Chemical composition and mass flow measurements in a supercritical reactive flow for hypersonic real-time application

In the framework of the hypersonic propulsion, ensured with fuel-cooled Supersonic Combustion Ramjet, it is necessary to provide adapted measurement methods for the cooling regulation as for the control of the engine thrust. The sensors should be robust because of the extreme in-flight conditions, of vehicle acceleration and vibration, of the fluid temperature (1500 K) and pressure (3.5 MPa) and of the multi-component supercritical mixture. Their response time should be lower than one second. Therefore, a large range of real time and on-line measurement methods has been tested and some of these methods among the most promising are presented in this paper. The aim is not to necessarily develop a new technology but to evaluate the feasibility and the adaptability of existing ones for our purpose, even if those are not especially dedicated for such extreme conditions. First, a numerical analysis is conducted and second, some of the techniques are experimentally tested. Two of them, the sonic throat and the Fourier Transform Infra Red spectroscopy (FTIR), appear to be particularly promising and allow only few percents of uncertainty. The first one gives information on the mass flow rate of a supercritical reactive mixture. The second one characterizes the chemical composition before injection in the combustion chamber, for mole fraction greater than 5–10%.

RésuméDans le cadre de la propulsion hypersonique, assuré par super-statoréacteur refroidi par le carburant, il est nécessaire d'apporter des méthodes de mesure adaptées pour la régulation du refroidissement et le contrôle de la poussée du moteur. Les capteurs doivent être robustes en raison des conditions de vols extrêmes, des accélérations et vibrations du véhicule, des températures (1500 K) et pressions (3.5 MPa), du mélange supercritique multi-espèces. Leur temps de réponse doit être inférieur à la seconde. Ainsi, une gamme étendue de méthodes de mesure temps réel et en ligne a été testée et certaines de ces méthodes, parmi les plus prometteuses, sont présentées dans ce papier. Le but n'est pas nécessairement de développer une nouvelle technique mais d'évaluer la faisabilité et l'adaptation de certaines existantes pour notre propos, même si celles-ci ne sont pas spécialement conçues pour cela. Une évaluation numérique est d'abord conduite puis certaines techniques sont testées expérimentalement. Deux d'entre elles, le col sonique et la spectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier (IRTF) apparaissent comme particulièrement intéressantes et devraient conduire à des incertitudes de quelques pourcents. La première permet d'évaluer le débit massique du fluide supercritique multi-espèces. La seconde caractérise la composition chimique avant injection dans la chambre de combustion, pour des fractions molaires supérieures à 5–10%.