Un demi-siècle de VKI, référence internationale pour les milieux extrêmes

Le Plasmatron
Le Plasmatron sert à tester les concepts et les matériaux pour la rentrée à grande vitesse dans une atmosphère
14 novembre 2006

La Belgique a, sur son territoire, l’un des établissements les plus remarquables pour les essais en dynamique des fluides : le Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI), qui est implanté à Rhode-Saint-Genèse, dans la banlieue bruxelloise.

Ce centre, dont les origines - sous l’appellation de Service Technique de l’Aéronautique - remontent aux débuts de l’aviation belge dans les années 20, est devenu l’actuel complexe international avec son éventail de souffleries (subsonique, supersonique, hypersonique, plasma…) et son programme de cours (maîtrise de spécialisation). En octobre 1956, la Belgique et les Etats-Unis se mettaient d’accord pour développer cette infrastructure dans le cadre de l’AGARD (Advisory Group for Aeronautical Research & Development) de l’OTAN. L’AGARD a, entre-temps, donné naissance au NATO RTO (Research & Technology Organisation).

Le VKI porte le nom de son créateur d’origine hongroise, l’ingénieur et pionnier aérospatial Theodore von Karman (1881-1963). Aujourd’hui, sous la direction de l’ingénieur Mario Carbonaro, il emploie une centaine d’ingénieurs, chercheurs, académiciens et techniciens et compte une cinquantaine d’installations d’essais. Son financement est assuré par l’OTAN, le Service public fédéral de Programmation de la Politique scientifique et par les activités de recherche, de formation et de consultance.

Le Directeur général de l’ESA a félicité le VKI
Le DG de l'ESA a souligné trente années de coopération avec le VKI

Le budget annuel du VKI s’élève à quelque 7,6 millions €, ce qui en fait l’un des centres de formation, de recherche et de tests les plus importants en Europe. Il est pris en charge pour 45 % par 13 Etats membres de l’OTAN (Belgique, Etats-Unis, France, Allemagne, Italie, Norvège, Espagne, Turquie, Portugal, République tchèque, la Hongrie, le Luxembourg, l’Islande).

La Politique scientifique belge couvre quelque 10 % pour l’entretien des bâtiments et la maintenance. Les 45 % restant sont le résultat financier de prestations pour l’administration (tests de structures pour les constructions en milieu urbain, réalisation de tours, de ponts, de monuments, analyse d’incidences sur l’environnement…), de travaux pour l’industrie (études du fonctionnement de propulseurs, des processus d’écoulement en sidérurgie, optimisation de circuits de refroidissement…). Chaque année, quelque 35 ingénieurs et chercheurs viennent suivre une super-maîtrise, dite de spécialisation, dans le cadre d’une formation post-universitaire avec un important travail de fin d’études qui réalisé au moyen des outils du VKI.

Equipé au départ pour répondre aux besoins de l’activité aérospatiale, le VKI conserve une pièce d’histoire. A savoir le cœur de la première soufflerie hypersonique d’Europe : provenant d’Allemagne, elle était installée au centre de Peenemünde d’où furent lancés les premiers missiles V1 et V2, puis démontée par les Américains, elle fut installée à Rhode Saint Genèse dans les années 50 et servit encore lors des débuts du VKI. L’Institut n’a cessé d’élargir la panoplie de ses équipements d’essais. Surtout qu’il met ses outils de simulation en dynamique des fluides à la disposition des services de génie civil, de l’industrie, de l’environnement, de recherches pluridisciplinaires.

"Princess Elizabeth"
"Princess Elizabeth"

Ainsi sa soufflerie subsonique a été employée pour tester un modèle réduit de la station scientifique « Princess Elizabeth » que la Belgique va, dans deux ans, installer en Antarctique. On a étudié l’action des vents violents et les effets de l’enneigement sur les structures de la base à construire. Par ailleurs, son expertise de la dynamique des fluides, sous forme d’essais en souffleries et de modélisation sur ordinateur, sert aux sciences de la vie (phénomène des écoulements) et au développement des nano-technologies (comportement des micro-structures).

Dans la soufflerie supersonique, d’une puissance de 700 kW, le VKI teste - en mode semi-automatique - des éléments aérodynamiques jusqu’à Mach 2-2,25. Elle a servi à analyser le comportement aéro-acoustique du propergol, en bout de combustion, dans les puissants propulseurs à poudre d’Ariane 5. Pour la fiabilité et les performances du lanceur, il était essentiel de comprendre les instabilités qui se produisaient avant la séparation de l’étage central: elles étaient provoquées par des dépôts de gouttelettes au fond de la structure entourant la tuyère.

Deux outils remarquables au VKI concernent deux simulateurs de vol hypersonique. Une soufflerie sert à étudier le comportement d’une structure jusqu’à Mach 6. Dans l’impressionnante installation « Longshot », on soumet des micro-maquettes de cônes de rentrée jusqu’à la vitesse de Mach 14 pendant quelques millisecondes. Ce sont des milliers de mesures qui sont prises sur 64 canaux différents et qu’il faut analyser. On y a procédé à des essais pour définir, entre autres, la forme que devait avoir la navette européenne Hermès.

Dr Mario Carbonaro présente une micro-structure à tester dans le Plasmatron

L’instrument dont M. Carbonaro est le plus fier - ce fut son dernier travail comme chef du département technique du VKI - est le Plasmatron de 1.200 kW. Cette soufflerie à plasma a été réalisée entre 1995 et 1998 avec un financement conjoint de la Politique scientifique fédérale (3/4) et de l’ESA (1/4). « Cette soufflerie à plasma est la plus puissante de ce type dans le monde et elle a pu établir des records d’échauffement de boucliers thermiques et de capsules de rentrée », précise le directeur du VKI.

« Elle est équipée d’une torche électrique qui, dans un caisson sous vide, produit un jet de plasma de 10.000 degrés K, sur une longueur d’1 m. Les flux de chaleur peuvent atteindre 2.900 kW/m² et porter jusqu’à 800 degrés et pendant une minute, l’échauffement sur l’élément miniaturisé à tester. » Le Plasmatron est employé 3 à 4 fois par jour pour mettre à l’épreuve des concepts et matériaux de protection thermique. Le design de la sonde européenne Huygens, qui a affronté avec succès, en janvier 2005, l’atmosphère dense de Titan autour de Saturne, a été élaboré sur base d’essais dans le Plasmatron.

Au cours de la cérémonie académique qui a marqué le jubilé du VKI, Jean-Jacques Dordain, directeur-général de l’ESA (Agence Spatiale Européenne), a souligné trente années de coopération avec le VKI dans le cadre des programmes Ariane, Hermès et Huygens et pour la technologie des systèmes de rentrée : « Ce centre de compétences, unique en Europe, est un outil de travail pour la mise au point, à l’ESA, de technologies avancées. » Et de rappeler le rôle de la Belgique comme acteur primordial de l’Europe spatiale.

L’art à l’heure du high-tech: Panaramenko au VKI

Le Von Karman Institute participe à trois expériences sur le cône de rentrée Kheops, dans le cadre du programme EXPERT (European Experimental Reentry Testbed) de l’ESA. Grâce à un missile russe Volna qui sera tiré d’un sous-marin dans la Mer de Barents, il s’agira de tester en hypersonique, lors d’un vol suborbital, une capsule d’une masse de 250 kg.

A l’occasion de ses 50 ans, le VKI a reçu la visite du Roi Albert II le 17 octobre et accueilli la famille de ses « anciens » (alumni) ainsi que le grand public. Il a fait se rencontrer l’art et la technologie, du 8 septembre au 25 octobre. L’artiste et ingénieur belge Panamarenko, visionnaire de ce qui est en mouvement (et donc lié à la dynamique des fluides), a installé devant l’établissement son œuvre monumentale « Scotch Gambit » (16 m de long, 6 m de haut). Il s’agit d’une surprenante présentation d’un vaisseau, d’allure extra-terrestre, qui est prêt à emmener des passagers dans les airs et qu’on pense extrait d’une bande dessinée de science-fiction… De quoi, par le biais d’une vision artistique, inspirer les concepteurs des véhicules spatiaux de demain.

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