L’enceinte CHAMADE (Chambre d’Ablation des Matériaux Énergétique) du département DMPE de l’ONERA-Palaiseau a été utilisée. Cette enceinte a été conçue à l’origine pour étudier la dégrada-tion des protecdégrada-tions thermiques des moteurs à propergols solides puis reconvertie pour les re-cherches sur la combustion d’échantillons de propergols de petites dimensions. L’allumage du propergol est assuré par irradiation de l’échantillon par un faisceau laser CO2 à 10,6 µm (PRC GL 2000, puissance nominative de 2 kW). Le profil spatial du faisceau est Gaussien et son diamètre est
309.34 309.35 309.36 309.37 309.38 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -2.090 -1.045 0.000 1.045 2.090
Ecart en nombre d'onde, cm-1
S ign a l n o rma lis é , u n it é a rb it ra ir e Longueur d'onde, nm Nappe laser I=16 kW.cm-2 Spot laser I=17 kW.cm-2 309.34 309.35 309.36 309.37 309.38 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -2.090 -1.045 0.000 1.045 2.090
Ecart en nombre d'onde, cm-1
S ign a l n o rma lis é , u n it é a rb it ra ir e Longueur d'onde, nm Pelec=384 W Pelec=554W Pelec=612 W
de 10 mm. La durée d’impulsion et la puissance effective sont typiquement de 225 ms et de 700 W. Ces valeurs sont ajustées selon l’échantillon utilisé.
L’enceinte de forme carrée (53 53 mm²) est dotée de 4 accès optiques dont deux sont utilisés pour l’imagerie LIF (Figure 4.4). Un hublot en ZnSe (diamètre 20 mm) situé en haut de l’enceinte permet le passage du laser à CO2 allumant l’échantillon. La nappe laser traverse un hublot en silice fondue UV ayant deux faces traitées antireflet sur la bande 245-440 nm (diamètre= 25mm, épais-seur= 6mm). La fluorescence est détectée à travers un hublot en CaF2 (diamètre= 50 mm, épais-seur= 15 mm) placé à 90° de l’axe laser.
Figure 4.4 Enceinte CHAMADE
Figure 4.5 Vues de l’échantillon placé au centre de l’enceinte (à gauche) et du porte-échantillon (à droite). Sur la vue de gauche, le rectangle représente la nappe laser qui tangente la base du porte-échantillon. Sur
Nous avons étudié deux butalanes élaborées à l’ONERA :
• La butalane (0b) contient des nanoparticules d’aluminium de 100 nm avec une fraction massique de 13,6 % et des particules de 5 µm avec une fraction de 3,4 %.
• La butalane (08) contient des grosses particules d’aluminium d’environ 60 µm (représenta-tif des propergols industriels) avec une fraction massique de 18 %.
• Ces butalanes génèrent des distributions d’aluminium très différentes :
• La butalane (0b) produit un nuage diffus assez uniforme de gouttelettes et vapeur. Elle sera particulièrement favorable à la recherche du signal LIF de Al (optimisation des paramètres laser et de détection) ;
• La butalane (08) produit un panache de grosses particules éparses et éjectées de la surface de façon sporadique. Elle sera mieux adaptée pour suivre les gouttes à la cadence de 10 kHz et pour observer le signal émis par une goutte individuelle.
Dans les deux cas, un phénomène d’agrégation des gouttes en surface entraine l’observation de gouttes de tailles plus larges que celles des particules isolées (>100 µm) dans la flamme.
Un échantillon inférieur à 1 g (hauteur = 8 mm, largeur = 5 mm et épaisseur = 1,5 mm) est décou-pé dans un morceau de propergol et placé au centre de l’enceinte au moyen d’un système de plaques coulissantes fixées par des vis (Figure 4.5). Ce système permet de placer l’échantillon à la même position d’un essai à l’autre. L’enceinte est réglable en hauteur et en latéral au moyen de platines de translation micrométriques manuelles. On pourra donc positionner précisément l’échantillon par rapport à la tranche laser qui est mince (épaisseur de 150 µm). Pendant la com-bustion, le support est fixe, la régression de la surface de propergol n’est pas compensée. En con-séquence, nous avons placé la nappe laser de façon à recouvrir la base du porte-échantillon (Figure 4.5) pour couvrir toute la hauteur de la flamme pendant la durée de la combustion. Du fait de la profondeur de la gorge du porte-échantillon (3 mm), l’échantillon de 8 mm de hauteur dé-passe de 5 mm. Le champ d’observation total fait 17 mm.
La flamme de la butalane (0b) a déjà été caractérisée par l’équipe ONERA/SLM par spectrométrie d’émission ainsi que par imagerie LIF sur l’atome de fer (chapitre 5.1.1) [84].
Des images ont été enregistrées :
• à 3, 8 et 10 bar pour la butalane (0b) • à 10 et 12 bar pour la butalane (08).
La pression est mesurée grâce à une jauge piézoélectrique (Kistler type 401) avec une fréquence de 2 kHz. La combustion fait augmenter la pression dans l’enceinte. L’enceinte est pressurisée avant combustion à la pression choisie par injection d’azote.
Le dispositif d’imagerie en champ large a été décrit dans le chapitre 2 (partie 2.4.1.2). Une photo du banc laser implanté sur l’enceinte CHAMADE est présentée sur la Figure 4.6. Les intensités laser après dilatation du faisceau utilisées sont comprises entre 75 et 157 kW.cm-2 avec une nappe de 150 µm d’épaisseur et 17 mm de hauteur.
Pour les premiers essais, les cadences du laser et de la détection sont de 10 kHz. Dans la seconde série d’essais, la cadence laser est abaissée à 5 kHz afin d’enregistrer une image sur deux avec et sans laser. Le temps d’exposition de la caméra est fixé à 100 ns. L’excitation laser est accordée sur la raie 2, à 309,3068 nm. On vérifie la nature du signal de fluorescence de l’atome d’aluminium, en décalant la longueur d’onde laser loin de la raie 2, à 350 pm (hors résonance). Le sens de propaga-tion du laser est de droite vers la gauche sur les images.
Deux champs d’observation sont utilisés :
• Un champ large de 17 mm (objectif UV Cerco ; F= 94 mm ; F/4) testé dans l’expérience cube (partie 4.1). La résolution atteinte est de 22 µm.pixel-1 avec une profondeur de champ de plusieurs mm ;
• Un champ restreint de 3 mm, qui permet de mieux voir les gouttes, avec un objectif de té-lescope UV (Questar, QM-100). La résolution atteinte est de 3,8 µm.pixel-1. La profondeur de champ théorique varie entre 20 µm et 70 µm suivant la distance objectif-objet qui est comprise entre 152 et 355 mm. Dans notre cas, la profondeur de champ est de 70 µm (et l’ouverture de F/6) ce qui rend la mise au point du plan laser (150 µm) très délicate.
Une mire est enregistrée systématiquement en début et milieu de journée. Pour le réglage de l’objectif Questar, nous avons utilisé des mires de microscope électronique dotées d’un maillage (100 µm) afin de mesurer le champ de l’image et faire précisément la mise au point. La procédure d’alignement est la suivante :
• La tranche laser est d’abord alignée sur la tranche de la mire collée sur la face avant de l’échantillon (Figure 4.5).
• L’objectif Questar est réglé sur la mire.
Une lampe LED émettant à 395 nm éclaire la mire pour faire la mise au point. L’échantillon est ensuite translaté sur la tranche laser.
L’émission de la flamme est filtrée grâce à plusieurs filtres :
• Un filtre passe-bande centré à 394 nm (10 nm) avec un taux de réjection supérieur à 10-4
la pression dépasse 8 bar. On parvient ainsi à éliminer la diffusion laser dans l’image créée par l’augmentation de densité volumique de particules.
• Un filtre passe-haut coupant à 385 nm (Asahi, ZUL0385, 50 × 50 × 1 mm). Le gain de l’intensificateur est varié entre 55 et 70 % selon les conditions expérimentales.
Pour comparer les amplitudes des signaux entre eux, la dynamique de coups est toujours rappor-tée à un même gain de la caméra (55 %) en utilisant la courbe de gain de la partie 2.4.1.2.
On contrôle le déclenchement du laser CO2 d’allumage et l’ouverture de la porte de la caméra.
Figure 4.6 Banc PLIF à haute cadence implanté devant l’enceinte CHAMADE