Spectroscopic measurements of sub-and supersonic plasma flows for the investigation of atmospheric re-entry shock layer radiation

Caractérisation d'écoulements plasma sub- et supersoniques par spectroscopie d'émission : application au rayonnement de rentrée terrestre

• Auteur / Autrice : Damien Le Quang Huy
• Direction : Pascal André
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Plasmas
• Date : Soutenance le 06/06/2014
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Arc électrique et plasmas thermiques (Clermont-Ferrand) - (LAEPT) Laboratoire arc électrique et plasmas thermiques
• Jury : Président / Présidente : Lionel Marraffa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal André, Ajmal Khan Mohamed, Pascal Boubert, Olivier Chazot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dunpin Hong, Abdel Aziz Chikhaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique supersonique

Spectroscopie d'émission

Plasmas hors d'équilibre

Mots clés libres

Plasma hors équilibre

Source plasma

Spectroscopie d'émission

Écoulement supersonique

Non-equilibrium plasma

Plasma wind tunnel

Emission spectroscopy

Supersonic flow

Résumé

Lors des rentrées atmosphériques, les processus thermochimiques hors équilibre dans la couche de choc limitent la fiabilité des prédictions aérothermiques. Afin d'améliorer l'exactitude de ces prévisions, des modèles cinétiques sont actuellement développés. Ces modèles sont expérimentalement évalués à l'aide d'expériences dans lesquelles un départ à l'équilibre thermodynamique est caractérisé. Pour cette raison, le présent travail est consacré à la caractérisation du déséquilibre thermodynamique au sein d'écoulements réactifs à haute enthalpie. La plupart des études expérimentales dédiées à la validation de modèles cinétiques à haute température emploient des installations communément appelées tubes à choc. Nous évaluons ici la possibilité de générer un départ significatif à l'équilibre thermodynamique dans des écoulements plasma stationnaires, incluant des jets supersoniques dans lesquels le déséquilibre vibrationnel est fortement attendu. Des diagnostics spectroscopiques appropriés ont été appliqués, permettant de futures comparaisons avec des descriptions microscopiques issue de modèles théoriques.

During planetary atmospheric entries, thermochemical non-equilibrium processes in the shock layer limit the reliability of aerothermal environment prediction. To improve prediction accuracy, non-equilibrium kinetic models are being developed. These models are experimentally assessed through the comparison with well characterized non-equilibrium experiments. For this purpose, the present work is dedicated to the thermodynamic characterization of non-equilibrium in high enthalpy reactive flows. Conversely to common studies that employ short duration facilities to investigate shock layer kinetics, we will assess the possibility of producing significant departure from equilibrium using radio-frequency and microwave stationary plasma flows, including supersonic plasma flows where vibrational non-equilibrium is strongly expected. Suitable spectroscopic diagnostics have been applied allowing future comparisons to be made between the microscopic description of the experiments and theoretical non-equilibrium models.