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\begin{document}

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\title{Propulsion a\'{e}ronautique : études exp\'{e}rimentales de la
combustion}

\alttitle{\selectlanguage{english}Aeronautical
propulsion{:} experimental combustion studies}

\author{\firstname{Axel} \lastname{Vincent-Randonnier}\CDRorcid{0000-0001-8096-1458}}
\address{ONERA, D\'epartement de Multi-Physique pour l'\'Energ\'etique, Toulouse, France}
\email{axel.vincent@onera.fr}

\keywords{\kwd{Propulsion a\'eronautique}\kwd{Combustion
a\'erobie}\kwd{Turbomachines}\kwd{Moteurs}\kwd{\'Emissions polluantes}}

\altkeywords{\kwd{Aeronautical propulsion}\kwd{Air breathing
combustion}\kwd{Turbomachinery}\kwd{Engines}\kwd{Pollutant emissions}}

\begin{abstract}
Hors aviation l\'eg\`ere, l'essentiel de la propulsion a\'eronautique
repose sur la mise en {\oe}uvre des turbomachines dont les performances
\'energ\'etiques et environnementales ne cessent de s'am\'eliorer. 
Apr\`es avoir rappel\'e les principes et domaine de fonctionnement de
ce type de moteur ainsi que les probl\'ematiques rencontr\'ees dans
l'\'etude de la combustion, nous \'evoquerons les moyens d\'eploy\'es
\`a l'Office National d'\'Etudes et de Recherche A\'erospatiale (ONERA)
pour accompagner les efforts de d\'eveloppement et d'optimisation des
motoristes. Les essais r\'ecemment r\'ealis\'es avec un nouveau concept
d'injecteur fonctionnant \`a l'hydrog\`ene ont ainsi permis une
r\'eduction drastique des niveaux d'\'emissions d'oxydes d'azote par
rapport \`a un moteur fonctionnant au k\'eros\`ene.
{\vspace*{2pt}}
\end{abstract}

\begin{altabstract}
Apart from light aviation, the majority of aeronautical propulsion
relies on the implementation of turbomachinery, whose energy and
environmental performances are continuously improving. After recalling
the principles and operational scope of this type of engine, as well as
the issues encountered in the study of combustion, we will discuss the
resources deployed at the National Office for Aerospace Studies and
Research (ONERA) to support the development and optimization efforts of
engine manufacturers. Recent tests conducted with a new
hydrogen-powered injector concept have drastically reduced nitrogen
oxide emissions compared to a kerosene-powered engine.
{\vspace*{2pt}}
\end{altabstract}

\maketitle

\end{noXML}


\section*{}
La machine \`{a} vapeur invent\'{e}e par Denis Papin est une machine
qui convertit une source d'\'{e}nergie (originellement chimique) en
\'{e}nergie thermique, et transf\`{e}re la chaleur produite \`{a} un
fluide, l'eau, qui passe alors de l'\'{e}tat liquide \`{a}
l'\'{e}tat gazeux. Ce changement d'\'{e}tat s'accompagne d'une
forte expansion du fluide conduisant, dans un espace confin\'{e}, \`{a}
une augmentation de pression (conversion d'\'{e}nergie thermique en
\'{e}nergie m\'{e}canique).

\`{A} l'instar de la machine \`{a} vapeur, un moteur d'a\'{e}ronef
convertit une source d'\'{e}nergie chimique en \'{e}nergie thermique
par combustion puis en \'{e}nergie m\'{e}canique (quantit\'{e} de
mouvement), les gaz \'{e}mis \`{a} tr\`{e}s haute temp\'{e}rature
\'{e}tant soit acc\'{e}l\'{e}r\'{e}s au moyen d'une tuy\`{e}re pour
propulser directement l'a\'{e}ronef, soit utilis\'{e}s pour actionner
une h\'{e}lice (ou un rotor dans le cas des h\'{e}licopt\`{e}res).

Parmi les diff\'{e}rences notables entre ces deux machines, on remarque
que dans le cas de la machine \`{a} vapeur, les fonctions de conversion
chimique/thermique et thermique/m\'{e}canique ont lieu dans des espaces
s\'{e}par\'{e}s alors que dans le moteur d'a\'{e}ronef, elles sont
r\'{e}unies en un m\^{e}me lieu~: la chambre de combustion. En outre,
la mont\'{e}e en pression dans la machine \`{a} vapeur est
essentiellement due au changement d'\'{e}tat de l'eau tandis que dans
le moteur d'a\'{e}ronef, elle est le fait de l'expansion des gaz par
chauffage \`{a} des temp\'{e}ratures g\'{e}n\'{e}ralement sup\'{e}rieures.

\`{A} titre de comparaison, pour une pression de chambre/r\'{e}servoir de
1~MPa et en n\'{e}gligeant les pertes, il faudra une puissance
d'environ 170~kW afin de vaporiser environ 66~g${\cdot}$s$^{-1}$
d'eau dans la machine \`{a} vapeur (temp\'{e}rature d'\'{e}bullition
autour de 450 K) et g\'{e}n\'{e}rer une pouss\'{e}e m${\cdot}$v de
100~kg${\cdot}$m${\cdot}$s$^{-1}$. Dans le moteur d'a\'{e}ronef, la
m\^{e}me pouss\'{e}e peut \^{e}tre obtenue en br\^{u}lant
1,7~g${\cdot}$s$^{-1}$ d'hydrog\`{e}ne,
4,1~g${\cdot}$s$^{-1}$ de m\'{e}thane ou
4,9~g${\cdot}$s$^{-1}$ de k\'{e}ros\`{e}ne dans
136~g${\cdot}$s$^{-1}$ d'air.

Les moteurs d'a\'{e}ronefs les plus r\'{e}pandus aujourd'hui sont le
turbor\'{e}acteur (avions de ligne moyen ou long courrier), le
turbopropulseur (avions r\'{e}gionaux) et le turbomoteur
(h\'{e}licopt\`{e}res) dont les sch\'{e}mas de principe sont
repr\'{e}sent\'{e}s en figure~\ref{fig1}.


\begin{figure}
\vspace*{4pt}
\includegraphics{fig01}
\caption{\label{fig1}Sch\'{e}mas de principe des turbor\'{e}acteur (a),
turbopropulseur (b) et turbomoteur (c), d'apr\`{e}s wikipedia.}
\vspace*{4pt}
\end{figure}

Tous trois reposent sur le concept de la turbine \`{a} gaz pour lequel
l'air qui alimente le moteur est comprim\'{e} au moyen d'un compresseur
avant d'entrer dans la chambre de combustion o\`{u} l'on injecte le
combustible qui, une fois qu'il a br\^{u}l\'{e} avec l'air entraine la
turbine avant que le m\'{e}lange de gaz br\^{u}l\'{e}s ne soit
lib\'{e}r\'{e} dans l'atmosph\`{e}re. On notera que, contrairement aux
moteurs thermiques automobiles pr\'{e}sentant des cycles (remplissage
de la chambre de combustion avec de l'air et du carburant, fermeture de
la chambre et compression, allumage/explosion du m\'{e}lange,
d\'{e}tente et \'{e}vacuation des gaz br\^{u}l\'{e}s), ces moteurs
d'a\'{e}ronef, une fois allum\'{e}s, fonctionnent continument, l'air et
le carburant alimentant une flamme stable qui ne s'\'{e}teindra
qu'\`{a} la fermeture de l'arriv\'{e}e de carburant, lors de
l'arr\^{e}t du moteur.

Dans les turbor\'{e}acteurs modernes, le taux de compression peut
atteindre un facteur 40 ou 50, ce qui signifie que, pour de l'air
ing\'{e}r\'{e} \`{a} une pression de 0,1~MPa et 288 K (condition de
d\'{e}collage avec une atmosph\`{e}re standard), la pression dans la
chambre de combustion atteint 4 \`{a} 5~MPa. La phase de compression de
l'air s'accompagne de sa mont\'{e}e en temp\'{e}rature (autour de 923 K
pour un taux de compression de 40). \`{A} l'altitude de croisi\`{e}re des
avions de lignes (environ 10 ou 11~km d'altitude), la pression ambiante
chute \`{a} 25~kPa et la temp\'{e}rature \`{a} 217 K, ce qui am\`{e}ne
la pression et la temp\'{e}rature de l'air en entr\'{e}e de chambre de
combustion autour de 1,2 MPa et~700~K.

Ce sont ces conditions de fonctionnement que l'on doit pouvoir
reproduire dans nos foyers d'essais pour \'{e}tudier la combustion dans
des conditions repr\'{e}sentatives du fonctionnement des moteurs
r\'{e}els. Pour cela, l'ONERA dispose de plusieurs moyens
d'essais~\cite{1} sur les sites de Palaiseau en Île-de-France et du Fauga-Mauzac pr\`{e}s de Toulouse.


Ils permettent de couvrir l'ensemble du domaine de vol des
a\'{e}ronefs, du ralenti au plein gaz (d\'{e}collage) en passant par le
r\'{e}gime de croisi\`{e}re et le cas particulier du rallumage en haute
altitude, lorsque le carburant, tr\`{e}s froid, peine \`{a} se
pulv\'{e}riser et \`{a} se vaporiser. Ces bancs d'essais sont pour la
plupart \'{e}quip\'{e}s d'acc\`{e}s optiques permettant ainsi la mise
en \oe{}uvre de nombreux diagnostics. La figure~\ref{fig2} pr\'{e}sente
les domaines de fonctionnement des principaux bancs d'essais de l'ONERA
utilis\'{e}s pour l'\'{e}tude de la combustion a\'{e}robie dans les
foyers de turbomachines.\looseness=1

\begin{figure}
\includegraphics{fig02}
\caption{\label{fig2}Domaine de fonctionnement des principaux moyens
d'essais d\'{e}di\'{e}s \`{a} l'\'{e}tude de la combustion dans les
foyers de turbomachines.}
\end{figure}

Les \'{e}tudes qui sont men\'{e}es au sein de ces installations ont
pour objet de caract\'{e}riser/mesurer les \'{e}coulements (vitesse,
temp\'{e}rature), la pulv\'{e}risation du carburant par les injecteurs,
la stabilit\'{e} de la combustion ou l'efficacit\'{e} des techniques de
refroidissement des parois internes de la chambre, sans oublier le
contr\^{o}le des niveaux d'\'{e}missions polluantes. C'est en effet
dans la chambre de combustion que le combustible r\'{e}agit avec
l'oxyg\`{e}ne de l'air pour produire des gaz br\^{u}l\'{e}s,
essentiellement du dioxyde de carbone (CO$_{2}$) et de la vapeur d'eau
(H$_{2}$O), mais aussi des esp\`{e}ces minoritaires polluantes comme
les oxydes d'azote (essentiellement NO et NO$_{2}$, couramment
r\'{e}unis sous le vocable NO$_{x}$), le monoxyde de carbone (CO), des
compos\'{e}s organiques volatils (COV) et des particules de suies que
l'on trouve souvent mentionn\'{e}es PM$_{10}$, PM$_{2,5}$, PM$_{1}$ ou
PM$_{0,1}$ (PM est l'acronyme anglais de \textit{particulate matter} et
le chiffre qui suit d\'{e}signe le diam\`{e}tre maximal en
${\rmmu}$m des particules consid\'{e}r\'{e}es).

Ces particules de suie sont des agr\'{e}gats issus d'hydrocarbures
imbr\^{u}l\'{e}s majoritairement constitu\'{e}s d'Hydrocarbures
Aromatiques Polycycliques (ou HAP), mol\'{e}cules comportant \mbox{plusieurs}
cycles benz\'{e}niques (les mol\'{e}cules d\'{e}riv\'{e}es du
benz\`{e}ne sont appel\'{e}es compos\'{e}s aromatiques).

Les particules de suies sont surtout produites lorsque le moteur
fonctionne \`{a} pleine puissance, de m\^{e}me que les NO$_{x}$, alors
que le CO, fruit d'une combustion incompl\`{e}te, se forme plut\^{o}t
\`{a} bas r\'{e}gime. L'art des motoristes consiste donc \`{a} trouver
le meilleur compromis entre efficacit\'{e}, sobri\'{e}t\'{e},
minimisation de l'empreinte environnementale, sans \'{e}videmment
sacrifier la s\'{e}curit\'{e}. L'ONERA les \'{e}paule dans cette
t\^{a}che gr\^{a}ce \`{a} ses \'{e}quipes mettant en \oe{}uvre des
moyens d'essais, de diagnostic et de simulation num\'{e}rique
avanc\'{e}s.

La figure~\ref{fig3} pr\'{e}sente une vue d'un banc d'essais, le
banc MICADO (acronyme de \og~Moyen d'Investigation en Combustion
A\'{e}robie \`{a} l'aide de Diagnostics Optiques~\fg), accompagn\'{e}e
d'exemples de diagnostics.

\begin{figure}
\includegraphics{fig03}
\caption{\label{fig3}Banc MICADO ({a}) \'{e}quip\'{e} de
plusieurs diagnostics optiques (on note la pr\'{e}sence de 4
cam\'{e}ras en bas \`{a} gauche), mesure de champ de vitesse par
imagerie de particules ({b}) et vue du foyer en fonctionnement
montrant en fausses couleurs le spray de k\'{e}ros\`{e}ne (en jaune) et
la flamme (en rouge) ({c}).}
\end{figure}

R\'{e}cemment, dans le cadre d'un projet national portant sur la
d\'{e}carbonation du transport a\'{e}rien par substitution de
l'hydrog\`{e}ne aux carburants fossiles, l'ONERA a mis en \oe{}uvre
l'ensemble de ces comp\'{e}tences et moyens pour concevoir, optimiser,
r\'{e}aliser un nouveau syst\`{e}me d'injection \`{a} tr\`{e}s faibles
\'{e}missions. Celui-ci a \'{e}t\'{e} test\'{e} avec succ\`{e}s et
caract\'{e}ris\'{e} au banc MICADO fin 2022~\cite{2}.  La
figure~\ref{fig4} pr\'{e}sente des visualisations de la combustion aux
diff\'{e}rents r\'{e}gimes de \mbox{fonctionnement.} Ces essais ont
permis de d\'{e}montrer la validit\'{e} du concept propos\'{e} en
mesurant des niveaux d'\'{e}mission d'oxydes d'azote inf\'{e}rieurs
\`{a} 10 ppm sur un large domaine de fonctionnement moteur. Ce concept
a en outre fait l'objet d'une demande de d\'{e}p\^{o}t de brevet
international conjointe avec le partenaire industriel.

\begin{figure}
\includegraphics{fig04} 
\caption{\label{fig4}Visualisation d'une flamme
d'hydrog\`{e}ne g\'{e}n\'{e}r\'{e}e par un injecteur \`{a} tr\`{e}s
faible niveau d'\'{e}missions.}
\end{figure}

\back{}

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\end{document} 
