Experimental and theoretical studies of lightning arcs and their interaction with aeronautical material

Aujourd’hui, l’étude des effets directs de la foudre sur les structures aéronautiques pourrait s’appuyer, au moins en partie, sur des outils de simulation. Néanmoins, le manque de données expérimentales sur la phase d’arc impulsionnelle ne permet pas de justifier le caractère prédictif des outils de simulation.L’objectif de cette thèse est de réaliser une base de données expérimentale en s’appuyant sur la caractérisation des arcs de foudre dans des situations standardisées. Ces données peuvent être utilisées à la fois pour la compréhension des phénomènes observés lors des essais, mais surtout comme référence comparable aux outils de simulation.Dans un premier temps, on s’intéresse à la colonne d'arc libre dans l’air, hors interaction avec les électrodes. Par ailleurs, les profils spatio-temporels de température et de pression sont évalués par spectroscopie d'émission. On montre ainsi que, pour un arc de 100 kA, la température maximale atteint 37400 K sur l'axe de la colonne à 2 μs après l’amorçage, avec une pression de l’ordre de 45 bars.Dans un second temps, on s’intéresse à l'interaction de l'arc foudre avec des matériaux aéronautiques. La dynamique du pied d'arc ainsi que les caractéristiques de l’onde de choc sont analysées sur différents matériaux aéronautiques tels que l’aluminium ou des composites à fibres de carbone. Les contraintes thermomécaniques subies par le matériau sont étudiées par thermographie infrarouge, et par des mesures de déflexion rapide au centre du matériau, conduisant à une évaluation de la pression exercée par l’arc au point d’impact.Nowadays, the study of the direct effects of lightning on aeronautical structures could be based, at least in part, on simulation tools. Nevertheless, the lack of experimental data on the transient phase of the lightning arc does not allow us to justify the predictive nature of the simulation tools. The objective of this thesis is to produce an experimental database based on the characterization of lightning arcs in standardized situations. These data can be used both for the understanding of the phenomena observed during the tests, but especially as a reference comparable to the simulation tools.First, we are interested in the free arc column in air, without interaction with the electrodes. Furthermore, time- and space-resolved profilesof temperature and pressure are evaluated by emission spectroscopy. For a 100 kA arc, it is shown that the temperature reaches 37400 K in the arc axis at 2 μs after arc ignition, with a corresponding pressure of 45 bar.Second, we are interested in the interaction of the lightning arc with aeronautical materials. The dynamics of the arc roots and the characteristics of the shock wave are analyzed for different aeronautical materials such as aluminum or carbon fiber composites. The thermo-mechanical constraints applied on the material are studied by infrared thermography and by rapid deflection measurements at the center of panel, leading to an evaluation of the pressure exercised by the arc at the attachment point