Solutions passives

Les turbulateurs

Comme nous l’avons vu précédemment, la couche limite turbulente est moins sensible au décollement que son homologue laminaire. Les turbulateurs permettent le déclanchement de la transition laminaire-turbulent en un point voulu de la surface ailaire. Les turbulateurs mécaniques, petites bandes collées en zig zag à proximité du bord d’attaque, déclanchent la transition par effet de marche.

L’effet peau de requin

La structuration de surface présente au niveau de la peau du requin (cf. Fig. 1. 16) permet de limiter le mouvement des structures tourbillonnaires au voisinage de la surface. Les travaux de Kim et al. montrent qu’une structuration périodique d’une surface permet de limiter la traînée de la même façon, pour un écoulement aérien. Notons de plus la simplicité de micro-usinage de telles structures. La complexité des effets mis en jeu et la difficulté de simulation de tels effets laissent cette technologie au stade expérimental pour le moment. Par ailleurs, les gains en traînée, inférieurs à 6%, sont très sensibles au nombre de Reynolds [4]. La recherche de solutions actives est donc actuellement stimulée.

Fig. 1. 16. Structuration de surface sur la peau du requin, à droite. Simulation numérique des structures tourbillonnaires présentes dans la couche limite à proximité d’une surface micro-usinée (DNS), à gauche.

3.2.2. Solutions actives : Actionnement fondé sur l’utilisation de

microsystèmes.

Les systèmes les plus aboutis pour le contrôle de couche limite sont certainement les propositions de Chih Ming Ho et al., combinant le développement en parallèle de capteurs et d’actionneurs pour un contrôle actif de la couche limite. Le principe d’actionnement consiste à éloigner les tourbillons de la paroi en utilisant des micro-volets par l’injection de quantité de mouvement dans la couche limite. L’action localisée des MEMS, combinée à l’information très locale des capteurs de frottement, permet une utilisation adaptive et des gains en traînée de l’ordre de 10% sur des plages étendues de Reynolds.

Un premier prototype d’actionneurs consiste en un micro-volet dont l’action consiste à renvoyer loin de la surface filets de fluide à haute vitesse [5] (Cf. Fig. 1. 17). Les dimensions caractéristiques du volet (4mm*4mm) correspondent aux dimensions des tourbillons à contrôler. Un actionnement électromagnétique a été choisi car il permet un déplacement important (> 100 µm). La structure consiste en une plaque rigide en silicium comprenant une microbobine, reliée au substrat par des cantilevers en polysilicium permettant un débattement angulaire important de la structure. Un noyau de NiFe électrolysé à la surface du volet concentre le champ magnétique créé par la mirobobine, le déplacement étant réalisé par couplage avec un aimant permanent placé en face arrière.

Vortex longitudinaux Micro-volet Vortex longitudinaux Micro-volet Micro-volet Micro-bobine Noyau Contacts électriques

Fig. 1. 17. Effet des micro-volets sur les tourbillons contra-rotatifs de couche limite turbulente.

Les performances intéressantes obtenues pour des écoulements adaptés ont permis l’utilisation de ces systèmes pour la réalisation de gouvernes dans le cas d’ailes de type Delta (effet important des actionneurs positionnés au niveau du bord d’attaque sur les tourbillons marginaux prenant naissance à ces endroits). Cependant, la limitation de l’actionnement à la seule fréquence de résonance de la structure (13 kHz, 100µm) ne permet pas la flexibilité voulue pour une utilisation en contrôle actif. De plus, ces structures fragiles ne sont pas adaptés à des écoulements rapides (arrachement pour une vitesse à l’infini supérieure à quelques dizaines de mètres par seconde).

Une seconde voie d’actionnement, également développée par l’équipe de Chih Minh Ho, consiste à gonfler des ballons de taille millimétrique en silicone [6] (Cf. Fig. 1. 18), sous

l’effet d’une pression interne. Les efforts et les déplacements obtenus (>100mN, >1mm) sont malheureusement accompagnés d’une fréquence d’actionnement trop faible (<50 Hz).

Fig. 1. 18. Microballons pour le contrôle actif de couche limite.

L’actionneur actuellement en développement pour les applications de contrôle actif de couche limite est constitué d’un micro-volet en silicium actionné pneumatiquement par une membrane en silicone. L’intégration réussie de l’actionneur avec un ensemble de capteurs de

contrainte surfacique [7],[9] situés autant en amont qu’en aval font la réelle originalité de ce

système. La figure 1.18 montre l’architecture générale.

Micro-volet Membrane souple (silicone) Micro-volet (silicium) (a) (b) (c)

Fig. 1. 19. Architecture (a) et réalisation (b,c) de l’actionneur à micro-volets pour le contrôle actif de couche limite [8].

Les caractéristiques de ce nouvel actionneur semblent suffisantes pour les applications visées : force en bout de flap : 10 mN, temps de réponse : 10 ms, déplacement : 100 µm avec la possibilité de maintenir l’actionneur levé si nécessaire.

Un réseau de neurones est au cœur du fonctionnement de la boucle de rétroaction, permettant un contrôle actif, vu la complexité des phénomènes mis en jeu.

Comme l’ont montré Ho et al., des instabilités locales peuvent contrôler le développement de tourbillons importants, comme par exemple les tourbillons de bord d’attaque d’une aile delta. Un principe innovant de gouverne a ainsi été réalisé et testé [12].

Notons également les travaux réalisés par Kasagi et al. [10], [11], concernant le développement de micro-actionneurs pour le contrôle de couche limite. Les structures réalisées consistent en une plaque rigide en silicium (7mm x 1mm), comprenant une microbobine, suspendue en deux de ses côtés par deux poutres souples en polyimide (largeur 100 à 300 µm) (cf. ). Le système mobile est actionné à la de résonance (500 Hz, premier mode de torsion), permettant une grande déflexion des plaques (12.5°, 90µm), par couplage entre le champ généré par la microbobine et un aimant permanent situé sous la structure mobile.

L’originalité de ces travaux consiste en l’intégration importante des actionneurs, réalisés en matrice de 16 flaps avec des séries de capteurs à film chaud réalisés en amont et en aval des actionneurs. Les capteurs consistent alors en un dépôt de platine (épaisseur 1µm) sur une membrane isolante en nitrure peu contraint (Si N ).

Enfin, une électronique de commande est intégrée à la plaquette de manière à réaliser un contrôle actif (feedback) sur les écoulements dans la couche limite. Une réduction de traînée de l’ordre de 6% a été observée en soufflerie.

Plaque rigide (Si) Microbobine Polyimide ACTIONNEURS CAPTEURS CAPTEURS Film chaud (Pt, 1µm) Nitrure Si_xN_y Air Silicium ECOULEMENT Induction magnétique ^Articulation Articulation Bobine Induction magnétique (a) (b)

Fig. 1. 20. Architecture et dimensions de l’actionneur éléctromagnétique développé par Kasagi et al. [10]

Une technologie alternative à actionnement thermique a été mise en place par la même équipe [13]. Des plateaux sont alors levées en dehors du plan ou déplacés tangentiellement à la surface par dilatation thermique de films Cr/Au. Les déplacements importants obtenus (50 µm) sont malheureusement accompagnés d’un long temps de réponse.

De récentes technologies d’actionnement se tournent actuellement vers les interactions entre les ondes progressives de surface et des tourbillons de couche limite. Si certains se tournent vers un couplage passif (ondes de type Tollmien-Schlichting [14],[15] ou Flutter), un contrôle actif est envisageable car il demande :

- un actionnement très localisé - un temps de réponse court - un déplacement faible

Plusieurs technologies d’actionnement sont investiguées (pneumatique [16], pézoélectrique [18])

Cette technique de contrôle reste plus adaptée aux écoulements hydrodynamiques où les effets de viscosité sont importants. On trouve cependant des surfaces propices à un tel type de contrôle au niveau de la peau de certaines espèces de dauphins, capables de se déformer très localement.

• La fragilité (la plupart des actionneurs de type micro-flap s’arrachent dans un écoulement de vitesse supérieure à 30 m/s)

• Le manque de fiabilité (peu d’attention est portée aux conditions réelles de vol des engins aéronautiques).

• Un poids embarqué important en comparaison à l’effet escompté : en effet, une couverture de la totalité de la surface des ailes est nécessaire pour escompter un effet important.

• Des coûts de maintenance importants du fait de la grande quantité d’actionneurs et de leur faible robustesse individuelle.

Pour répondre aux besoins des avionneurs, un effort important de recherche se focalise actuellement vers le contrôle de décollement car il demande un effet beaucoup plus localisé que le contrôle de couche limite, pour une utilisation plus ponctuelle dans le temps.