Transferts radiatifs dans les plasmas de mélanges CO2-N2 : base de données spectroscopiques, étude expérimentale et application aux rentrées atmosphériques

Radiative transfers in CO2-N2 plasmas : spectroscopic databases, experimental study and atmospheric entry applications

• Auteur / Autrice : Yacine Babou
• Direction : Anouar Soufiani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Transferts radiatifs
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Transfert radiatif

Spectroscopie d'émission

Mots clés libres

Bases de données diatomiques

Méthode RKR

Plasmas hors d'équilibre

Rentrées atmosphériques

Rayonnement hors d'équilibre

Plasmas micro-ondes

Résumé

La détermination des transferts radiatifs trouve son intérêt dans de nombreuses applications industrielles et en particulier dans le secteur aérospatial. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit comporte trois volets distincts à la prédiction des transferts radiatifs dans les plasmas de mélanges CO2-N2 pour des applications de rentrées atmosphériques martiennes. Le premier volet est consacré au développement d’une base de données spectroscopiques haute résolution relatives au processus radiatifs participants au rayonnement des plasmas de mélanges de CO2-N2 entre 2000 K et 50000 K. Le travail est particulièrement focalisé sur les transitions lié-lié des molécules C2, CO, CO+ et CN pour lesquelles des données exhaustives restent encore disponibles. Le second volet est dédié à la mise en place et à l ‘exploitation d’un banc expérimental comprenant une source plasma à micro-ondes fonctionnant à pression atmosphérique. Un banc de diagnostics optiques par spectroscopie d’émission dans l’UV, le visible et le proche infrarouge est associé au banc expérimental. Les mesures des spectres d’émissions des plasmas de CO2 et de CO2(97%)-N2(3%), calibrées en absolu, ont été misent à profit en vue de vérifier l’hypothèse de l’ équilibre des modes vibrationnels et électroniques. La température obtenue pour les plasmas de CO2 et de CO2(97%)-N2(3%) est respectivement de 5400 K et 6500 K. Un modèle de propriétés radiatives compatible avec une description hors d’équilibre thermique et chimique du plasma est présenté dans le troisième volet. Une formulation appropriée à la description multi-température de l’état thermodynamique du plasma est en particulier adoptée. Ce modèle de rayonnement combiné aux bases de données spectroscopiques disponibles a été mis à profit pour prédire les transferts radiatifs lors de rentrées atmosphériques martienne et terrestre.

The prediction of radiative transfers is required in many applications such as the re-entry of space vehicles in the atmosphere. The present work is articulated around three large axes devoted to the study of the radiation emitted from CO2-N2 plasmas for Martian atmospheric entry applications. The first part is dedicated to the construction of spectroscopic databases useful for high resolution radiation prediction of CO2-N2 mixtures for temperatures ranging from 2000 K to 50000 K. The work was especially focused on the construction of exhaustive data related to bound-bound radiative transitions of CO2, CO, CO+ and CN molecules. The second part is dedicated to the presentation and the exploitation of an experimental bench including a microwave plasma torch working at atmospheric pressure. Optical diagnostic benches for emission spectroscopy in the UV, visible and near infrared are used. Measured spectra for CO2 and CO2(97%)-N2(3%) plasmas, were analysed in order to characterise the thermodynamic state. The plasma was found at the equilibrium and the temperature of the CO2 and CO2(97%)-N2(3%) plasmas was found to be at 5400 K and 6500 K respectively. In the third part, a radiative properties model is developed suitable for the prediction of radiative in the framework of multi-temperature description of the thermodynamic state of the atmospheric entry plasma. This approach is combined with the available spectroscopic databases in order to predict radiative transfer for Mars and Earth atmospheric entry.