Mesure par radiomètres ICOTOM et validation des flux radiométriques dans un plasma de CO2 pur simulant des conditions d'entrée de type EXOMARS

Measurements with ICOTOM radiometers and validation of radiative heat fluxes in a pure CO2 plasma simulating EXOMARS-type entry conditions

• Auteur / Autrice : Mickael Jacquot
• Direction : Arnaud Bultel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Bultel, Pascale Desgroux, Viviana Lago, Armelle Cessou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissociation (chimie)

Fluorescence induite par laser

Spectroscopie Raman

Mars (planète) -- Atmosphère

Plasmas cosmiques

Mots clés libres

Plasmas

Entrées atmosphériques martiennes

Spectroscopie Raman

Fluorescence induite par laser à deux photons

Dissociation CO/CO2

Plasmas

Martian atmospheric entries

Raman spectroscopy

Two-photon laser-induced fluorescence

CO/CO2 dissociation

Résumé

Lors de l’entrée dans l’atmosphère de Mars d’un objet à vitesse hypersonique, il se crée une onde de choc détachée en amont de l’objet ainsi qu’un plasma hors équilibre à enthalpie importante et à haute intensité radiative. Si de nombreuses études ont été menées sur la protection nécessaire à apporter à l’objet pour résister à ces conditions physico-chimiques, les phénomènes chimiques liés à la recombinaison du CO2 en arrière de l’objet sont moins bien maîtrisés ; les quantités prévues de rayonnement découlant de cette recombinaison disposent donc de larges marges d’erreur. C’est en particulier le cas dans l’infrarouge, et la raison pour laquelle le CNES a développé deux radiomètres destinés à la mesure de ces flux émis par CO et CO2 en vol martien. Il convient donc d’étalonner ces capteurs pour la mesure des flux radiatifs en vol et d’étudier cette recombinaison sur un jet libre de plasma de CO2 pur en laboratoire. L’étalonnage des radiomètres est fait devant une source de type corps noir ; concernant l’état du plasma de laboratoire issu d’une torche à plasma inductive, l’étude de la diffusion Raman spontanée induite par laser sur CO et de la fluorescence à deux photons induite par laser sur O permettent d’estimer les températures et densités des espèces respectivement soudées, et ainsi de jauger de l’état de recombinaison du plasma.

When an object is entering the atmosphere of Mars at hypersonic speeds, a detached shock layer is forming in front of the said object accompanied by a high-enthalpy non-equilibrium plasma with high radiative intensity. Several studies have already been conducted about the necessary protective layer for the object to withstand such physico-chemical conditions, however the chemical phenomena concerning CO2 recombination around the back of the object are not too well known ; the radiative quantities coming from this recombination are often given with large error margins because of this. It is particularly the case in the infrared, that is why the French Space Agency developed two radiometers designed for mesuring radiative heat fluxes emitted by CO and CO2 during a martian flight. It seems relevant to calibrate these sensors for quantitative measurements of radiative heat fluxes in flight conditions and to study the recombination of a pure CO2 plasma in laboratory conditions. The radiometers have been calibrated in front of a blackbody source ; concerning the state of the laboratory plasma created by an inductive plasma torch, a study of the laser-induced spontaneous Raman scattering on CO and of two-photon absorption laser-induced fluorescence on O have been conducted, enabling evaluation of both temperatures and densities of the probed species, and so give an estimate on the plasma recombination state.