IV.G.1. Préparation de la campagne 46 du CNES
Le sujet étudié a été développé dans le cadre du Projet Scientifique Collectif de six élèves de l’École Polytechnique. Ces passionnés d’aéronautique ont contacté notre laboratoire en septembre 2004, pour nous demander d’encadrer leur projet de vols paraboliques.
Comme, de notre côté, nous avions l’intention de refaire une campagne, à contenu uniquement scientifique, nous avons saisi cette occasion. La conception de l’expérience a dès lors débuté. Il s’agissait d’adapter le bâti mis à notre disposition par EADS-ST pour y inclure nos appareillages, en conservant ses équipements électriques de base. L’objectif est de concevoir une expérience d’imbibition forcée bidimensionnelle mesurée par transmission lumineuse et par conductimétrie. Nos effectifs sont divisés par équipes de 3, chaque chercheur du LPS ayant la responsabilité de 2 élèves et d’un aspect de la réalisation. Arnaud Saint-Jalmes travaille avec Jérôme Dubail et Gautier Roux sur la partie hydraulique. Hernàn Ritacco travaille avec Stephen Bail et Luciano Tosini sur la partie intégration des équipements au bâti. Pour ma part, je travaille avec Louis Guingot et Philippe Sung sur la partie automatisation des mesures et acquisition des données.
La cellule d’imbibition est parallélépipédique, de mêmes dimensions que celle utilisée pour la campagne 37 de l’ESA, mais deux fois plus large. Le concept de bullage dans un verre poreux, généré grâce à une pompe, est repris pour la fabrication de la mousse. Celle-ci monte dans la cellule jusqu’à trois sorties, reliées par des tubes flexibles de 2 cm de diamètre à un bidon de grande contenance (figure 4.29). Enfin, le point d’injection est construit par raccord d’un tube de diamètre 5 mm à une pièce conique tronquée, dont le diamètre inférieur aboutit au milieu de l’échantillon de mousse, pour éviter les effets de bord. La mesure par transmission de lumière blanche est faite de la même manière que pour la campagne 37 de l’ESA avec, comme source lumineuse, une lampe de section frontale identique à celle de la cellule, et comme diffuseur un film plastique translucide, ceci pour obtenir une intensité incidente la plus homogène possible. Une caméra CCD (à droite en figure 4.30) filme l’intensité transmise, enregistrée par un magnétoscope.
Figure 4.30 : cellule en transmission dans le bâti, en configuration de vol (extraite de Bail et al.[1], 2005)
L’injection dans la cellule (tube visible en figure 4.30) est effectuée par un pousse-seringue. Son contrôle est réalisé dans le boîtier contenant le multiplexeur (figure 4.31). La rotation d’un moteur couplé à une vis entraîne la translation d’un bloc métallique sur lequel sont montées les pistons des seringues. Pour contrôler le débit, il suffit de le mesurer en fonction de la vitesse de rotation du moteur et de programmer la relation obtenue.
Figure 4.31 : de droite à gauche, pousse-seringue et boîtier de contrôle / multiplexeur sur son alimentation
Les électrodes sont reliées deux à deux au multiplexeur par le biais de nappes distinctes constituées de 26 fils (visibles en figure 4.30). Elles sont disposées en croix de part et d’autre du point d’injection du liquide, face à face dans la direction de l’épaisseur de la cellule (figure 4.29). Pour mesurer la conductance, la méthode présentée en III.C.5.b est reprise. Néanmoins, il a été nécessaire de modifier le programme d’acquisition et d’enregistrement des données pour augmenter le nombre de mesures dans cette configuration géométrique des électrodes.
Comme le programme met entre 6 et 7 s pour mesurer l’ensemble des 26 voies, nous avons décidé de ne pas utiliser toutes les voies pendant les paraboles. En effet, celles-ci durant environ 20 s, nous n’aurions eu que 3 points de mesure par paire d’électrodes en micropesanteur. Nous avons donc choisi le positionnement des électrodes de la figure 4.32.
Figure 4.32 : emplacement des électrodes sur la cellule (extraite de Bail et al.[1], 2005)
Chaque pa à la voie
électionnée par le multiplexeur. Les paires d’électrodes au centre sont situées à 10 mm du ire d’électrodes est repérée par une lettre et un nombre, qui correspondent
s
point d’injection, puis chaque paire s’éloigne du centre par pas de 15 mm. Etant donnée la répartition symétrique, nous n’utiliserons que deux branches simultanément, ce qui réduit à 13 le nombre de paires d’électrodes employé, au maximum. Pour concevoir les programmes d’acquisition, nous déterminons nos besoins en fonction du type de test réalisé. Une injection de liquide à débit imposé pendant toute la phase de micropesanteur est mesurée soit le long de la branche basse puis de la branche droite en parcourant les électrodes paires, soit le long de la branche gauche puis de la branche haute en parcourant les électrodes impaires. Ces programmes permettent de suivre le front de liquide pour les grands débits et de vérifier l’équivalence de toutes les directions pour des paraboles différentes, mais dans les mêmes conditions. Aux petits débits, ou pour améliorer la résolution temporelle, nous programmons soit toutes les électrodes à partir de la numéro 13, effectuant ainsi un va et vient entre les branches haute et droite permettant de vérifier l’isotropie de l’imbibition à des temps très proches, soit toutes les électrodes de 0 à 6 dans le même but, encore plus précisément. Ces programmes serviront aussi pour des injections pulsées, c’est-à-dire à débits temporisés.
Enfin, un programme est conçu pour le cas de l’hyperpesanteur, pendant laquelle le liquide s’écoule majoritairement vers le bas. La mesure est alors effectuée sur les électrodes paires de 0 à 16, afin de bien suivre le front, mais aussi de se rendre compte si une imbibition transverse a lieu. Quelle que soit la mesure effectuée, un état de référence de la mousse est toujours réalisé durant l’hyperpesanteur précédent la micropesanteur, afin d’évaluer la fraction volumique de liquide de la mousse drainée. Les conductances et les instants auxquels elles sont mesurées sont automatiquement sauvegardés sous forme de deux tableaux *.xls où les colonnes donnent les lettres des paires d’électrodes. Ainsi, on peut tracer directement l’évolution de la conductance mesurée par chaque paire d’électrodes, ce que le programme fait sous NATIONAL INSTRUMENTS LabVIEW 7, installé sur un PC qui sert ainsi d’interface graphique, de commande et de mémoire de stockage. Nous vérifions donc facilement que l’imbibition se déroule correctement (augmentation des conductances) et pouvons même isoler un certain nombre d’électrodes pendant la parabole afin d’examiner leurs comportements en détails.
Cependant, j’ai mentionné plus haut que le boîtier contenant le multiplexeur sert aussi pour l’injection du liquide. Ceci a posé un problème pour la commande du pousse-seringue car deux interfaces différentes sont alors nécessaires pour la conductimétrie et l’injection. Utiliser un autre PC aurait été impossible à cause des contraintes d’espace dans le bâti. La solution fut de pré-programmer des valeurs de débit, accessibles directement par l’interface du boîtier. Celle-ci est composée d’un potentiomètre, d’un afficheur 32 caractères, d’un bouton poussoir et d’un interrupteur de type 0-1. Ce dernier permet de sélectionner la direction de rotation du moteur du pousse-seringue, donc la poussée ou le tirage des pistons. Le potentiomètre est utilisé pour sélectionner la valeur de débit souhaitée, validée par le bouton poussoir. Nous avons envisagé 8 débits, déterminés de façon à optimiser la distance parcourue par le front d’imbibition et le rechargement des seringues en cours de vol. Ces débits sont de 8 ; 12 ; 16 ; 22 ; 32 ; 42 ; 58 ; 80 mL.min-1. D’autres débits sont utilisés occasionnellement pour les imbibitions en hyperpesanteur. La durée des débits pulsés est mesurée par l’opérateur de l’injection, qui évalue 5 s avant de l’arrêter. Un microphone permet d’enregistrer sur les vidéos les signaux vocaux déclamés en début et en fin d’injection, et qui servent aussi à la synchronisation du démarrage de la mesure des conductances.
La répartition des appareils sur le bâti obéit à des contraintes de branchements électriques et de postes d’opérations. L’expérience a été conçue pour trois manipulateurs, aux unités d’injection, de conductimétrie et de production des mousses. Le premier gère le boîtier d’injection, le second le PC, et le dernier la pompe, avec des moyens de contrôle (figure 4.33).
Poste 2 : moniteur et boîtier d’injection Poste 3 : pompe et cellule d’imbibition Poste 1 : PC et impédance- mètre
1
2
3
4
Figure 4.33 : photographies de l’expérience complète ; la pompe, située entre le moniteur et le magnétoscope, en haut à gauche de l’image de droite, n’est que partiellement visible (extraite de Bail et al.[1], 2005)
Ces moyens sont au poste 1 : l’impédancemètre 1, où apparaît la valeur mesurée et le PC 2, sur l’écran duquel s’affichent les courbes ; au poste 2 : l’interface du boîtier de commande de l’injection 3, où le débit est écrit et le moniteur 4, montrant les images capturées par la caméra CCD ; au poste 3 : l’observation directe de la cellule d’imbibition. L’ensemble des appareillages est fixé par vis, lanières ou cadres métalliques, afin de rester en place lors des phases de micropesanteur et d’hyperpesanteur. Comme pour les précédents vols, les structures proéminentes dangereuses sont recouvertes par une épaisse mousse en plastique.