Description du banc d’essai VH

3.2.1 Installation VH de l’ISL

Le montage de l’ISL utilisé pour les mesures de Vélocimétrie Hétérodyne dans ces travaux s’inspire de celui présenté à la Figure 2-9.

A la différence de celui-ci, un miroir interchangeable est ajouté entre la surface mobile (la surface libre de l’opercule fermant la chambre) et la sonde de telle sorte que les signaux soient parfaitement réfléchis de l’un à l’autre. Le miroir seul est ainsi impacté par le projectile et subit des dommages irréversibles, ce qui marque la fin des mesures. Le reste du montage est préservé du risque de débris.

La mesure est déclenchée par un signal lumineux (« trigger ») qui apparaît avec la rupture de l’opercule. Elle s’achève lorsque l’intensité du signal lumineux disparait, dès l’instant où le projectile percute le miroir. Un « pretrigger » permet l’acquisition de l’ensemble du profil de vitesse.

Le laser de mesure possède une puissance de 3W à 4W, et délivre un signal de référence dont la longueur d’onde est de 1550 nm. La lumière du laser monomode de fréquence F0 est acheminée par une fibre optique de diamètre 10 µm jusqu’à la sonde.

La sonde est donc composée de l’extrémité de la fibre optique ainsi que d’une lentille de distance focale 30 mm, positionnée entre la fibre optique et la surface mobile. La lentille est située de telle sorte que d’un côté, l’extrémité de la fibre monomode se confonde avec son point focal, et de l’autre côté que la surface réfléchissante au repos soit initialement à 150 mm. Cela permet d’obtenir un diamètre de focalisation du laser sur la surface du projectile avec initialement un grandissement de 5 par rapport au diamètre de la fibre optique, soit 50 μm. Le diamètre de focalisation est donc négligeable par rapport au diamètre du projectile (3,5 mm). Le projectile se déplace dans un faisceau d’environ 0,03 d’ouverture numérique, qui correspond au sinus de l’angle par lequel les signaux peuvent rentrer ou sortir de la sonde.

Le signal de mesure est acheminé ensuite par la fibre jusqu’à un détecteur New Focus

1592NF de bande passante 3,5 GHz, où il est couplé au signal de référence, ce qui crée le

battement des fréquences. L’acquisition des mesures est réalisée par un oscilloscope Acqiris

dc282 de bande passante 2 GHz et de fréquence d’échantillonnage par défaut de 8 GHz, soit

8 points de mesures par nanoseconde. Le traitement par transformée de Fourier glissante s’effectue enfin avec un pas de glissement de 256 ps et une largeur de fenêtre de 2048 ps.

L’Annexe 1 présente un schéma détaillé du montage ainsi que quelques photos illustratives.

3.2.2 Dispositif d’observation du premier étage

Les mesures de VH sont effectuées à la sortie du premier étage du DOP et permettent de mesurer la mise en vitesse du projectile qui ferme la chambre de combustion, sous l’effet des gaz à haute pression, lequel est créé par le cisaillement dynamique de l’opercule fermant la chambre de combustion sous l’effet de ces hautes pressions.

Le dispositif expérimental utilisé pour les mesures (Figure 2-10) a été conçu pour reproduire le plus fidèlement possible les phénomènes se produisant au sein du premier étage du DOP et du mini-canon (entouré par le cercle « B » sur Figure 2-10). Il se compose du corps du premier étage connecté à la source laser par une interface mécano-optique (appelé également un connecteur ou une bretelle optique), du tube d’accélération dans lequel est guidé le projectile, et d’un support permettant de maintenir l’ensemble du montage de la même manière qu’un DOP entier.

L’ensemble des pièces métalliques du dispositif expérimental est réalisé en acier Inox 304L, dont les propriétés sont données dans le Tableau 1-13.

Figure 2-10 : Coupe du montage expérimental.

Pour des raisons de confidentialité, les dimensions de la chambre de combustion et le chargement pyrotechnique ont été modifiés par rapport au composant industriel.

La chambre de combustion (en rouge sur la Figure 2-11) se présente sous la forme d’un tube cylindrique de 4 mm de diamètre et de 4 mm de hauteur, confiné par des parois de 6 mm d’épaisseur. Cette chambre de volume 50,27 mm³ est chargée en composition explosive en appliquant six étapes de compression à l’aide d’une presse hydraulique délivrant 700 bars, ce qui fournit une masse volumique apparente homogène d’environ 1600 kg/m³ (porosité de 16 %).

La combustion est initiée par une diode laser fournissant une puissance continue de 7,55 W sur une durée de 100 ms, dont l’énergie thermique est transportée jusqu’à l’explosif par une (mono)fibre optique de 105 μm de diamètre (définition de l’industriel associée au cahier des charges).

Deux configurations de projectile ont été testées : un profil long ou guidé (Figure

2-11), et un profil court (Figure 2-12).

Le projectile guidé est propulsé dans un tube cylindrique de 3,5 mm de diamètre et de 8 mm de long (Figure 2-11). Compte-tenu des dimensions indiquées et de la masse volumique de l’Inox 304L (7939 kg/m³, voir Tableau 1-13), la masse du projectile attendue est de 0,115 g.

Figure 2-11 : Dimensions du premier étage standard, avec projectile dit « long » ou guidé.

Le projectile court est de conception plus simple. Il est uniquement constitué d'un opercule de la forme d'un disque (Figure 2-12). Le projectile obtenu est trois fois moins épais que celui résultant de la configuration longue. Sa masse attendue est de 0,038 g.

Figure 2-12 : Dimensions du premier étage, avec un projectile dit « court ».

Les inconvénients de cette configuration courte sont cependant multiples pour l'acquisition des mesures. Tout d’abord, l'étanchéité par rapport aux gaz de combustion est moindre dès que le cisaillement a lieu puisque l’épaisseur de la pièce métallique est faible. Le projectile a de plus toutes les chances de présenter une courbure ou une inclinaison dans le tube de lancement.

Une telle configuration augmente donc sensiblement les possibilités d’infiltration de gaz devant le projectile, ce qui a pour effet d’altérer la qualité du signal réfléchi, de rendre les mesures moins reproductibles, et de fausser les résultats de la VH.

Dans le DOP complet, il est non seulement nécessaire que le projectile atteigne une vitesse minimale dans le mini-canon, mais également qu’il soit le plus plat possible lors de l’impact avec le second étage pour la transmission d'un choc droit et l’amorçage de la détonation.