Simulation du rayonnement de l'entrée atmosphérique sur les planètes gazeuses géantes

Radiation from Simulated Atmospheric Entry into the Gas Giants

• Auteur / Autrice : Christopher James
• Direction : Christophe Laux, Richard Morgan, David Gildfind, Timothy McIntyre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique
• Date : Soutenance le 20/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec University of Queensland
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Mário António Prazeres Lino Da Silva
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Laux, Richard Morgan, David Gildfind, Timothy McIntyre, Arnaud Bultel, Denis Packan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aaron Dufrene

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes externes -- Atmosphères

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Aérodynamique hypersonique

Mots clés libres

Hypersonique

Essais au sol

Tube à expansion

Tube à shoc

Entrée atmosphérique

Hypersonic

Experimental

Ground testing

Expansion tube

Shock tunnel

Planetary entry

Résumé

L’exploration des quatre planètes géantes gazeuses, Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus, est importante pour comprendre l’évolution de notre système solaire et plus généralement de l’univers. Les sondes entrant dans l’atmosphère des géantes gazeuses ont des vitesses de 20 à 50 km/s, largement supérieures aux vitesses d’entrée atmosphérique sur les autres planètes du système solaire. Il s’agit d’un problème complexe car les conditions d’entrées sont brutales et les vitesses associées dépassent largement les capacités des installations d’essai au sol actuelles. Cette thèse examine la possibilité de simuler expérimentalement les conditions d’entrées proposées pour Uranus et Saturne à 22.3 et 26.9 km/s avec un tube d’expansion à piston libre. D’abord, la possibilité de simuler les conditions directement en recréant la vitesse d’entrée réelle a été étudiée. Il a été trouvé qu’il était possible de simuler l’entrée d’Uranus mais seulement avec de grandes incertitudes. Pour cette raison, il a été proposé d’utiliser une substitution du gaz d’essai établie, dans lequel soit le pourcentage d’hélium dans l’atmosphère H2/He est augmenté, soit l’hélium est remplacé par du néon, un gaz noble plus lourd. Cela permet de simuler uniquement les conditions postchoc des entrées. Théoriquement, il a été constaté que ces substitutions permettaient de simuler l’entrée Uranus ou Saturne, ce qui a été confirmé expérimentalement à l’aide d’hélium. Notant l’intérêt actuel d’envoyer des sondes d’entrée atmosphérique vers ces deux planètes, cette étude a démontré que les capacités expérimentales requises sont disponibles pour la réalisation d’expériences simulées avec les modèles d’essais.

Exploration of the four gas giant planets, Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune, is important for understanding the evolution of both our solar system and the greater universe. Due to their size, flight into the gas giants involves atmospheric entry velocities between 20 and 50 km/s. This is a complex issue because the entry conditions are harsh but the related velocities are mostly beyond the capabilities of current ground testing facilities. As such, this thesis examines the possibility of experimentally simulating proposed Uranus and Saturn entries at 22.3 and 26.9 km/s in a free piston driven expansion tube, the most powerful type of impulse wind tunnel. Initially, the possibility of simulating the conditions directly by re-creating the true flight velocity was investigated. It was found to be possible to simulate the 22.3 km/s Uranus entry, but not without large uncertainties in the test condition. For this reason, it was proposed to use an established test gas substitition where the percentage of helium in the H2/He atmosphere is increased, or the helium is substituted for the heavier noble gas neon. This allows just the post-shock conditions of the entries to be simulated. Theoretically it was found that these substitutions allowed both Uranus or Saturn entry to be simulated, which was confirmed experimentally using helium. Noting the current interest in sending atmospheric entry probes to both of these planets, this study has demonstrated that the required experimental capabilities are available for performing simulated experiments using test models.