Electricité atmosphérique et foudroiement
Foudroiement des aéronefs
Généralités
Déclenchement artificiel d'un éclair à l'aide d'une petite fusée
qui déroule derrière elle un fil métallique relié au sol
A chaque seconde, de 50 à 100 décharges orageuses se développent dans l'atmosphère terrestre. La majeure partie de cette activité électrique prend la forme d'éclairs "intra-nuages" qui se propagent à l'intérieur du cumulo-nimbus, généralement entre 5 et 10 km d'altitude et signifient ainsi un risque potentiel pour les avions civils et militaires ou les lanceurs spatiaux. Ce risque est loin d'être marginal puisqu'un avion de ligne est foudroyé en moyenne toutes les 1500 heures de vol. Les appareils doivent donc satisfaire à des normes de protection sévères, d'autant que le développement des structures en matériaux composites et des systèmes à commande numérique accroît en principe leur vulnérabilité. Dans ce contexte, les recherches menées à l'Onera ont pour double objectif l'optimisation des méthodes de protection et l'amélioration de la représentativité des tests de qualification en laboratoire.
Au cours des années 80, la mise en oeuvre de campagnes d'essais en vol à bord d'avions instrumentés a constitué une étape décisive permettant d'approcher la phénoménologie globale du foudroiement. En particulier, il a été démontré que l'appareil déclenchait lui-même l'éclair en traversant des régions nuageuses où régne un champ électrique ambiant Eo élevé.
- Dans plus de 90% des cas, l'appareil déclenche lui-même l'éclair en développant, depuis les points d'amplification maximale du champ électrique ambiant, deux canaux ionisés progressant dans l'air vierge. L'une de ces décharges se propage dans le sens du champ ambiant (décharge "positive"), l'autre en direction inverse (décharge "négative") ; l'ensemble constitue la phase initiale dite de "précurseur" ou "leader". Les canaux se développent sur plusieurs km à une vitesse comprise entre 10 et quelques centaines de km/seconde. Le courant, d'abord constitué de séries d'impulsions, évolue généralement vers un niveau continu de plusieurs centaines d'Ampères.
- Dans ces canaux, circulent ensuite, à intervalles réguliers, de fortes impulsions de courant de quelques dizaines de kiloAmpères. Ces phénomènes de brutale réactivation du canal sont appelés "décharges de jonction" ou "recoil streamers".
Simulation
Compte tenu de la complexité du phénomène, il est indispensable de s'appuyer sur l'étude expérimentale et théorique de décharges de laboratoire pour en définir les principaux mécanismes physiques.
- Phase des précurseurs
Les précurseurs ou leaders en anglais sont des décharges électriques qui se propagent sur de longues distances (plusieurs kilomètres) dans l'air vierge. Sur la figure ci-dessous, on peut visualiser le développement d'une décharge positive sur un intervalle de 10 m. La tension appliquée à l'électrode haute tension est d'environ 2 millions de Volts.
Décharges de laboratoire :
instantanés successifs montrant l'amorçage et la propagation d'une décharge positive
entre une pointe Haute Tension et un plan (longueur de l'intervalle : 10m)
- Modélisation d'une décharge électrique
La modélisation du développement d'une décharge, dont la morphologie est décrite ci-dessous,s'effectue à partir de modèles de type " fluide " fondés sur les bilans de masse, de quantité de mouvement et d'énergie pour les différentes espèces de particules (électrons, ions, neutres). Les équations correspondantes sont simplifiées selon les mécanismes dominants dans chaque région de la décharge et couplées à un code de calcul 3D du champ électrique, prenant en compte la distorsion du champ Laplacien par la décharge elle-même.
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Les codes numériques développés à l'ONERA, qui permettent de simuler le développement des précurseurs, ont été validés sur des expériences laboratoires et par des expériences d'éclairs déclenchés artificiellement.
Applications et perspectives
Les modèles numériques développés dans la division permettent de déterminer les conditions critiques de foudroiement d'un appareil donné, les points préférentiels d'amorçage, les variations temporelles du courant et du champ électrique sur la structure.
- Détermination des seuils de foudroiement
Dans le cas du lanceur Ariane V, ici placé dans un champ électrique vertical, nous avons calculé les valeurs maximales de champ électrique ambiant admissible. Ce calcul s'appuie sur un code 3D de calcul de champ électrique utilisant une technique de type " Boundary Elements ". Le champ critique est paramétré en fonction de la pression, c'est à dire de l'altitude le long de la trajectoire du lanceur.
Distribution du champ électrique
à la surface du lanceur Ariane V
- Détermination des zones des points d'impact de la foudre
L'introduction des lois physiques de l'amorçage permet la détermination des points préférentiels d'entrée et de sortie du courant sur un avion ou un hélicoptère, pour différentes amplitudes et orientations du champ ambiant.
Distribution de probabilité à la surface du Super Puma :
les zones en bleu sont associées au zone à forte probabilité d'impact
tandis que les zones en rouge correspondent à une probabilité de foudroiement quasi nulle.
- Perspectives
Les modèles de précurseur ainsi développés font actuellement l'objet de plusieurs études d'application dans le domaine aéronautique et spatial. Dernierement des études ont été menées avec EDF pour les utiliser dans le domaine de la protection des structures au sol.
Les recherches en cours s'orientent dans plusieurs directions distinctes et complémentaires :
- modélisation des phases à très fort courant intervenant dans les divers types de foudroiement
- étude de l'interaction de la décharge avec des structures en diélectrique
- étude du déplacement de l'arc sur la structure de l'avion au cours du foudroiement
L'ensemble des ces études a bénéficié de collaborations avec l'Université de Padoue, l'Université d'Uppsala, EDF, Aérospatiale, CEAT, etc.
Activité électrique des nuages
La préparation de la mission Orages a conduit à définir et tester le prototype de l'interféromètre VHF sur le centre radioélectrique de France-Telecom. De plus, ces études ont permis de spécifier un système d'observation et de caractérisation de l'activité orageuse depuis le sol.
Ce système, développé dans le cadre du projet Onera - Région Ile-de-France Profeo, sélectionné en 2001, doit permettre le déploiement sur la région parisienne d'un dispositif scientifique d'étude de l'activité électrique. Les interprétations de ces observations reposent sur la phénoménologie du rayonnement électromagnétique des décharges. L'étude de cette phénoménologie fait l'objet d'une thèse qui a débuté fin 2002. La préparation de Profeo s'est poursuivie en 2003 et 2004. Elle rentre, en 2005, dans une phase plus active. Le déploiement de Profeo est prévu en Ile-de-France pour l'année 2006.
En 2004, l'étude de l'électrisation des orages a permis d'analyser des situations de foudroiement constatées réellement sur aéronef. C'est le cas du foudroiement d'un hélicoptère observé en mer du Nord en 1995 (ravitaillement des plates-formes Offshore). L'utilisation conjointe du modèle dynamique et de microphysique à échelle moyenne MESO-NH (modèle Météo-France et Laboratoire d'Aérologie) et du modèle d'électrisation développé conjointement par l'université de Washington et l'Onera, a permis de reproduire la situation électrique atmosphérique et d'expliquer la nature du foudroiement observé. Ce type d'analyse sera poursuivi en 2005 et les résultats seront appliqués aux études de définition de l'environnement de foudroiement des aéronefs dans le cadre du projet d'étude amont Movea.
Un modèle conceptuel du développement en 3 dimensions d'une décharge dans un nuage d'orage a été réalisé en 2004 dans le cadre d'une thèse. Ce modèle permettra de réaliser des évaluations du rayonnement électromagnétique des décharges.
Développement d'un éclair ascendant dans un nuage chargé
