écoulement. Pour reproduire fidèlement l'aérodynamique d'un avion grandeur nature dans une soufflerie avec une maquette à l'échelle 1:10, un nombre de Reynolds identique serait nécessaire, ce qui impliquerait une vitesse V égale à 10 fois la vitesse réelle. Ceci est souvent impossible en raison de limitations techniques et économiques. Stratégies de correspondance partielle : (1) Les souffleries cryogéniques (NTF Langley) réduisent la viscosité de l'azote à -150 °C, augmentant ainsi Re d'un facteur 5 ; (2) Les souffleries pressurisées jusqu'à 5 atm augmentent la densité de l'air et Re proportionnellement ; (3) Correspondance partielle du nombre de Reynolds avec des extrapolations validées par CFD ; (4) Fixation de la transition par des bandes abrasives pour contraindre la couche limite turbulente à un nombre de Reynolds réduit, simulant ainsi les conditions réelles. Le paramètre critique lors des essais aéronautiques est le nombre de Reynolds (Re_c) calculé à partir de la corde de l'aile : de 20 à 60 millions pour les avions civils en conditions réelles, contre seulement 1 à 5 millions en soufflerie. L' effet Reynolds peut modifier le décollement de la couche limite de 10 à 20 % selon l'échelle, influençant la traînée, la portance maximale et le comportement au décrochage. Chaque projet nécessite un plan de balayage du nombre de Reynolds afin de documenter les résultats de sensibilité.