Étude de la recombinaison de l'oxygène atomique sur des céramiques à haute température : détermination expérimentale du coefficient de recombinaison en relation avec la microstructure - modélisation des mécanismes réactionnels

Study of the recombination of atomic oxygen on ceramics at high temperature : experimental evaluation of the recombination coefficient relative to the microstructure - modelling of the reaction mechanisms

• Auteur / Autrice : Larbi Bedra
• Direction : Marianne Balat-Pichelin, Mario Cacciatore
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Perpignan en cotutelle avec Università degli Studi di Bari Aldo Moro (Bari, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyse hétérogène

Dynamique moléculaire

Plasmas chauds

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Mots clés libres

Mécanisme Eley-Rideal

Mécanisme Langmuir-Hinshelwood

Résumé

La rentrée atmosphérique terrestre d'un engin spatial engendre des phénomènes physico-chimiques responsables d'un échauffement dangereux pour le revêtement thermique extérieur. Une partie non négligeable de cette élévation de température est due aux mécanismes de recombinaison hétérogène de l'oxygène atomique. L'objectif, en vue de la réalisation de futurs véhicules réutilisables, est de diminuer l'énergie due aux réactions chimiques hétérogènes transférée au bouclier thermique et ainsi de prolonger leur utilisation. L'objectif de cette thèse est de quantifier les influences de la pression, de la température et de la microstructure sur la catalycité des surfaces à haute température. La mesure expérimentale du coefficient de recombinaison de l'oxygène atomique a été réalisée sur surfaces céramiques. Le montage expérimental MESOX est original car il associe un générateur de plasma micro-ondes et un concentrateur solaire qui permet de porter les échantillons à très haute température. Les caractéristiques de la phase gazeuse, température et concentration de l'oxygène atomique, sont déterminées à partir de méthodes spectroscopiques d'émission optique. Au cours de ce travail, l'impact des impuretés, présentes dans le solide, est mis en évidence sur trois alumines de même structure cristalline (lpha) mais comportant des taux et des natures d'impuretés différents. Pour compléter l'étude expérimentale, une simulation par dynamique moléculaire a été également menée pour décrire la recombinaison hétérogène des atomes d'oxygène gaz sur du quartz à l'échelle atomique. Les très bons résultats obtenus par la méthode de simulation semi-classique ouvrent de grands espoirs.

The atmospheric re-entry of a space vehicle on earth leads to physico-chemical phenomena responsable of a dangerous heating of the external thermal protection. One non negligeable part of this temperature increase is due to the mechanisms of the heterogeneous recombination of atomic oxygen. The objective, to realize future reusable vehicles, is to dicrease the energy due to the heterogeneous chemical reactions transferred to the thermal shield and thus to increase their lifetime. The objective of this thesis is to quantify the influences of pressure, of temperature and of the microstructure on the catalycity of surfaces at high temperature. The experimental measurement of the recombination coefficient of atomic oxygen was realized on ceramic surfaces. The experimental set-up MESOX is unique as it associates a microwave plasma generator and a solar concentrator that allows to heat samples to very high temperatures. The characteristics of the gaseous phase, temperature and concentration of atomic oxygen, are determined using methods based on optical emission spectroscopy. During this work, the impact of impurities, present in the solid phase, is shown on three alumina materials with the same crystalline structure (lpha) but with different levels and nature of impurities. To complete the experimental study, a molecular dynamic simulation, was also performed to describe the heterogeneous recombination of the gaseous atomic oxygen on quartz at the atomic scale. The very good results obtained by the semi-classical simulation method open great hopes.