Entrées atmosphériques

Introduction


Dans la vie d’un projet d’exploration planétaire qui s’étale sur une vingtaine d’années en moyenne, le temps consacré à l’acquisition des données scientifiques ne représente souvent que quelques semaines ou quelques mois. Avant de pouvoir être opérationnelle sur le sol ou dans l’atmosphère d’une autre planète, une sonde spatiale a dû subir de nombreuses épreuves depuis les vibrations du lancement dans la coiffe de la fusée jusqu’aux incertitudes liées au site d’atterrissage en passant par l’exposition au vent solaire. Il est cependant un moment plus critique que les autres lors d’une mission de ce type. Un moment qui ne dure pourtant que quelques minutes : il s’agit de l’entrée atmosphérique. L’engin spatial aborde les hautes couches de l&# 8217; atmosphère planétaire, en chute libre, avec une vitesse hypersonique.


Les conditions aérodynamiques sont telles qu’une onde de choc est créée devant le nez de l’engin. La pression derrière ce front de choc est jusqu’à mille fois la pression de l’atmosphère environnante et la température peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de kelvins. Dans cette ambiance, la paroi du véhicule est soumise à des densités de flux de plusieurs mégawatts par mètre carré. Cette paroi, en fait un bouclier de protection thermique, se doit de résister jusqu’à ce que, conséquence des forces de traînée, l’atmosphère se densifiant lors de la descente, l’engin soit suffisamment ralenti. La clef de la réussite de la mission tient dans le bon dimensionnement du bouclier thermique. Une fois le flux incident devenu assez faible, les parachutes de descente peuvent être ouverts en vue de l’atterrissage. Ces conditions de très haute enthalpie, tout engin spatial pénétrant une atmosphère planétaire les subit plus ou moins rudement en fonction de sa vitesse initiale, de sa masse et de la composition de l’atmosphère abordée. Les sondes Viking et Pathfinder les ont subis pour explorer Mars et son atmosphère de dioxyde de carbone et d’azote, comme le fera Exomars dans quelques temps. La sonde atmosphérique de Galileo a enduré les conditions les plus extrêmes au contact de l’hydrogène et de l’hélium de Jupiter avant de sombrer dans les couches denses de la planète. Enfin, les vaisseaux Apollo de retour de la Lune, les nombreux vaisseaux Soyouz et les navettes spatiales ont permis, malgré les flux rencontrés, de ramener des hommes de l’espace vers la Terre. L’étude des matériaux composant le bouclier thermique et de la structure de celui-ci est bien évidemment fondamentale. Une défaillance du bouclier de la navette spatiale Columbia en 2003 conduit à sa désintégration. La connaissance des conditions aérothermodynamiques régnant entre l’onde de choc et la paroi du véhicule est tout aussi importante afin de pouvoir anticiper les flux incidents. Une telle connaissance permettra d’optimiser la masse du bouclier de protection thermique et autorisera ainsi à des véhicules plus lourds et plus rapides de pénétrer les atmosphères planétaires avec succès.


L’étude du plasma en contact avec le bouclier thermique d’une sonde spatiale et son interaction avec le matériau constituant ce bouclier fait appel à un grand nombre de disciplines scientifiques. Citons-en quelques unes des plus évidentes : thermodynamique hors d’équilibre et physique statistique, cinétique chimique, physique des matériaux, physique des plasmas, rayonnement thermique et non thermique, mécanique des fluides compressibles. Cette multidisciplinarité justifie la formation d’une communauté de chercheurs travaillant ensemble sur les différents aspects de cette question. L’étude in situ de tels milieux étant difficiles, leur reproduction expérimentale sur Terre et le diagnostic des écoulements recréés fait encore appel à de nouvelles disciplines comme l’optique et la physique des interactions laser-matière. La complexité propre aux phénomènes survenant dans une couche de choc et l’interaction physique entre ces phénomènes amènent le modélisateur à faire des choix dans sa reconstruction des processus physico-chimiques. Dans ses choix, il est confronté à des données physiques mal ou non déterminées expérimentalement et il doit faire appel à la physique atomique et moléculaire pour les calculer ab initio. Enfin, la géométrie des engins n’étant évidemment pas neutre, les problèmes posés sont spatialement au moins à deux dimensions et souvent à trois dimensions. La simulation numérique doit alors impérativement se tourner vers les mathématiques appliquées pour résoudre les équations de l’écoulement et cartographier efficacement les gradients de la couche de choc.



L’étude du plasma en contact avec le bouclier thermique d’une sonde spatiale et son interaction avec le matériau constituant ce bouclier fait appel à un grand nombre de disciplines scientifiques. Citons-en quelques unes des plus évidentes : thermodynamique hors d’équilibre et physique statistique, cinétique chimique, physique des matériaux, physique des plasmas, rayonnement thermique et non thermique, mécanique des fluides compressibles. Cette multidisciplinarité justifie la formation d’une communauté de chercheurs travaillant ensemble sur les différents aspects de cette question. L’étude in situ de tels milieux étant difficiles, leur reproduction expérimentale sur Terre et le diagnostic des écoulements recréés fait encore appel à de nouvelles disciplines comme l’optique et la physique des interactions laser-matière. La complexité propre aux phénomènes survenant dans une couche de choc et l’interaction physique entre ces phénomènes amènent le modélisateur à faire des choix dans sa reconstruction des processus physico-chimiques. Dans ses choix, il est confronté à des données physiques mal ou non déterminées expérimentalement et il doit faire appel à la physique atomique et moléculaire pour les calculer ab initio. Enfin, la géométrie des engins n’étant évidemment pas neutre, les problèmes posés sont spatialement au moins à deux dimensions et souvent à trois dimensions. La simulation numérique doit alors impérativement se tourner vers les mathématiques appliquées pour résoudre les équations de l’écoulement et cartographier efficacement les gradients de la couche de choc.


– Au niveau expérimental, où il faut savoir accepter de ne reproduire qu’une partie des phénomènes.
– Au niveau théorique, où la réalisation de modèles réduits est incontournable.
– Au niveau numérique, où une classification des phénomènes est nécessaire a priori pour laisser de côté les plus minoritaires.


Les problèmes d’entrée atmosphérique relèvent d’une physique des hautes températures, des fortes excitations et du non-équilibre. La complexité tient principalement au problème de déséquilibre thermochimique qui est dû aux vitesses très élevées. En effet, le temps caractéristique de l’écoulement devient très faible et comparable aux temps caractéristiques des phénomènes physico-chimiques. C’est un domaine qui emprunte peu à celui de la combustion, où les températures sont bien plus faibles et les déséquilibres thermiques quasiment inexistants, à celui des plasmas froids où le rôle des électrons est bien plus important et à celui des plasmas de fusions où les espèces sont très fortement ionis& eacute;s. Les plasmas nous intéressant ici sont intermédiaires, composés d’un mélange de nombreuses particules : molécules, radicaux, atomes, ions et électrons en quantités comparables. De même, aucun phénomène majeur ne pilote le comportement du plasma dont l’état thermodynamique est le résultat de nombreux échanges énergétiques et chimiques dont les temps caractéristiques ont des ordres de grandeur comparables.


Travaux au laboratoire


– la reproduction expérimentale des plasmas d'entrée en interaction avec les matériaux de protection thermique et l'analyse fine de la couche limite d'interaction.
– la modélisation de la cinétique chimique fortement hors d'équilibre des plasmas entre le front de choc et la paroi de l'engin par la prise en compte des phénomènes collisionnels et radiatifs état d'énergie par état d'énergie.


Du point de vue expérimental, le groupe dispose d'une soufflerie IPWT1 haute enthalpie (20 MJ/kg) fonctionnant à des pressions intermédiaires (1-10 kPa). La production du plasma est assurée de manière inductive par le passage d'un courant haute-fréquence dans un solénoïde entourant la zone de création.




Vue générale de la soufflerie IPWT 1
Vue générale de la soufflerie IPWT 1

plasma air plasma CO2
Zone de création du plasma : air (gauche) et CO2 (droite)

La soufflerie fonctionne parfaitement et sans aucune pollution avec tout type de gaz et en particulier ceux composant les atmosphères planétaires : N2, O2, air, CO2, CO2-N2, Ar. Outre l'étude du jet libre qui présente un intérêt pour la validation des modèles, la mise en interaction des plasmas créés avec un échantillon de matériau permet d'étudier expérimentalement en laboratoire ce qui se passe réellement durant une entrée atmosphérique. Une attention toute particulière est portée aux phénomènes hors d'équilibre thermochimique se produisant sur la paroi et dans la couche limite.


plasma CO2 plasma objet
Jet libre d'un plasma de CO2 (gauche) et interaction entre un plasma d'air et un objet en SiC (droite)

Pour ce faire, il est nécessaire de caractériser avec une bonne résolution spatiale le plasma dans la couche limite d'interaction. Les techniques de diagnostics optiques sont privilégiées telles que la spectroscopie optique d'émission, la fluorescence induite par laser et la diffusion Raman spontanée. Elles permettent d'accéder aux concentrations des espèces chimiques du plasma sur leurs différents états d'énergie et aux températures du plasma, c'est-à-dire à la répartition de l'énergie dans les différents états. Des techniques intrusives de sondages permettent par ailleurs d'obtenir des informations plus globales sur le plasma.


L'ensemble de ces mesures doivent permettre de valider l'approche théorique qui est faite par ailleurs. Les modèles mis au point au laboratoire incluent des paramètres et des espèces inaccessibles à la mesure ; il s'agit donc d'une démarche exhaustive visant à décrire finement chaque processus. Pour des applications sur des situations complexes (calculs aérodynamiques et transferts radiatifs multidimensionnels), ces modèles peuvent cependant être simplifiés pour ne garder des les phénomènes significatifs et ainsi réduire les temps de calcul.



schéma sur la dynamique des états d'énergie des éspèces dun plasma
Dynamique des états d'énergie des espèces d'un plasma d'air à la sortie d'une torche. La température d'équilibre et de 6000 K. Les symboles représentent des résultats d'expériences menées au laboratoire LAPLACE.


Pour réaliser ces modèles (existant actuellement pour l'argon, l'air et l'atmosphère martienne) des données fondamentales concernant les atomes et molécules et leurs différents états d'énergie sont nécessaires. Par exemple, les sections efficaces d'interaction entre particules (en fonction du type d'interaction) sont recalculées théoriquement au laboratoire ou obtenues suite à des coopérations avec d'autres équipes.



Ce site a entièrement été élaboré par des étudiants de l'IUT de Rouen (76) en Services et Réseaux de Communication.
L'équipe plasma du laboratoire CORIA souhaite remercier :
- Marie Godard pour les vidéos et photos qui alimentent le site,
- Lénaïc Moroni pour la création du site web et
- Thomas Richard pour l'inclusion du web-docu.
Nous remercions également les encadrants :
- Gregory Chaudemanche pour avoir supervisé ce projet et
- Olivier Gautier pour son implication lors des tournages.


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