Exploiter la physique des écoulements tridimensionnels pour le contrôle actif de la poussée des tuyères aerospike

Les futurs systèmes de propulsion spatiale nécessitent des tuyères capables de conserver une bonne efficacité sur une large plage de conditions de fonctionnement, tout en permettant un contrôle vectorielle fiable de la poussée, notamment dans le cas des lanceurs réutilisables. Les tuyères conventionnelles convergentes-divergentes sont conçues autour d'une condition de détende nominale et peuvent donc subir des effets hors-adaptation importants lorsque la pression ambiante varie. Les tuyères aerospike constituent une alternative intéressante, car la détente externe autour du spike permet de s'adapter à la pression environnante en minimisant les pertes. Leur géométrie annulaire ouvre également la voie à des concepts originaux de contrôle vectorielle de la poussée, sans nécessiter la rotation de l'ensemble de la tuyère. L'écoulement généré par une tuyère aerospike est particulièrement complexe. Il met en jeu un jet supersonique annulaire, de fortes couches de cisaillement, des ondes de choc et des détentes autour du spike, ainsi qu'un sillage se développant en aval de celui-ci. Ces structures interagissent sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles et influencent directement la poussée, les pertes, les efforts latéraux et les émissions acoustiques. Par ailleurs, l'élément structurel central et mince, le spike, est soumis à des charges thermiques sévères et à des points chauds localisés. Ces contraintes thermiques restent un défi majeur pour la mise en œuvre pratique de ces tuyères et pourraient en partie expliquer pourquoi ces géométries ne sont pas encore plus largement adoptées. Contrairement aux tuyères conventionnelles, qui reposent sur une déflexion mécanique de la tuyère pour assurer le contrôle vectoriel de la poussée, une tuyère aerospike pourrait générer une poussée latérale par l'introduction d'une asymétrie azimutale contrôlée des flux de pression et de quantité de mouvement. Cette approche offre une solution particulièrement intéressante pour le contrôle vectoriel de la poussée, mais sa faisabilité et ses performances restent à étudier. Au cours des dernières années, l'ISAE-SUPAERO a développé une expertise importante dans la simulation haute fidélité des écoulements compressibles, et plus particulièrement des écoulements supersoniques [Deleu et al., 2024, Bergier et al., 2026]. Des travaux récents utilisant le code de résolution massivement parallèle développé en interne, IC3, ont démontré la capacité de la simulation aux grandes échelles (LES) à reproduire la dynamique instationnaire d'une tuyère sur-détendue [Pingault et al., 2026]. Les simulations ont reproduit le champ d'écoulement moyen expérimental et correctement capturé le premier mode azimutal, associé aux efforts latéraux indésirables exercés sur la tuyère. Des travaux récents menés au KTH ont permis d'établir une compréhension numérique détaillée des jets issus de tuyères aerospike supersoniques. Des simulations aux grandes échelles (LES) ont été utilisées pour étudier une géométrie aerospike tridimensionnelle axisymétrique, notamment les effets de la température et de la rotation de l'écoulement sur la structure du jet, le transport de la vorticité et les sources acoustiques [Golliard and Mihaescu, 2025a, 2026]. La thèse proposée s'appuie sur ces compétences complémentaires : l'ISAE-SUPAERO apporte son expertise en LES haute fidélité des jets de tuyères compressibles ainsi que le solveur IC3, tandis que le KTH apporte une expertise spécifique sur les écoulements dans les tuyères aerospike et sur leur dynamique tridimensionnelle aéro-thermo-fluidique. L'objectif est de mettre à profit cette complémentarité pour concevoir une nouvelle tuyère aerospike et étudier des concepts de contrôle de l'écoulement permettant d'orienter sa poussée. L'objectif central de la thèse est de développer un cadre numérique et physique pour la conception, la modélisation et le contrôle de l'écoulement d'une tuyère aerospike. École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Direction : Romain GOJON Financement : MSCA COFUND BEST