Tests de charges utiles et de capteurs dans l'écoulement : caméras, lidars et antennes sous charge

Une caméra qui produit une image nette sur un banc d'essai en laboratoire ne produira pas automatiquement une image nette une fois boulonnée sous un aéronef en vol. Il en va de même pour une antenne qui réussit son test de bilan de liaison sur un stand statique, ou pour une nacelle articulée qui maintient une ligne de visée stable dans une pièce exempte de vibrations. L'écoulement autour de la cellule n'est pas un environnement neutre : il dégrade précisément les performances pour lesquelles la charge utile a été acquise, et ce, d'une manière que les tests sur banc ne peuvent reproduire.

Les tests de charges utiles et de capteurs dans l'écoulement permettent de combler cette lacune avant qu'elle ne se traduise par des images floues ou une perte de liaison lors d'une mission réelle.

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1. Pourquoi le banc d'essai ne suffit pas

La qualification propre à un fabricant de charges utiles couvre généralement les performances électriques, la résolution optique et la durabilité mécanique de manière isolée. Ce qu'elle ne peut généralement pas couvrir, c'est ce qui se produit lorsque ce même matériel se trouve dans la couche limite turbulente d'un aéronef ou en aval du sillage d'un carénage, soumis au spectre de vibrations réellement produit par la cellule, et dans la plage de températures réellement rencontrée en mission. Il s'agit de conditions à l'échelle de la cellule, qui n'existent que lorsque la charge utile est montée sur le véhicule qui l'emportera — ou représentée dans celui-ci.

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2. Flou aéro-optique : la turbulence dégrade l'image, pas seulement la cellule

Pour toute caméra, lidar ou système laser observant à travers l'écoulement d'air environnant, l'aéro-optique est la physique de référence — un domaine d'étude remontant aux années 1950, lorsque les chercheurs ont quantifié pour la première fois la manière dont une couche limite turbulente déforme un faisceau lumineux qui la traverse. Le mécanisme est simple : la turbulence crée des variations locales de la densité de l'air, ces variations de densité modifient l'indice de réfraction local, et un front d'onde traversant ce champ d'indice variable en ressort aberrant plutôt que plat.

L'effet dépend de la longueur d'onde et s'avère plus critique pour les capteurs modernes que pour les systèmes autour desquels ce domaine s'est initialement construit. Pour un niveau fixe de distorsion du chemin optique, un système utilisant la lumière visible ou le proche infrarouge (la plage utilisée par la plupart des caméras et de nombreux lidars) perd beaucoup plus en qualité d'image qu'un système plus ancien à grande longueur d'onde soumis au même niveau de turbulence. Un niveau de distorsion qui affectait à peine les performances d'un laser de 10,6 μm peut faire chuter le rapport de Strehl (une mesure standard de la netteté de l'image, où 1,0 est la perfection) d'un système dans le proche infrarouge d'une valeur quasi parfaite à environ 0,67. C'est l'une des raisons pour lesquelles le profilage aérodynamique et la position de montage d'une nacelle de capteurs comptent tout autant que l'optique qu'elle contient.

Les essais en soufflerie des effets aéro-optiques sont une pratique établie depuis des décennies, menée dans des souffleries subsoniques et transsoniques ordinaires avec une instrumentation laser (la technique de la « sonde de Malley ») placée pour mesurer précisément ce type de dégradation d'image induite par la couche limite, avant même qu'un capteur ne prenne son envol.

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3. L'impact de l'écoulement sur le reste de la charge utile

• Vibrations. Une nacelle ou un support de caméra subit le spectre de vibrations réel de la cellule, et non le balayage idéalisé d'un pot vibrant en laboratoire. De plus, les systèmes de stabilisation des nacelles sont spécifiquement réglés pour rejeter les vibrations à des fréquences particulières, ce qui ne se manifeste correctement que sous l'excitation réelle de la cellule.
• Échauffement. L'électronique des capteurs à l'intérieur d'une nacelle ou d'un carénage génère sa propre chaleur, et l'écoulement d'air autour du boîtier détermine si cette chaleur est dissipée ou s'accumule — un problème qui change du tout au tout entre un banc statique et un environnement avec un flux d'air en mouvement.
• Givrage sur le capteur lui-même, pas seulement sur la cellule. Un hublot optique ou un radôme d'antenne qui givre cesse de fonctionner bien avant l'aile, et le schéma d'accrétion dépend de l'écoulement local autour de la forme spécifique de ce carénage.
• Forme du carénage et qualité du signal. Un radôme ou un dôme optique est un compromis entre la traînée aérodynamique et la transparence à ce qu'il protège. Une erreur aérodynamique dans la forme entraîne également une distorsion du chemin RF ou optique qui le traverse.

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4. Ce qu'une campagne d'essais de charge utile mesure réellement

• La qualité de l'image ou du front d'onde sur l'ensemble de la plage de vitesses et d'angles , en utilisant la même instrumentation aéro-optique développée pour les systèmes optiques aéroportés — et non une simple prise de vue de référence statique.
• Le spectre de vibrations au niveau du support du capteur sous l'excitation réelle de la cellule, comparé à la propre bande passante de rejet de la nacelle ou du système de stabilisation.
• Le bilan de liaison ou le débit optique à travers le carénage réel , et non à travers une ouverture nue — le boîtier fait partie du chemin optique ou RF du capteur, il ne s'agit pas d'un simple couvercle.
• Le comportement thermique de l'électronique embarquée sous un écoulement d'air représentatif, et non dans un air immobile.
• L'accrétion de givre sur la géométrie spécifique du carénage , lorsque cela est pertinent pour le domaine de vol opérationnel.

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5. Cinq erreurs que nous observons

• Qualifier le capteur et le carénage séparément. Un radôme ou un dôme optique conçu sans tenir compte du champ de vision et de la longueur d'onde réels du capteur peut réussir son propre test aérodynamique tout en ruinant les performances de la charge utile.
• Tester le rejet des vibrations sur un profil de pot vibrant générique. Une nacelle réglée sur un spectre de vibrations de laboratoire peut toujours être prise en défaut par les fréquences spécifiques produites par la cellule réelle.
• Considérer les tests optiques comme un problème exclusif au banc d'essai. Les valeurs de résolution et de FTM obtenues sur un banc de laboratoire ne disent rien de ce que fait cette même optique derrière une couche limite turbulente à la vitesse de vol.
• Dimensionner le boîtier pour le poids et la traînée, et non pour le chemin thermique. Une nacelle étroitement carénée qui semble aérodynamiquement propre peut piéger une chaleur pour laquelle l'électronique interne n'a jamais été conçue.
• Ignorer les tests de givrage sur les carénages de la charge utile parce que le cas de givrage de la cellule est couvert. Un radôme ou un hublot optique peut accumuler de la glace différemment de l'aile sur laquelle il est monté, et de manière suffisamment différente pour tomber en panne en premier.

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6. Ce que cela signifie pour votre programme d'intégration

Envoyez-nous votre ensemble de capteurs, la géométrie de votre carénage et votre domaine de vol opérationnel , et nous définirons une campagne d'essais qui mesurera ce que la charge utile fournit réellement dans l'écoulement — et pas seulement ce qu'elle fournit sur le banc. Lecture connexe :

Tests climatiques et de givrage pour drones

, où la forme d'un carénage a tout autant d'importance.

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Sources et notes

• L'aéro-optique en tant qu'étude des aberrations du front d'onde dues à un écoulement turbulent près d'une ouverture optique aéroportée, ses origines dans les travaux de Liepmann en 1952 sur la déviation de la lumière par la couche limite, et son développement grâce aux mesures en soufflerie par sonde de Malley à des vitesses subsoniques et transsoniques : Cress, J.A., Gordeyev, S., Post, M.L., Jumper, E.J., « Aero-Optical Measurements in a Turbulent, Subsonic Boundary Layer at Different Elevation Angles », AIAA 2008-4214, 39e conférence de l'AIAA sur la plasmadynamique et les lasers, 2008, testé dans les souffleries de l'Université de Notre Dame et de l'Académie de l'armée de l'air américaine.
• Dépendance de la dégradation de l'image à la longueur d'onde pour une distorsion fixe du chemin optique (exemple de rapport de Strehl : ~0,996 à 10,6 μm contre ~0,674 à ~1 μm pour le même niveau de distorsion) : même source, section Introduction, citant la formulation du rapport de Strehl dans Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966.
• Les recommandations méthodologiques d'essais (correspondance du spectre de vibrations, tests du chemin optique/RF intégré au carénage, givrage sur la géométrie spécifique à la charge utile) relèvent de la pratique d'ingénierie de TunnelTech.