Voir la source de Torche à plasma (astronautique)

{{Homonyme|Torche à plasma (homonymie)}}
La '''[[torche à plasma]] pour l'[[astronautique]]''' est un moyen d'essai destiné à produire un gaz à quelques milliers de degrés et à haute pression pour tester les matériaux utilisés en [[hypersonique]], en particulier pour la [[rentrée atmosphérique]]<ref>{{article|langue=en|auteur1=J. Muylaert|auteur2= W. Kordulla|auteur3= D. Giordano|auteur4= L. Marraffa|auteur5= R. Schwane|auteur6=M. Spel|auteur7= L. Walpot|auteur8= H. Wong|titre=Aerothermodynamic Analysis of Space-Vehicle Phenomena|périodique=ESA Bulletin|numéro=105|année=2001|url=http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet105/bul105_7.pdf}}</ref>.

Ce type de moyen est également baptisé '''jet de plasma''' ou, en anglais, '''{{anglais|arcjet}}''' ou '''{{anglais|arc heater}}'''.

== Histoire ==
[[Fichier:AEDC H3 Arc Heater.jpg|vignette|upright=1.5|Torche à plasma segmentée HEAT H3 de l'{{lang|en|[[Arnold Engineering Development Complex]]}}. Chaque segment possède son propre système de refroidissement (tuyaux rouges). On aperçoit les [[Disque de Mach|disques de Mach]] de l'écoulement généré.]]

Ce type de moyen a été créé dans les années 1950 par l'[[US Air Force]] pour tester les matériaux utilisés sur les corps de rentrée balistiques. Un exemple fameux est le REentry NoseTip (RENT) de puissance {{unité|10|MW}} construit par l' ''Air Force Flight Dynamics Laboratory'' puis transféré à l'{{lang|en|[[Arnold Engineering Development Complex]]}}, où il est resté en service jusque dans les années 1990<ref name="Advanced">{{ouvrage|langue=en|auteur=|titre=Advanced Hypersonic Test facilities|année=2002|éditeur=[[AIAA]]|volume=198|ISBN=1-56347-541-3|url=https://books.google.fr/books?id=_D1BJ_wlAv4C&pg=PA300&lpg=PA300&dq=giant+planet+facility+ames&source=bl&ots=0AVwYdskLe&sig=YzsVDOM2HVevpF3kns4JidQ9iE0&hl=fr&sa=X&ved=0ahUKEwiOoPC1-bXWAhXDwBQKHd5nByMQ6AEIWzAJ#v=onepage&q=giant%20planet%20facility%20ames&f=false}}</ref>{{,}}<ref>{{Ouvrage|langue=en|titre=Space Simulation|volume=336|éditeur=[[National Bureau of Standards]]|année=1970|isbn=|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=zzlF5LgZnJYC&pg=PA896&dq=rent+arc+heater}}</ref>. Il a été remplacé par des moyens plus puissants comme le {{lang|en|High Enthalpy Arc Test}} ({{lang|en|HEAT}} H3) ({{unité|70|MW}}) en 1995. Ce type de nouveau moyen fait appel à une nouvelle technologie, celle de la segmentation des électrodes (voir ci-dessous), mise au point sur le ''HEAT H1''.

En France, ce type de moyen a été développé en 1979 par l'[[Aérospatiale (société)|Aérospatiale]] avec le ''JP200'' ({{dunité|4|5|MW}}), configuration originale de quatre générateurs en parallèle développés antérieurement sous le nom de ''JP50''<ref>{{article|langue=en|auteur1=D. D. Horn|auteur2=W. E. Bruce III|auteur3=E.J. Felderman|auteur4=G. R. Beitel|titre=Arc Heater Manifold Evaluation|année=1996|périodique=Rapport AEDC TR-95-28|url=http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA309504 }}.</ref>.

Par la suite des moyens plus puissants ont fait leur apparition pour le domaine civil. On peut citer le ''Interaction Heating Facility'' ({{unité|60|MW}}) de la [[NASA]] à ''[[Ames Research Center]]'' et ''Scirocco'' ({{unité|70|MW}}) au [[Centre italien de recherche aérospatiale]] (CIRA), moyen financé par l'[[Agence spatiale européenne|ESA]] et mis en service en 2001<ref name="Advanced"/>.

== Fonctionnement du générateur ==
<gallery widths="200" heights="200" style="text-align:center">
Fichier:Arc heater 2.png|<center>Torche à plasma de type Huels. La bobine magnétique est destinée à faire tourner le pied d'arc.</center>.
Fichier:Arc heater segmente.png|<center>Torche à plasma à électrodes segmentées. Chaque segment comporte son propre injecteur de gaz.</center>.
</gallery>

Le but d'un tel générateur, indépendamment de la tuyère qui lui sera associée, est de produire un gaz à quelques milliers de degrés et haute pression qui, après le passage dans une [[tuyère]] supersonique sera projeté sur une maquette ou un échantillon de matériau.

Dans le générateur le milieu créé par la décharge est un plasma froid caractérisé par une [[température thermodynamique|température]] électronique beaucoup plus élevée que celle des particules lourdes : atomes, molécules ou ions. Au contraire dans le jet servant au test on s'efforce de créer un milieu à l'[[équilibre thermodynamique]], représentatif de l'écoulement rencontré en vol.

L'arc est produit sous une différence de potentiel de plusieurs dizaines de milliers de volts et un courant de quelques milliers d'ampères. Le rendement est de 50 à 90 % dans le gaz suivant la pression de fonctionnement p, pouvant atteindre une centaine de bars. L'[[enthalpie]] du gaz h est de l'ordre de la dizaine de MJ / kg et le débit gazeux du kg / s. Le reste de l'énergie consommée sert à échauffer la paroi qui peut recevoir plusieurs dizaines de MW / {{m2}}. C'est cet aspect qui limite la montée en puissance. Cette contrainte s'exprime par une loi empirique<ref>{{article|langue=en|auteur1=W. E. Nicolet|auteur2=C. E. Shepard|auteur3=K. J. Clark|auteur4=A. Balakrishnan|auteur5=J. P. Kesselring|auteur6=K. E. Suchsland|auteur7=J. J. Reese|titre=Analytical and Design Studies for a High-Pressure, High-Enthalpy Constricted Arc Heater|périodique=AEDC Technical Report TR-75-47|année=1975|url=http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA012551 }}</ref>
::<math>hp^n=C^{ste}\,,\;\;\;n\simeq 0{,}4</math>
La constante est caractéristique de la technologie employée.

La vitesse de l'écoulement dans le générateur étant faible, la pression (mesurée directement) et l'enthalpie (mesurée par bilan d'énergie ou par la méthode aérodynamique<ref name="Winovich">{{article|langue=en|auteur=N. Winovich|titre=On the Equilibrium Sonic-Flow Method for Evaluating Electric-Arc Air-Heater Performance|périodique=NASA Tehnical Report TN-D-2132|année=1964}}</ref>) peuvent être prises pour valeurs génératrices pour l'écoulement en aval.
{| class="wikitable"
|+ Exemples de moyens d'essais<ref name="Duffa"/>
! Moyen !! Opérateur !! Puissance<br>(MW) !! Enthalpie<br>(MJ/kg) !! Pression<br>(atm) !! Débit<br>(kg/s) !! Mach tuyère(s) !! Φ sortie<br>(mm)
|-
| RENT || Retiré du service || 10 || 2.5 || 125 || 3 || 2 || 25
|-
| HEAT H3 || AEDC || 70 || 20 || 115 || 2-10 || 1.8-3.5 || 28-102
|-
| Scirocco || CIRA || 70 || 25 || 16 || 0.1-3.5 || 12 || 900-1950
|-
| IHF || NASA || 60 || 2-28 || 1-9 || 0.03-1.7 || 5.5-7.5 || 76.2-1041
|}

== Essais ==
[[Fichier:PHEDRA BLUNT ICARE CNRS.jpg|vignette|upright=1.5|<center>Essai en point d'arrêt.</center>]]

Certains essais s'effectuent à l'air libre dans une région de l'espace non perturbée par la détente du jet sortant de la tuyère avec le milieu extérieur. Dans les essais à faible [[pression statique]] il est nécessaire de disposer d'une chambre d'expérience dotée d'un [[injecteur|extracteur]] destiné à maintenir cette pression au cours de l'essai.

Les montages d'essai peuvent prendre des formes très variées. La plus simple consiste à présenter l'échantillon ou maquette à la sortie de tuyère, une configuration dite « en point d'arrêt »<ref name="Duffa">{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Duffa|nom1=G.|titre=Ablative Thermal Protection Systems Modeling|lieu=Reston, VA|éditeur=[[AIAA]] Educational Series|année=2013|pages totales=431|isbn=978-1-62410-171-7}}</ref>.

Des considérations élémentaires montrent que la taille maximale de l'éprouvette d'essai varie comme la racine carrée de la puissance, ce qui constitue une importante limitation.
{{démonstration |contenu=
Soient W la puissance, d le débit de gaz, h l'enthalpie et r le rendement, on a
::<math>rW=hd</math>
Les équations relatives aux écoulements isentropiques permettent d'évaluer le débit au col de la tuyère
::<math>d=\rho a S</math>
où ρ est la masse volumique, a la vitesse du son, valeurs au col d'aire S.

Connaissant l'équation d'état du gaz on peut ainsi exprimer l'enthalpie en fonction de la pression génératrice et du débit (dans l'exemple présent pour l'air<ref name="Winovich"/>)
::<math>h=4{,}55\times 10^{-2}\left(\frac{d}{Sp}\right)^{-2{,}519}</math>
des équations précédentes on déduit
::<math>Sh^{0{,}603}=C^{ste}\frac{rW}{p^{\frac{1}{2}}}</math>
Cette équation montre que
* on est limité en diamètre d'éprouvette Φ par la sortie de tuyère (S ~ Φ{{exp|2}}) : si on double la taille de l'échantillon à puissance donnée on diminue l'enthalpie d'un facteur 10,
* Φ est proportionnel à W{{exp|1/2}} : la puissance nécessaire croît très vite avec la taille d'éprouvette souhaitée.
}}

D'une façon générale les écoulements générés par ce type de moyen ne sont pas parfaitement homogènes et fluctuent dans le temps, ceci étant d'autant plus vrai que la pression augmente.

== Autres utilisations ==
[[image:Torche à plasma Haut fourneau U4 Uckange 1991.png|vignette|Plan d'une torche à plasma fournie par l'[[Aérospatiale (entreprise)|Aérospatiale]] et utilisée à l'[[usine sidérurgique d'Uckange]].]]

En [[sidérurgie]], les torches à plasma ont été évaluées comme un moyen de pousser l'[[Haut fourneau#Circulaire à vent chaud et tuyères|injection charbon au haut fourneau]]. Premièrement testées sur un [[haut fourneau]] à [[ferromanganèse]] de la [[Eramet|SFPO]] à [[Boulogne-sur-Mer]], l'injection a été ensuite évaluée largement à la fin des années 1980 à l'[[usine sidérurgique d'Uckange]]. Six torches de {{nombre|1.9|MW}} chacune, fournies par l'[[Aérospatiale (entreprise)|Aérospatiale]] (département devenu [[Europlasma]] en 1992), ont permis de pousser la température du vent chaud soufflé aux tuyères jusqu'à {{tmp|1307|°C}}, permettant des taux d'injection de charbon pulvérisé de plus de {{nombre|200|kg/t}} de fonte, une performance remarquable à cette époque<ref>{{Ouvrage |format électronique= pdf
 |titre= CECA-Acier |sous-titre= Dix ans de recherche et de développement : 1981-1992
 |auteur institutionnel= [[Communauté européenne du charbon et de l'acier]]
 |éditeur= J. Ferron |année= 1991
 |passage= 27
 |lire en ligne= https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/3cc619d4-bb9f-474e-8613-dfc3f65329b6/language-en
 |ISSN= 1018-5593}}.</ref>. Depuis, la technologie a été abandonnée, l'injection d'oxygène pur dans le vent permettant d'obtenir des injections de charbon semblables à moindre coût.

Aux début du {{s-|XXI}}, l’intérêt des torches à plasma renaît, en raison de leur capacité à fournir un vent chaud sans utiliser de combustible fossile. La sidérurgie évalue ainsi cette technologie à différentes étapes de la production ([[four à arc électrique]]<ref>{{harvsp|Communauté européenne du charbon et de l'acier|1991|p=40-41}}.</ref>, [[usine d'agglomération]], [[haut fourneau]],…)

== Notes et références ==
<References/>

== Voir aussi ==
{{Autres projets|Category:Arc heaters}}
* [[Torche à plasma]]

== Liens externes ==
* {{Site web|langue=en|titre=Plasma Wind Tunnel Complex|url=https://www.cira.it/en/research-infrastructures/plasma-wind-tunnels/Plasma%20Wind%20Tunnel%20Complex|site=CIRA}}

{{Portail|astronautique}}

[[Catégorie:Plasma]]
[[Catégorie:Banc d'essai]]