Matériels et méthodes
CHAPITRE 2. MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.2 Compositions de propergol solide étudiées
Les images analysées dans le cadre de la thèse correspondent à différentes compositions de propergol. En particulier, les démarches d’analyse ont tout d’abord été réalisées pour des com-positions à particules inertes, afin de simplifier les objets observés par ombroscopie. Par la suite, des compositions plus réalistes ont été analysées, contenant des particules d’aluminium. On rap-pelle au préalable les paramètres utilisés pour caractériser les granulométries des particules dans la sous-section2.2.1. Sont ensuite détaillées les différentes compositions testées durant toute la thèse, à savoir les compositions de propergol avec des particules inertes dans la sous-section2.2.2, et celles avec des particules d’aluminium dans la sous-section2.2.3.
2.2.1 Caractérisation des granulométries
La granulométrie d’une population de particules correspond à évaluer leur distribution de taille, c’est-à-dire les populations relatives dans différentes classes de taille. Deux types de gra-nulométrie sont souvent utilisées :
— distribution en nombre, simple histogramme en fonction du diamètre ; — distribution en volume, où chaque classe de taille est pondérée par le volume.
La pondération par le volume est équivalente à une pondération par la masse des particules. Cela permet de ne pas minimiser l’importance des plus gros objets : de population faible, mais correspondant à une fraction conséquente de la masse, ce qui est important pour évaluer le flux massique d’un ensemble de particules.
Il est souvent utile de caractériser une distribution de taille à l’aide d’un diamètre représentatif, par exemple un diamètre moyen qui puisse être utilisé pour une simulation numérique. Différents diamètres moyens dits généralisés sont ainsi utilisés :
— D10: diamètre de la moyenne arithmétique en nombre des particules
— D32, appelé aussi diamètre de Sauter : souvent utilisé en combustion pour tenir compte des phénomènes de surface (débit de matière traversant la surface de la particule dû à sa com-bustion) et de volume (traînée agissant sur le mouvement de la particule dans un fluide) L’équation (2.1) représente la façon générale de calculer ces diamètres moyens représentatifs.
Dpq= Ã Pn i =1niDpi Pn i =1niDqi ! 1 p−q (2.1)
avec p et q des entiers et p > q, et ni le rapport entre le nombre de particules d’une classe, divisé par le produit du nombre total de particules et la largeur de la classe.
2.2.2 Propergols solides avec particules inertes
Une première famille de propergols solides a été utilisée pour étudier la faisabilité de détection d’objets sur des images d’ombroscopie en combustion. Dans ce cas, les particules utilisées sont de type inertes, et restent inchangées durant leur écoulement dans les gaz de combustion propergol. Toutes ces compositions sont de typePA/PBHT, dans une proportion massique d’environ 76/13. Les particules inertes sont quant à elles incluses dans la composition avec une proportion mas-sique autour de 6%.
Quatre compositions à particules inertes ont été étudiées par ombroscopie : l’une avec du titane, et trois avec des particules de marque Microblast® utilisées habituellement pour le polis-sage. Ces particules Microblast® sont un alliage de Zr O2, Si O2etAl2O3. Trois gammes de taille de particules Microblast ont été utilisées, notées B120, B205 et B505. On peut voir des vues au mi-croscope optique des quatre types de particules utilisées sur la figure2.7, où elles apparaissent approximativement sphériques. La figure2.8montre quant à elle les distributions de taille de ces
CHAPITRE 2. MATÉRIELS ET MÉTHODES
particules inertes, mesurées à l’aide d’un granulomètre optique avant leur utilisation dans la pré-paration des compositions de propergol. On voit que les différentes particules inertes utilisées permettent de balayer des diamètres allant de 5 à 160µm.
(a) Titane (b) Microblast® B120
(c) Microblast® B205 (d) Microblast® B505
FIGURE2.7 – Visualisation au microscope optique des particules inertes utilisées dans les composition de propergol.
Quatre compositions de propergol solides ont été étudiées pour ces quatre types de particules inertes, mais il est important de préciser que certaines compositions comprennent différentes gammes de tailles de particules inertes. On précise ces compositions ci-dessous, avec entre pa-renthèse la racine utilisée pour les essais :
— Titane (Ti1) : 1 gamme de taille, entre 55 et 85µm;
— Microblast® B205 (Si1) : 1 gamme de taille, entre 15 et 60µm;
— Microblast® B120 et B505 (Si2) : 2 gammes de taille, entre 5 et 30µm d’une part, entre 40 et 160µm d’autre part;
— Microblast® B120, B205 et B505 (Si3) : 3 gammes de taille, entre 5 et 160µm en tout.
Pour chacune de ces compositions, différents essais ont généralement été analysés. Différentes conditions d’image ont ainsi pu être analysées :
— Pressions : 10 ou 20 bar ;
— Résolution spatiale : autour de 3.0µm/px ou autour de 5.6 µm/px; — Cadence d’acquisition : entre 2000 et 6000 Hz ;
— Différentes campagnes de mesure : entre 2014 et 2018, donc pour des réglages optiques lé-gèrement différents.
Cela permet de disposer d’un panel de conditions d’images différentes, permettant de vérifier la robustesse des analyses d’images. Les différents essais analysés sont résumés dans le tableau2.1. La première colonne fournit un nom pour l’essai, incluant le type de composition, la pression d’essai et un incrément sous forme de lettre.
Dans la suite du manuscrit, nous parlerons de séries inertes pour les séries d’images obtenues sur des échantillons de propergols contenant des particules inertes.
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FIGURE2.8 – Distributions obtenues par granulométrie laser de la taille des particules inertes utilisées dans les compositions de recherche ONERA.
TABLEAU2.1 – Tableau des essais avec particules inertes étudiés durant la thèse.
Nom de la série Date Type de particule Épaisseur de l’échantillon Pression initiale Dimension des images Résolution spatiale Cadence d’acquisition [mm] [bar] [px] [µm/px] [Hz] Ti1a-20b 2014 Titane 1 20 768x768 3,13 3000 Si1a-10b 2016 Microblast® B205 1,3 9,7 512x512 2,72 6000 Si1b-10b 2016 1,1 9, 8 512x512 2,72 6000 Si1c-10b 2017 1,55 10 768x768 2,61 2000 Si1a-20b 2016 1,1 18,8 512x512 2,72 6000 Si2a-10b 2016 Microblast® B120 et B505 1,5 9,3 1024x512 2,716 3000 Si2b-10b 2016 1,7 9,8 512x512 2,72 6000 Si2c-10b 2016 1,2 9,8 512x512 2,72 6000 Si2a-20b 2016 1,2 19 512x512 2,72 6000 Si2b-20b 2018 1,3 20 1024x576 5,63 3000 Microblast® Si3a-20b 2017 B120, B205 1 19,1 512x512 2,61 6000 et B505
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2.2.3 Propergols solides avec particules d’aluminium
L’objectif à moyen terme de ces analyses d’images d’ombroscopie est l’étude de la combustion de l’aluminium utilisé comme charge dans les propergols solides. Des analyses ont donc été réa-lisées pour une composition de propergol contenant des particules d’aluminium. Il s’agit d’une composition de recherche réalisée à l’ONERA, de type butalane avec des proportions massiques PA/PBHTde 68/10. La fraction massique d’aluminium a quant à elle été fixée à 18%. La distribu-tion de taille des particules d’aluminium a été mesurée par granulométrie laser avant leur ajout à la composition de propergol, et présente des diamètres compris entre 15 et 100µm environ.
Le tableau2.2présente les caractéristiques des quatre essais étudiés ici. Deux résolutions spa-tiales ont été analysées (vers 3.0µm/px et vers 5.7 µm/px), deux niveaux de pressions (10 et 19 bar), ainsi que des cadences d’acquisition entre 2000 et 4000 Hz.
TABLEAU2.2 – Tableau des essais avec particules d’aluminium étudiés durant la thèse.
Nom de la série Date Type de particule Épaisseur de l’échantillon Pression initiale Dimension des images Résolution spatiale Cadence d’acquisition [mm] [bar] [px] [µm/px] [Hz] Al1a-10b 2018 Aluminium 1 10,9 768x768 6 3000 Al1b-10b 2018 1,1 11,1 1024x576 6 3000 Al1c-10b 2018 1,2 10,8 768x512 4 4000 Al1a-20b 2016 1,05 19,1 1024x1024 3 2000
Dans la suite du manuscrit, nous parlerons de séries aluminisées pour les séries d’images ob-tenues sur des échantillons de propergols contenant des particules d’aluminium.