Rayonnement de plasmas hors-équilibre en recombinaison

Radiation of nonequilibrium recombining plasma flows

• Auteur / Autrice : Augustin Tibere-Inglesse
• Direction : Christophe Laux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 27/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Yvonne Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Laux, Marie-Yvonne Perrin, Brett Cruden, Richard Miles, Annarita Laricchiuta, Stefan Löhle, Brigitte Attal-Trétout, Richard Morgan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brett Cruden, Richard Miles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas, Théorie cinétique des

Mesure

Rayonnements

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Mots clés libres

Entrée atmosphérique

Plasmas d’air et d’azote

Plasmas de recombinaison

Spectroscopie d’émission

Spectroscopie Raman spontanée

Cinétique des plasmas

Atmospheric entry

Air and nitrogen plasmas

Recombining plasmas

Optical Emission Spectroscopy

Spontaneous Raman Spectroscopy

Plasma kinetics

Résumé

L’un des plus grands défis des missions prévues sur Mars est la phase d’entrée atmosphérique, lorsque le vaisseau spatial entre dans l’atmosphère de Mars à l’aller, ou de la Terre au retour. Les capsules spatiales entrent dans l’atmosphère à des vitesses hypersoniques ce qui comprime le gaz à l’avant de l’appareil et résulte en une augmentation de température jusqu’à la dissociation et l’ionisation du gaz. Ces phénomènes engendrent un rayonnement intense du gaz. Le flux radiatif arrivant sur la capsule est la principale source de chauffage de l’appareil mais de grandes incertitudes demeurent dans sa prédiction. En conséquence, le bouclier thermique est surdimensionné, augmentant la masse totale de l’appareil et diminuant sa charge utile. Ces incertitudes sont maximales sur l’arrière-corps de l’appareil où le plasma l’entourant est forcé de se recombiner hors équilibre. Cette thèse présente une caractérisation expérimentale de plasma hors équilibre d’air et d’azote en recombinaison, typique des plasmas d’arrière-corps. Les distributions de la population de l’azote atomique et moléculaire sont mesurées, ainsi que le rayonnement hors équilibre de ces espèces. Des comparaisons avec les prédictions de codes numériques sont données, et de larges différences sont observées, soulignant les limites des modèles de mécanique des fluides numériques. Ces données expérimentales ont pour but d’être utilisées dans la validation des modèles présents dans les codes d’entrée atmosphérique.

One of the main challenges for the upcoming Mars missions is the atmospheric entry phase when the spacecraft enters the Martian atmosphere or the Earth’s atmosphere upon return. The hypersonic velocity of the capsule entering the atmosphere leads to extreme gas heating and results in intense gas radiation. The radiative flux emitted by the plasma in front and around the capsule is the main source of heating, but its prediction suffers from large uncertainties, leading engineers to apply safety margin on the heat shield, thereby decreasing the useful payload of the capsule. These uncertainties are maximal in the afterbody region where the plasma is forced to recombine and can depart from equilibrium. This thesis presents an experimental characterization of recombining non-equilibrium air and nitrogen plasma flows to mimic the chemical kinetic dynamics encountered in the afterbody region. The population distributions of radiating atomic and molecular species of nitrogen are measured, along with the nonequilibrium radiation emitted by these species. Comparisons with predictions from numerical codes are made and large differences are observed even in simple test cases, thus highlighting the limits of current computational fluid dynamics models. These data are intended to serve as a basis to validate the models used in reentry codes.