4.2 Essais en chemin´ ee
4.2.4 Principe de mesure de l’´ emissivit´ e spectrale
Le principe de mesure de l’´emissivit´e spectrale de la flamme en Bande I (c’est-` a-dire autour de λ = 0,90 µm) consiste `a faire pointer deux pyrom`etres bichromatique et monochromatique sur le mˆeme volume d’´etude (Fig.4.13). Deux mesures d’une mˆeme luminance sont alors effectu´ees mais, dans un cas, il s’agit de la luminance mesur´ee par le pyrom`etre monochromatrique, sur une largeur de bande centr´ee en λ = 0,90 µm, `a une Temp´erature Equivalent Corps Noir TECN I (temp´erature de luminance), et dans l’autre, il s’agit de la luminance mesur´ee par le pyrom`etre bichromatrique, sur une largeur de bande centr´ee en λ = 0,90 µm, `a la temp´erature T2. Cette temp´erature T2 correspond ici `
sur cette bande. Ainsi, on d´eduit trivialement de l’´egalit´e des luminances mesur´ees : C1
λ5(eC2/λT1 − 1) =
C1
λ5(eC2/λT2 − 1) (4.4)
l’´emissivit´e monochromatique apparente, locale : (λ, T2) = e
C2/λT2 − 1
eC2/λT1 − 1 (4.5)
Fig. 4.13 – Principe des mesures in situ de temp´erature et ´emissivit´e locale dans un feu de propergol solide aluminis´e PA/PBHT/Al
Pour d´eterminer le coefficient d’´emission monochromatique de la flamme en Bande II (en λ = 4,50 µm et λ = 4,66 µm), nous supposons que la mesure de temp´erature par le pyrom`etre bichromatique Impac est reproductible, ce qui est le cas, `a quelques degr´es pr`es. Ainsi, en utilisant la mesure de temp´erature vraie T2 `a chaque hauteur, on d´eduit ´
egalement la valeur de l’´emissivit´e monochromatique de la flamme pour les longueurs d’onde λ = 4,50 µm et λ = 4,66 µm.
Chapitre 5
R´esultats et Discussion
La s´erie d’essais en champ libre a d’abord permis d’´etablir la signature thermique d’un feu de propergol PA/PBHT/Al et de retrouver la structure `a trois cˆones propos´ee par E.W. Price (1979) [2]. Une comparaison des r´esultats entre les deux compositions, l’une hautement charg´ee en aluminium (Butalane) et l’autre moins (Butalite), a montr´e l’influence du chargement initial en particules d’aluminium sur la vitesse de combustion du propergol et sur les transferts radiatifs entre le feu et l’environnement. Les mesures in situ, effectu´ees lors des essais en chemin´ee, ont ensuite caract´eris´e thermiquement le coeur de la flamme et permis de remonter aux propri´et´es radiatives d’un feu de propergol de type Butalane, sur trois bandes spectrales distinctes, centr´ees respectivement en λ = 0,90 µm (proche IR), λ = 4,50 µm et λ = 4,66 µm (IR moyen).
L’ensemble des essais a eu lieu `a pression atmosph´erique, dans des conditions hy-grom´etriques situ´ees entre 35% et 80% et `a une temp´erature ambiante de 10◦C environ. Le vent ´etait quasiment nul sur le banc d’essais, un filet protecteur ´etant tir´e tout autour du montage exp´erimental.
5.1 Signature thermique IR d’un feu de propergol
aluminis´e
La signature thermique d’un feu de propergol, `a pression atmosph´erique, est effectu´ee par thermographie IR, pour les deux compositions pr´ec´edemment cit´ees. Les cam´eras
utilis´ees ici mesurent le champ de luminance ´emise par le feu au cours du tir, dans les bandes II [3-5,5 µm] et III [7-11,5 µm]. A partir des coefficients A, B et C, d´etermin´es lors de l’´etalonnage des cam´eras (Annexe A), on peut remonter, sur chaque bande spectrale, `
a l’´evolution du champ de temp´erature ´equivalent corps noir du feu, TECN II sur la Bande II et TECN III sur la Bande III. Celles-ci restent des temp´eratures dites de surface et ne nous donnent aucune indication sur la temp´erature au coeur de la flamme.
t = 0 s t = 30 s
t = 60 s t = 120 s
Fig. 5.1 – Visualisation par cam´era IR d’un feu de propergol type Butalane (Bande II)
Dans le cas de la composition Butalane (Fig.5.1et5.2), une fois que le bloc de propergol est allum´e (t > 0 s), on peut observer trois zones distinctes :
– une zone chaude (rouge-orang´ee) correspondant `a la base du feu (TECN II ≈ 1350◦C et TECN III ≈ 1450◦C). C’est dans cette zone qu’a lieu la combustion du propergol,
t = 0 s t = 30 s
t = 60 s t = 120 s
Fig. 5.2 – Visualisation par cam´era IR d’un feu de propergol type Butalane (Bande III)
dont les r´eactions en phase gazeuse sont tr`es exothermiques, et que d´ebute l’oxyda-tion des gouttelettes d’aluminium. L’´ecoulement r´eactif reste ici peu affect´e par les effets a´erothermiques de l’air environnant ;
– une zone interm´ediaire de plus faibles temp´eratures (rouge-violette) car plus ´eloign´ee de la surface de combustion du propergol (TECN II ≈ 1200 ◦C et TECN III ≈ 1300
◦C), o`u les gouttelettes d’aluminium terminent de s’oxyder. Cette zone est un peu plus affect´ee par les effets a´erothermiques de l’air environnant ;
– une zone de m´elange avec l’air ambiant qui correspond au panache du feu (bleu-violette). La temp´erature chute ici rapidement (TECN II ≈ 950◦C et TECN III ≈ 1000
´
ecoulement turbulent. Cette zone est ´egalement hautement charg´ee en particules d’alumine issues de l’oxydation des gouttes d’aluminium qui a lieu dans les deux zones pr´ec´edentes. Aussi, ces particules ´etant plus fortement ´emissives en Bande III qu’en Bande II, il est coh´erent de retrouver une temp´erature TECN plus ´elev´ee en Bande III qu’en Bande II.
t = 0 s t = 30 s
t = 60 s t = 120 s
Fig. 5.3 – Visualisation par cam´era IR d’un feu de propergol type Butalite (Bande II)
Dans le cas de la composition Butalite (Fig.5.3 et5.4), les zones identifi´ees sont sensible-ment les mˆemes, avec n´eanmoins quelques diff´erences remarquables :
– la zone la plus chaude (rouge-orang´ee) correspond `a la base du feu o`u a ´egalement lieu la combustion des gouttelettes d’aluminium. Cependant, les niveaux de temp´erature atteints sont bien moins ´elev´es que pour la Butalane (TECN II ≈ 1200◦C et TECN III
≈ 930 ◦C), en raison de la faible teneur du mat´eriau en aluminium.
– la zone interm´ediaire (rouge-violette) semble plus affect´ee a´erothermiquement que dans le cas d’une Butalane. Les niveaux de temp´erature atteints sont ´egalement bien plus faibles (TECN II ≈ 1000◦C et TECN III ≈ 750 ◦C) ;
– la zone de m´elange avec l’air ambiant (bleu-violette) s’´etablit plus pr`es de la surface de propergol et demeure une zone de forte turbulence.
t = 0 s t = 30 s
t = 60 s t = 120 s
Fig. 5.4 – Visualisation par cam´era IR d’un feu de propergol type Butalite (Bande III)
Dans les deux cas, nous retrouvons donc la structure `a trois cˆones d’un feu de propergol solide aluminis´e, propos´ee par Price (1979). Ces observations restent qualitatives et il est difficile de conclure sur la taille ou la composition pr´ecise de chaque zone. Cependant, quelle que soit la zone consid´er´ee, les niveaux de temp´erature TECN les plus ´elev´es sont
ici atteints en Bande II et non en Bande III, comme c’´etait le cas pour la Butalane. Le comportement radiatif des deux compositions semble ˆetre bien diff´erent, point que nous montrons, plus en d´etail, dans le paragraphe suivant. Par ailleurs, une visualisation par cam´era ultraviolet a ´et´e r´ealis´ee au cours de ces essais. Les r´esultats obtenus restent cependant qualitatifs et sont pr´esent´es en Annexe B.