Etude des mécanismes physiques induits pas un actionneur plasma appliqué au contrôle d’écoulements raréfiés super/hypersoniques dans le cadre de rentrées atmosphériques

Study of physical mechanisms induced by a plasma actuator for super/hypersonic rarefied flows applied to atmospheric entries

• Auteur / Autrice : Sandra Coumar
• Direction : Viviana Lago
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2017
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Charles de Izarra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Viviana Lago, Charles de Izarra, Konstantinos Kontis, Patrick Gnemmi, Jean-Pierre Boeuf, Marielle Varenne-Pellegrini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Konstantinos Kontis, Patrick Gnemmi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique supersonique

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Sciences spatiales

Mots clés libres

Gaz et Plasmas

Ingénierie spatiale

Décharge luminescente

(R)entrée atmosphérique

Hyper/supersonique

Aérodynamique

Décharge pulsée

Ecoulement raréfié

Déséquilibre thermique

Gas and Plasma Physics, Aerospace engineering

EDL technique, Glow discharge

Atmospheric (re-)entry

Hypersonic

Supersonic

Aerodynamics

Pulsed discharge

Rarefied flow

Thermal disequilibrium

Résumé

Ces dernières années, les missions spatiales bénéficient d'un regain d'intérêt. Cependant, lorsqu’arrive laphase d’entrée dans l’atmosphère, nous faisons encore face à d’importantes difficultés. Afin de répondre àce problème, une nouvelle technique est proposée : le contrôle par plasma pour augmenter la force detraînée sur le véhicule et ainsi, décroître sa vitesse. Dans cette thèse, un actionneur plasma est testé danstrois écoulements supersoniques (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) et un hypersonique (M20-0.062Pa), ces écoulements étant simulés par la soufflerie MARHy.L’actionneur plasma induit des modifications de l’écoulement autour du modèle étudié, comme unemodification de la géométrie de l’onde de choc et une augmentation de l’angle de choc. Afin de mieuxcomprendre les phénomènes gouvernant ces modifications, la pression Pitot, la température surfacique etvolumique, les données électroniques et des mesures spectroscopiques ont été analysées. Les résultatsmontrèrent que deux types d’effets interviennent : thermiques (surface et volume) et l’ionisation. De plus, il aété démontré que ces effets n’ont pas la même importance suivant les conditions d’écoulements.L’actionneur plasma lui-même a été modifié dans un but d’amélioration. En particulier, deux types degénérateurs ont été étudiés pour alimenter la cathode : DC et pulsé. Finalement, il est montré que pour unepuissance de décharge de 80 W, une augmentation de 13% de la traînée et donc, une diminution de plus de25% des flux de chaleur peuvent être attendus. Par conséquent, les actionneurs plasma semblent être descandidats idéaux pour les missions spatiales et les (r)entrées atmosphérique.

Space missions are arousing renewed interest in these recent years. However, when coming to the entryinto the atmosphere, major issues are still to be considered. To answer this problem, a new Entry DescentLanding technique is proposed: plasma actuation to increase the drag force over the vehicle body and thus,decrease its speed. In this thesis, a plasma actuator is tested in three supersonic rarefied flows (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) and a hypersonic one (M20-0.062Pa), all generated by the wind tunnelMARHy.The plasma actuator induces flow modifications over the studied model, such as a change in the shock waveshape and an increase in the shock wave angle. In order to better understand the phenomena governingthese modifications, Pitot pressure, surface and gas temperature, electron data and spectroscopicmeasurements were analyzed. The results shown that two types of effects are involved: thermal (bulk andsurface) and ionization. Moreover, it was demonstrated that these effects had not the same importancedepending on the flow conditions.The plasma actuator was also modified in order to improve it. In particular, two types of generators wereused to biase the cathode: DC and pulsed. Finally, it was shown that, for a discharge power of 80 W, a 13%increase in the drag force could be expected and thus, a decrease in the heat load over the model body ofmore than 25%. Therefore, plasma actuators seem to be promising applications for space missions andatmospheric entries.