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RÉSUMÉ
Dans l'aéronautique, hormis les facteurs humains, le givrage reste encore à ce jour la première cause d 'accident. Des gouttelettes d'eau surfondues, abritées par certains nuages, viennent heurter la structure de l'aéronef, y givrent en masse, formant rapidement de la glace en grande quantité. Ce phénomène modifie de manière conséquente le profil aérodynamique, et peut conduire jusqu'à l'arrêt des moteurs pertubés par cette glace "avalée". Le recours à la simulation numérique permet d'optimiser les systèmes de protection, qui par effet thermique ou mécanique limitent la quantité de glace se déposant. Les essais en soufflerie gibrante viennent compléter cette approche.
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Didier GUFFOND : Chargé de mission « Givrage des aéronefs » - Centre français de recherche aérospatiale (ONERA), France
INTRODUCTION
Identifié comme risque majeur dès le début de l'aéronautique, le givrage reste à ce jour la première cause d'accident hors facteurs humains.
Le givrage résulte de la captation et de la congélation plus ou moins rapide de gouttelettes d'eau surfondues (liquides à une température négative) présentes dans certains nuages traversés par les aéronefs. Les gouttelettes d'eau heurtent la partie frontale des différentes structures de l'appareil, rompant l'état instable de surfusion et conduisant à la formation de glace. En absence de protection, cette accumulation de glace peut provoquer, d'une part, des modifications très importantes des profils aérodynamiques des voilures, et d'autre part, des extinctions des moteurs dues à l'ingestion de glace se détachant des entrées d'air. Des systèmes de protection existent, permettant par des actions mécaniques ou thermiques de limiter la quantité de glace se déposant sur l'aéronef.
Pour étudier ce phénomène, optimiser les systèmes de protection et vérifier leur efficacité dans tout le domaine de vol, tout en limitant le nombre d'essais en vol, deux moyens complémentaires sont utilisés : la simulation numérique et les essais en soufflerie givrante. Pour les simulations numériques, le présent document analyse les différents modèles et donne le détail des termes négligés. Pour les essais en soufflerie, la dimension de la maquette ne permet généralement pas de travailler à échelle 1 et il est nécessaire d'utiliser une maquette à échelle réduite. L'approche classique par analyse dimensionnelle ne permet pas dans le cas du givrage de définir des lois de similitude exactes, raison pour laquelle des règles de similitude approchées ont été définies.
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Annexes et données accidents/incidents
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6. Conclusion et perspectives
Si pour les conditions givrantes correspondant à l'annexe C de la FAR la modélisation des formes de glace d'une part et les conditions d'essais en soufflerie d'autre part sont assez bien maîtrisées, il n'en n'est plus de même pour les conditions SLD et les conditions mixtes. Concernant les codes ou les souffleries, des progrès restent à faire. Pour les SLD, l'équilibre thermique de la goutte (goutte ayant la même température que l'air environnant) ne peut généralement pas être obtenu : une goutte de 20 μm parcourt 12 cm avant d'atteindre cet équilibre, une goutte de 200 μm (bruine) 12 m et une goutte de pluie (2 mm) 120 m. En outre les avancées technologiques ne vont pas dans le sens d'une simplification du problème. On peut citer de manière non exhaustive :
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la généralisation de l'utilisation des matériaux composites interdira l'antigivrage par air chaud sous sa forme actuelle : air ayant en sortie de picolo une température de 200 oC alors que les composites utilisés sont détruits si la température est supérieure à 120 oC. On peut envisager un antigivrage électrique mais celui-ci est un gros consommateur d'énergie (2 W/cm2 environ) ;
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les nouveaux moteurs à haut taux de dilution seront plus sensibles aux cristaux de glace et ne pourront pas délivrer autant d'énergie que les moteurs classiques.
Pour les codes de simulation, des études sont en cours pour se rapprocher de la physique du phénomène : abandon de la méthode de Messinger au profit d'une approche par modélisation d'un film d'eau. D'autre part, dans le cadre du projet PHYICE, l'ONERA étudie expérimentalement et numériquement le problème des coefficients d'échange convectif sur une paroi rugueuse.
Pour faire face à ces défis, l'Union européenne finance actuellement deux programmes de recherche :
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STORM (efficient ice protection Systems and simulation Techniques Office Release on propulsive systeMs – systèmes de protection contre le givre efficace et techniques de simulation du départ de la glace sur des systèmes propulsifs) ;
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HAIC (High Altitude Ice Crystals – cristaux de glace à une altitude élevée).
Améliorés, les simulations numériques et les essais en soufflerie resteront encore longtemps des outils indispensables pour la mise au point et la certification des aéronefs en conditions givrantes.
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Conclusion et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LANGMUIR (I.), BOLDGETT (K.A.) - Mathematical investigation of water droplet trajectories. - Army Air Forces Technical Report, no 5418, fev. 1946.
-
(2) - MAKKONEN (L.J.) - Heat transfer and icing of a rough cylinder. - Journal of cold region science and technology, 10, p. 105-116 (1985).
-
(3) - MESSINGER (B.L.) - Equilibrium temperature of unheated icing surface as a function of airspeed. - Journal of Aeronautical SC, vol. 20-21, p. 29 (1953).
-
(4) - WRIGHT (W.B.), POTAPCZUK (M.G.) - Semi empirical modelling of sld physics. - Proc 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, janv. 2004.
-
(5) - IULIANO (E.), MINGIONE (G.), PETRSITO (F.), HERVY (F.) - Eulerian modelling of SLD physics towards more realistic aircraft icing simulation. - AIAA 2010-7676.
-
(6) - HONSEK (R.), HABASHI...
ANNEXES
AC-9C Aircraft Icing Technology Committee organise deux réunions par an (Spring et Fall meetings) http://www.sae.org/events/icing/specialevents.htm
Congrès organisé annuellement par l'AIAA. AIAA Aviation and Aeronautics Forum and Exposition https://www.aiaa.org/aviation
HAUT DE PAGE
BEA http://www.bea.aero/index.php
NTSB http://www.ntsb.org
ONERA http://www.onera.fr/
CIRA (Centro Italiano Di Ricerche Aerospaziali) http://www.cira.it/en
NASA Glenn Research Center http://www.nasa.gov/centers/glenn/home/#.UukZ-oaFfh5 http://facilities.grc.nasa.gov/irt/
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