Interaction fluide

Proposition de sujet de thèse
Domaine des sciences pour l’ingénieur appliquées aux systèmes de transport spatial
Titre du sujet : Interaction fluide-structure : application à l’étude des mécanismes d’endommagement d’un aileron
composite soumis à un écoulement turbulent en régime transsonique
Nom et Prénom du Responsable Cnes : Oswald Jean
Adresse e-mail : [email protected] tél . : [phone]
Sigle de la structue : DLA/DA/SFR/TRD
Laboratoire d’accueil : ISAE/DAEP Département Aérodynamique, Energétique et Propulsionf
Adresse : 3 rue Caroline Aigle
Code Postal : 31400 Ville : Toulouse
Nom et prénom du Directeur : JOLY Micjhel
Adresse e-mail : la[email protected] tél : [phone]
Nom et Prénom du Directeur de thèse : GOURDAIN Nicolas
Adresse e-mail : ni[email protected] tél : [phone]
Nom et Prénom de l’Encadrant : MICHEL Laurent
Adresse e-mail : la[email protected] tél : [phone]
Co-financeur : Une demande de demi-allocation de thèse sera faite à la région Midi-Pyrénées/ Avantis Project
Nom et Prénom du Responsable technique :
Adresse e-mail : tél. :
Nom et Prénom du Responsable amdiministratif :
Adresse e-mail : tél. :
Profil du candidat : Elève-ingénieur d'une école généraliste aéronautique ou à dominante mécanique des structures
et des fluides et/ou titulaire d'un master M2R en mécanique
Sujet : Dans le cadre du projet PERSEUS, l’ISAE a entrepris une collaboration avec le CNES et l’Aéro-
Ipsa depuis 2010 sur l’étude des ailerons stabilisateurs de la fusée supersonique SERA-1, par le biais
de travaux académiques d’élèves de l’ISAE et, en particulier, ceux du Mastère Structures
Aéronautiques et Spatiales (SAS). Les calculs d’aérodynamique à Mach 1.3 et les essais mécaniques
de vibration réalisés à l’ISAE ont permis au laboratoire Mécatronique de l'Ipsa d’améliorer la
conception générale de l’aileron et de modifier le procédé de fabrication qui ont abouti à sa forme
actuelle.
Des essais de tenue mécanique réalisés en 2012, 2013 et 2014 ont toutefois montré une fragilité de la
structure de l’aileron. Des dommages apparaissent soit dans les trous de fixation (matage
arrachement) soit en dépliage des peaux ou décollements de l’âme dans la zone du congé de
raccordement. Les dernières améliorations apportées cette année en 2014 ont ainsi permis de
procéder avec succés au lancement de la fusée SERA-1.
Une étude est cependant nécessaire afin de mieux comprendre les mécanismes conduisant à
l’endommagement de l’aileron et d'en assurer une conception optimale. Les fragilités de la structure
ne sont pas les mêmes pour un chargement quasi-statique, pour un chargement vibratoire, ou pour
un écoulement stable supersonique. Ceci laisse penser que la structure présente de forts risques de
destruction en vol dans certaines gammes de sollicitation, soit en amplitude de charge, soit en
gamme de fréquences. Le passage en régime transsonique est précisément dans ce cadre. En
particulier, l’écoulement turbulent autour de l’aileron est susceptible d’être perturbée localement par
les vibrations de la structure induites par des jeux dans les fixations ou dans des éléments dépliés
ou décollés de la structure. Un couplage entre les écoulements locaux et les vibrations de la
structure est de nature à modifier l’équilibre d’ensemble de l’aileron, aboutissant à une modification
des performances aérodynamiques, voir une rupture de la structure.
Deux phénomènes peuvent se combiner pour conduire à la ruine de l’aileron en vol :
• le flottement aéro-élastique (flutter en anglais) est une instabilité qui résulte du couplage entre
les modes propres de l’aileron et l’écoulement. Ce phénomène dépend des caractéristiques
vibratoires de l’aileron (fréquences et modes propres en flexion et/ou torsion) et de l’écoulement
(incidence de la fusée, décollement de la couche limite, etc.) ;
• l’interaction à une échelle réduite d’un décollement de peau composite avec l’écoulement en
pied d’aileron. Dans cette zone, notamment à mi-corde en pied d’aileron, les interactions avec les
structures turbulentes de l’écoulement pourraient mener à l’extension de cette zone de dommage.

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Modèle de document par défaut CNES version 1.6 mars 2006 Thèse_OSWALD_ISAE DAEP_Interaction fluide structure application à l'étude des mécanismes d'endommagement d'un aileron composite.doc
La problématique du flottement transsonique a déjà été étudiée, y compris à l’ISAE. En revanche, il
n’existe pas d’étude de l’interaction entre un écoulement turbulent et un décollement de peau
composite. C’est donc cette problématique que la thèse doit permettre d’adresser.