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Pourquoi cette sonde ?

Le tube de Pitot, actuellement utilisé en aéronautique pour la mesure de la vitesse anémométrique, peut présenter quelques sensibilités aux conditions extérieures. Cette sonde vise donc la conception d’une invention destinée à remédier aux inconvénients de l’état de la technique, grâce à une nouvelle technologie de rupture, impliquant l’absence de tout orifice susceptible d’être obturé, et ainsi offrir à tout aéronef deux technologies de mesure de vitesse anémométrique différentes, gage de sécurité.

Il est d’ailleurs à noter que les incidents sur le tube Pitot sont encore très réguliers, quelle qu’en soit d’ailleurs leur nature, comme en témoigne encore ce récent exemple de « Flight Global » : « Concerns emerge as air-data incidents follow revival of stored aircraft »

https://www.flightglobal.com/safety/concerns-emerge-as-air-data-incidents-follow-revival-of-stored-aircraft/139778.article

 

Avant de commencer, et si vous ne connaissez pas le principe de la sonde (développée par Polyvionics, le CNRS d’Aix-Marseille et Gérard Laruelle), ou ses premières réflexions, vous pouvez vous rendre à l’épisode 1, afin de découvrir le début de son développement :

[Technique] - Sonde anémométrique et d'incidence non givrante (Episode 1) - Survols

En aéronautique, ainsi que dans d'autres domaines techniques, la mesure de la vitesse d'un fluide en écoulement relatif (vitesse anémométrique d'un aéronef, par exemple) est majoritairement réalisée par l'intermédiaire d'un tube Pitot associé à une prise de statique ou par l'intermédiaire d'une antenne de Prandtl également appelé Pitot-statique.

http://survols.canalblog.com

 

Premières réflexions sur la forme :

Au départ, il semblait important de donner les caractéristiques suivantes à la forme de la sonde :

  - une inclinaison de la paroi aval afin que les cristaux de glace présents à certaines conditions atmosphériques ne s’accumulent dans la cavité, et ainsi, soit soient éjectés vers l’extérieur directement, soit le soient par l’intérieur en étant entrainé par le fluide ;

  - une augmentation de la hauteur de la paroi aval afin de compenser l’inclinaison de celle-ci ayant un effet négatif sur le phénomène d’auto-oscillation à exploiter ;

  - un fond courbe pour tangenter la trajectoire du fluide en oscillation (et ne pas bloquer des particules pour leur permettre de sortir de la cavité et de ne pas s’accumuler) ;

  - une rampe éventuelle pour amener le fluide dans la cavité, lorsque celle-ci ne peut être intégrée au fuselage.

A noter que des études CFD ont bien montré une réduction du phénomène exploité pour la mesure de la vitesse (oscillations auto-entretenues mises en évidence par Rossiter) par rapport à l’angle d’inclinaison de la paroi aval telle qu’elle est prévue. Celle-ci a été faite par le CNRS d’Aix-Marseille ; elle n’est pas destinée à la mettre en évidence de manière quantitative, mais qualitative, ayant été réalisée à faibles vitesses.

angle_paroi_aval

 

De par les caractéristiques dont doit disposer la sonde pour être opérationnellement robuste, une première forme s’est naturellement dégagée, comme le montre la figure ci-dessous :

forme0

 

Une première maquette a été réalisée et testée en soufflerie, et les premiers résultats se sont montrés concluants, les densités spectrales des mesures étant les suivantes et permettant de mettre en évidence 3 modes d’oscillation et donc de remonter à la vitesse :


Cependant, deux problèmes importants sont apparus :

  - tous les modes (fondamentale et harmoniques) ne sont pas présents dans le spectre ; 

modes_forme0

  - la direction du fluide a été testé en étant parfaitement parallèle à la longueur de la sonde. Si la sonde est installée sur le côté d’un fuselage, quid de l’influence de l’incidence.

Pour comprendre le premier problème (modes non présents), la forme de base ci-dessus a été testée en soufflerie numérique CFD, et il est apparu que le bord de fuite de la sonde étant trop court, engendrait des Allées de Von Karman qui perturbaient l’oscillation dans la cavité : 


Une analyse des densités spectrales théoriques permet de retrouver les fréquences… 

modes_forme0_comparison

Même si les modes absents de la sonde réelle sont présents dans la simulation CFD, dans aucun cas ils n’apparaissent clairement.

Ainsi, il a été décidé de tester (en CFD) une forme avec un bord de fuite allongé pour vérifier que le problème (modes non présents et n’apparaissant pas clairement) était bien atténué. La nouvelle forme permet, en effet, d’atténuer l’influence des Allées de Von Karman.

 

L’analyse montre, en effet, une présence complète et claire de tous les modes (même si un saut de puissance régulier, dont l’origine est inconnue, est observé) : 


Toutes ces formes 3D étudiées jusque là sont intéressantes, et ont commencé à montrer un certain potentiel dans la mesure de la vitesse anémométrique d’un aéronef.

Malheureusement, parmi leurs inconvénients, leurs sensibilités (non forcément explicite) à l’incidence pouvaient se montrer handicapantes, et une nouvelle stratégie de conception de la forme 3D a dû être entreprise.

 

La simplicité de mise

A force de chercher des solutions complexes à des problèmes simples, il est possible de passer à côté du design qui permet de résoudre tous les problèmes en même temps. 

Capture1

En effet, grâce à notre partenariat avec le CNRS d’Aix-Marseille via Gilles Bouchet, en considérant une cavité incluse dans le fuselage d’un aéronef, et reprenant bien les caractéristiques nécessaires (paroi aval inclinée, etc.), mais tout en gardant une symétrie axiale permettant d’être robuste à l’incidence de l’avion, une forme de pseudo-coupole a finalement montré jusque-là le plus grand potentiel à être opérationnel dans la mesure de la vitesse anémométrique d’un appareil. 

capsule_cfd

Des simulations CFD ont confirmé les résultats très prometteurs de cette forme, que cela concerne sa précision (inchangée) mais également sa robustesse à l’incidence.

De plus, l’installation de plusieurs capteurs internes donnent même théoriquement la possibilité d’estimer l’incidence, en fonction des puissances des modes.

Fort de ces résultats, il a été décidé de tester cette configuration en soufflerie.

capsule1 

Il est à noter que l’installation du capteur a été réalisée de manière à ne pas provoquer de sources potentielles de points d’arrêt !

 

installation_capteur

Comme prévu, les essais en soufflerie, malgré leur « aspect artisanal », ont donné des résultats encourageant que cela soit en termes de précision ou de robustesse, indiquant ainsi que la voie choisie est la bonne.

Capture du 2020-10-12 01-15-41

Capture du 2020-10-12 01-25-10

Capture du 2020-10-12 01-30-32

La suite du programme consiste en la réalisation d’un prototype... Polyvionics toujours à la recherche d'un partenaire industriel de l’aéronautique qui serait intéressé par ce projet...