Etude expérimentale du rayonnement d'un plasma hyperenthalpique de dioxyde de carbone et de l'interaction plasma-surface

• Auteur / Autrice : Noémie Brémare
• Direction : Arnaud Bultel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Energétique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de carbone

Oxydation

Carbure de silicium

Spectroscopie d'émission

Mars (planète)

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Plasmas (gaz ionisés)

Résumé

L’entrée hypersonique d’un engin dans l’atmosphère de Mars entraine la création d’une onde de choc détachée de la paroi en amont de l’appareil. Cette couche de choc est le lieu de création d’un plasma hors équilibre à haute enthalpie composé d’espèces fortement radiatives (CO2, CO, C2, CN, O. . . ). Dans l’optique d’un futur vol habité vers la planète Mars, il est primordial d‘estimer le flux radiatif à la paroi afin d’avoir une protection thermique de l’appareil suffisante. L’objectif de cette thèse est la compréhension de la physico-chimie du plasma dans ces conditions thermodynamiques proches de la couche de choc en proche paroi lors d’une entrée martienne. Un des moyens de reproduire en laboratoire ces conditions extrêmes est la torche à plasma inductive. Deux configurations aérodynamiques sont étudiées : le plasma en situation de jet libre ainsi créé et son interaction avec un échantillon de SiC (matériau non ablatif). L’introduction d’une surface dans l’écoulement proche équilibre entraine la formation d’une couche limite thermique et chimique (liée aux réactions de paroi). La caractérisation de la physico-chimie du plasma est faite par spectroscopie d’émission. Le rôle des différentes espèces radiatives, CO, C2, C et O, est exposé et la température cinétique du plasma est estimée. L’étude du rayonnement montre le déséquilibre entre le mode de stockage de l’énergie des états excités des espèces radiatives avec la translation. Différents modes de production des états excités sont proposés et les voies privilégiées sont discutées. Des analyses de surface sont réalisées afin d’avoir des informations supplémentaires sur la physico-chimie du plasma. Ces analyses et les observations faites par spectroscopie d’émission permettent de conclure sur la présence de carbone à la paroi suite à une oxydation sélective du SiC. Un autre résultat majeur est la présence de bulles déjà observées dans la littérature et signataires de la transition entre les régimes d’oxydation passive et active.

The hypersonic entry of a vehicle into Mars atmosphere leads to the formation of a shock wave in front of the spacecraft wall. A non-equilibrium and high enthalpy plasma is created in the shock layer and strongly radiative species are present (CO2, CO, C2, CN, O. . . ). The radiative flux has to be estimated accurately in order to protect the vehicule during a future Mars human flight. The purpose of this work is to understand the physical chemistry of plasma thermodynamic conditions closed to the wall during a Mars entry. Those conditions are reproduced with an inductively coupled plasma torch. Two aerodynamic configurations are studied : the freestream and the interaction between the plasma jet and a SiC sample (non-ablative material). A thermal and a chemical boundary layers are identified. The characterization of radiative species is made by emission spectroscopy. The behaviour of CO, C2, C and O is exposed and the translation temperature is estimated. The study of radiation shows that equilibrium is not reached in the freestream between excitation modes of radiating states on the one hand and translation on the other hand. Production of excited states are exposed and discussed in details. Surface analysis and emission spectroscopy show carbon presence on the sample coming from SiC oxidation. Bubbles over the silica layer are observed and were already described in the literature. Due to those structures, the oxidation regime is found to be at the transition between passive and active.