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ANR ASTRID
SUrvivabilité des STructures Aéronefs Impactées par des chocs à éNErgie Dirigée 21

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D 6 juillet 2022    

SUrvivabilité des STructures Aéronefs Impactées par des chocs à éNErgie Dirigée


Cette page décrit le résumé des travaux engagés le 1er Janvier 2022 dans le cadre du pojet ANR ASTRID SUSTAINED21.

Le projet :
Acronyme et nom complet du projet : SUSTAINED21
SUrvivabilité des STructures Aéronefs Impactées par des chocs à éNErgie Dirigée

Principaux bailleur(s) / financeur(s) :
ANR, AID, ISAE-SUPAERO, ENSTA Bretagne, NUCLETUDES.

Identifiant de l’appel à projet :
Edition : 2021
Projet : SUSTAINED21
Partenaire : ANR-21-ASTR-0004-01, Institut Clément Ader

Thématique de l’appel : ASTRID

Référence de la convention : ANR-21-ASTR-0004-01

Date de début du projet : 2022-01-01
Date de fin du projet : 2024-12-31

Nom de l’institution coordinatrice du projet : Institut Clément Ader (ICA) représenté par l’ISAE-SUPAERO

Résumé en Français :
Les aéronefs et systèmes volants actuels (drones p.e.) civils et militaires sont conçus à partir de structures minces et légères multi matériaux, assemblés par boulonnage, collage ou fabrication rapportée. Par leur constitution, ces structures présentent une vulnérabilité aux phénomènes d’explosion qui se produisent en surface lors d’une agression naturelle type foudre, ou intentionnelle type Armes à Energie Dirigée (AED) telles que les lasers. Ces agressions, gouvernées par des mécanismes multiphysiques dans l’environnement proche de la surface impactée (thermique, mécanique, électrique, EM), génèrent des dommages superficiels ou à cœur (écaillage, perforation). Les performances résiduelles des structures s’en trouvent fortement diminuées et les organes internes (réservoirs, équipements) sont exposés.
Il apparaît nécessaire de protéger ces systèmes pour limiter leur vulnérabilité. Les objectifs du projet SUSTAINED21 sont en adéquation avec les besoins civils et militaires dont les systèmes sont susceptibles à ces différents types d’agression, afin d’envisager des solutions industrielles à forte valeur ajoutée pour augmenter leur survivabilité. Les défis relevant de ces applications sont de disposer d’une méthode de dimensionnement des protections des structures en rupture avec les pratiques industrielles actuelles, et contribuer à la supériorité opérationnelle des forces armées.
Le premier objectif de cette étude consiste à construire une base de données expérimentale et une cartographie des dommages induits par trois moyens différents de dépôt d’énergie : le moyen foudre (qui constitue l’essai de référence), le laser impulsionnel et le canon à électrons. L’exploitation de cette cartographie de dommages permettra d’évaluer les analogies entre les dommages produits par les deux moyens alternatifs vis-à-vis de l’essai de référence « foudre », dont les résultats sont déjà disponibles sur les composites CFRP, et de s’assurer de leur représentativité notamment vis-à-vis de l’environnement électromagnétique. Par extension, cette base de données peut servir pour comparer avec les dommages d’impacts à très hautes vitesses.
Le second objectif consiste à simuler numériquement le comportement des matériaux d’intérêt agressés de manière à évaluer la capacité de prédiction des dommages engendrés et à identifier les limites des modèles actuels notamment en ce qui concerne les modalités d’application de chargements multiphysiques. L’atteinte de cet objectif s’appuiera sur l’adaptation de modèles existants, et sur la confrontation avec la cartographie de la base de données.
Le troisième objectif consiste à établir une méthodologie d’emploi des briques technologiques développées aux objectifs 1 et 2. L’influence des couches de protection sera explorée ici afin d’aider, à terme, l’émergence d’un outil de dimensionnement des protections. Cette démarche prédictive sera transposable au domaine militaire pour le dimensionnement des futures armes à énergie dirigée en fonction des couches de protection à traverser.
Cette démarche satisfera les enjeux des industriels de diminuer le coût des études de développement, seules les protections les plus robustes faisant l’objet d’une certification/qualification sur le moyen ‘foudre’ de référence.
Le projet s’appuie sur un partenariat entre un porteur du projet académique ayant travaillé sur la modélisation des dommages causés par la foudre, un partenaire académique spécialisé dans la mise en œuvre d’un dispositif expérimental de choc laser, un partenaire industriel expert dans la spécification de solutions de protection, un sous-traitant industriel du secteur des PMEs ayant un savoir-faire dans la mise en œuvre et l’analyse des chocs laser. Les travaux s’inscrivent dans la continuité des collaborations et des partenariats scientifiques avec la DGA-Ta qui pourra intervenir en tant qu’expert foudre, et Airbus Operations. Etant intéressé par ce domaine, DGA-EM SG pourra ponctuellement apporter son soutien.

Résumé en Anglais :
Current civilian and military aircraft and flying systems (e.g. UAVs) are designed from thin, lightweight, multi-material structures assembled by bolting, gluing, or built-on fabrication. Due to their constitution, these structures are vulnerable to explosion phenomena that occur on their surface during natural aggression such as lightning, or intentional aggression such as Directed Energy Weapons (DEA) or lasers. These aggressions are governed by multi-physical mechanisms in the environment close to the impacted surface (thermal, mechanical, electrical, EM). They generate superficial (top plies cracks, skeins of stripped fibers) or core damage (spalling, perforation). The residual performances of the structures are significantly diminished and the internal equipment (tanks, embedded systems) is exposed.
It is necessary to protect these systems to limit their vulnerability. The objectives of the project SUSTAINED21 are in line with the civilian and military needs whose systems are susceptible to these different types of aggression, in order to envisage industrial solutions with high added value that will increase their survivability. The challenges arising from these applications are to have available a method for dimensioning the protection of structures that breaks with the current industrial practices , and contribute to the operational superiority of forces.
The first objective of this study is to build an experimental database and a mapping of the damage induced by three different means of energy deposition : the lightning mean (which constitutes the reference test), the pulsed laser, and the electron gun. The use of this damage mapping will make it possible to assess the similarities between the damage produced by the two alternative means with respect to the "lightning" reference test, the results of which are already available on CFRP composites. It will also ensure that they are representative, particularly with respect to the electromagnetic environment. By extension, this database can be used to compare damage from impacts at very high speeds.
The second objective consists in numerically simulating the behavior of the materials of interest under attack in order to evaluate the capability to predict the damage caused and to identify the limits of current models, particularly with regard to the application of a multi-physical loading. The achievement of this objective will be based on the adaptation of existing models and on the comparison with the mapping of the database.
The third objective is to establish a methodology for using the technological bricks developed in objectives 1 and 2. The influence of the protective layers will be explored here in order to help, in the long term, the emergence of a tool for dimensioning protections. This predictive approach will be transposable to the military field for the dimensioning of future directed-energy weapons according to the layers of protection to be penetrated.
This approach will satisfy the challenges for the industry to reduce the costs of development studies, the most robust protections being the only ones subjected to certification/qualification lighting tests, the lightning generator being used as the final reference mean.
The project is based on a partnership between an academic project leader who has worked on the modeling of damage caused by lightning, an academic partner specialized in the implementation of an experimental laser shock device, and an industrial partner expert in specifying protection layers. The proposed work involves a subcontractor in the SME sector with know-how in the implementation and analysis of laser shocks and will be supported by DGA-Ta as the expert in lightning tests certification. The work is part of the continuity of collaborations and scientific partnerships with the DGA-Ta in Toulouse and Airbus Operation. Being interested in this field, DGA Missiles Testing SG will be able to offer its support.

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