Essais exhaustifs en soufflerie dans le but d'étayer la conception et de favoriser la stabilité avant le lancement
Dans le cadre du développement continu de son système lanceur Delta IV dans les années 1990, l'entreprise Boeing nous avait demandé de déterminer quelles charges dues au vent étaient susceptibles d’affecter les lanceurs durant les quelques semaines avant le lancement alors qu’ils se retrouvaient sur l'aire de lancement.
Nous avons étudié différentes configurations de lanceurs, chacune comportant plusieurs grands cylindres assemblés côte à côte ou empilés les uns sur les autres, mais possédant des dimensions et des géométries différentes. Par conséquent, plusieurs études étaient nécessaires afin de s’assurer que toutes les configurations démontraient l’intégrité nécessaire pour résister à des vents violents, s'il y en avait avant le lancement. Afin de réaliser des essais et les évaluer de manière détaillée, nous avons choisi trois configurations représentatives de lanceurs : moyen, moyen plus, et lourd.
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Le défi
Notre tâche consistait à étudier l'effet du vent sur les trois configurations de véhicules sélectionnées, aussi bien dans des conditions chargées qu'à vide et sur chacun des deux différents sites de lancement : la base de lancement du Cap Canaveral en Floride et la base aérienne de Vandenberg en Californie. Nous avons donc été chargés d’évaluer un total de 12 différentes configurations de véhicules/sites de lancement. Nous avons aussi testé des configurations supplémentaires afin d’inclure les possibles effets aérodynamiques des structures avoisinantes qui ont été configurés différemment pour chaque site de lancement.
En raison du faible coefficient d’élancement des lanceurs, en termes d’aérodynamique, nous prévoyions qu’il y aurait d'importants effets d'écoulement en trois dimensions; les configurations d’écoulement les plus complexes se trouvant autour de la cime conique ainsi que dans les fentes entre le propulseur principal et les propulseurs d'appoint. Plusieurs protubérances sur la surface des lanceurs, comme les tunnels de fil et les conduits d’oxygène liquide, ont aggravé les configurations de vents déjà complexes sur ces véhicules. Aucune des configurations de lanceur ne présentait une forme transversale purement cylindrique au vent face à la plupart des directions de vent.
Nous étions principalement préoccupés par trois effets du vent : le décollement de tourbillon, l'interférence de sillage et les bourrasques.
Le décollement de tourbillon se produit lorsque le vent traverse un cylindre qui est approximativement en angle droit avec son axe longitudinal — un phénomène très courant sur les deux sites de lancement. Lorsque le vent passe, il produit des forces perpendiculaires à la direction du vent. Cet autre décollement de tourbillon provoque des oscillations et, pour les structures légères ayant un faible amortissement comme les cylindres utilisés dans le système de lancement, l’amplitude de la vibration peut potentiellement être suffisamment élevée pour devenir une source de préoccupation.
Les interférences de sillage proviennent des structures à proximité, comme les composantes de la tour de lancement. Chaque fois que le vent souffle dans certaines directions, ce sillage a un effet sur le lanceur. Ces différentes directions du vent dépendent de la forme et du positionnement de la structure par rapport au véhicule. Les bourrasques constituent un phénomène que subissent toutes les structures flexibles qui se trouvent dans la couche limite atmosphérique. Les structures flexibles bougent généralement beaucoup lors de vents forts, simplement en raison de l’action vibrante aléatoire de la turbulence des vents causée par la friction avec le sol lorsqu’ils s’approchent de la structure. Les modes de vibration inférieurs du lanceur seront excités par cet effet.
Notre approche
En nous fondant sur les archives historiques, nous avons effectué une analyse approfondie des conditions locales de vent en tenant compte de toutes les directions du vent pour les deux aires de lancement. Notre analyse statistique des conditions de vent a servi de base à un programme complet d'essais en soufflerie que nous avons réalisé sur des maquettes à différentes échelles.
Le résultat
Les charges de calcul dérivées des essais en soufflerie ont permis d'éclairer la conception de Boeing et, jusqu'à ce jour, le système lanceur de véhicules Delta IV poursuit ses activités avec succès, avec un calendrier de lancement bien rempli. Depuis le départ à la retraite de la navette spatiale, le Delta IV, avec sa configuration lourde, est le plus grand véhicule disponible pour le lancement de charges utiles.