Etude expérimentale et modélisation d'un arc stabilise par ablation dans un lanceur électrothermique

par Pascal Aubouin

Thèse de doctorat en Thermique & Energetique

Sous la direction de Michel Laurent.

Soutenue en 1993

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Centre d'Etudes de Vaujours-Moronvilliers, COURTRY (laboratoire) .

mots clés

• Ablation laser (fabrication)
• Gaz plasmas
• Fusées à effet Hall

Résumé

Le principe du lanceur électrothermique consiste à convertir de l'énergie stockée en énergie thermique par l'intermédiaire d'un arc électrique stabilisé par ablation (plasma), puis thermique en cinétique par détente des gaz produits. Le but de cette étude est de développer un outil global de simulation de l'arc électrique, simple d'utilisation, rapide ; afin d'optimiser l'installation. A partir de l'étude bibliographique, un tronc commun d'hypothèses et dégagé : état quasi stationnaire, plasma isotherme, ablation radiative, couche vapeur entre la plasma et les parois. Le modèle de LOEB et KAPLAN qui sert de base à notre travail, est présenté et critiqué. Parallèlement, les résultats expérimentaux mettent en évidence deux mécanisme supplémentaires : l'ablation des électrons et du tube du lanceur. Un méthode originale de dépouillement de la mesure continue de vitesse balistique du lanceur et la température moyenne des gaz de propulsion. L'analyse de l'ensemble de ces informations, les équations de notre modèle ont été établies et résolues par la méthode de NEWTON. La comparaison à l'expérience a montré que dès que le régime de décharge est établi, le calcul restitue parfaitement le comportement de l'arc. Trois enseignements majeurs sont tirés.

Titre traduit

= Experimental study and modelling of an ablation-stabilised arc in an electrothermal launcher

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Résumé

The aperation principle of electrothermal launcher consist in converting electrical energy in thermal energy through an ablation-stabilised arc (plasma), and then in kinetic energy through the expansion of the generated gases. The goal of this study is to develop a simple model for simulating electrical arc in order to optimize the facilities. From a bibliographical analysis, a common set of hypothesis is defined: quasi stationary state, isothermal plasma, radiative ablation, vapour shield between the plasma and the walls. The model of LOEB & KAPLAN, which is our work basis is described and criticized. Concurrent experimental results show up two other mechanisms: ablations of both electrodes and gun barrel. An original method to analyse the projectile velocity measurement by L. D. I. Is used to characterize the ballistic expansion and to estimate the temperature in the barrel. Data processing gives some qualitative relations which characterize the arc resistance, the ablated masses and the launcher efficiency. The equations of our model are established according to these considerations and solved by the NEWTON method. Numerical results are in good agreement with experiments when the discharge is established. Three important teachings are brought out.