Rentrée atmosphérique de débris spatiaux : simulations expérimentales en souffleries hypersonique raréfiée et supersonique haute enthalpie

Atmospheric re-entry of space debris : experimental simulations in rarefied hypersonic and high enthalpy supersonic wind tunnels

• Auteur / Autrice : Nicolas Rembaut
• Direction : Viviana Lago
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Julien Annaloro, Nicolas Mazellier, Ysolde Prévereaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Henri Maire, Ajmal Khan Mohamed

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérothermodynamique

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Aérodynamique supersonique

Essais en soufflerie aérodynamique

Débris spatiaux

Mots clés libres

Coefficient aérodynamique

Écoulement haute enthalpie

Soufflerie supersonique hypersonique

Régime raréfié

Aerodynamic coefficients

High enthalpy flows

Supersonic hypersonic wind tunnel

Rarefied regime

Résumé

L’objectif principal de ce travail de thèse est de caractériser les effets de la raréfaction sur le comportement aérodynamique des débris spatiaux lors de certaines phases critiques de leur rentrée atmosphérique. Ce travail de recherche met en avant deux géométries clés, la sphère et le cube, étudiées à l’aide de deux souffleries : une soufflerie hypersonique raréfiée pour la simulation de l’aérodynamique à haute altitude et une soufflerie supersonique haute enthalpie pour l’étude de la phase plasma. Différents diagnostics pluridisciplinaires ont été mis en œuvre, notamment la conception de balances aérodynamiques adaptées aux conditions d’écoulement, les techniques de visualisation par décharge luminescente accompagnées de méthodes d’analyse d’images permettant de caractériser en détail la structure des chocs. Cette étude, visant à établir une base de données expérimentales à Mach 4 et pour différents nombres de Knudsen, a permis de mettre au jour l’influence du degré de raréfaction sur les propriétés aérothermodynamiques des formes canoniques étudiées telles que : la forme des chocs, leur distance de détachement, leurs coefficients aérodynamiques. À haute enthalpie, les effets thermiques et ablatifs sur les forces aérodynamiques, en présence d’écoulement de plasma supersonique ont été étudiés. Cet ensemble de données expérimentales contribue à l’amélioration de la définition des fonctions de raccordement qui sont nécessaires aux codes de simulation pour prédire la trajectoire d’un objet entre les différents régimes d’écoulement traversés lors d’une rentrée atmosphérique. Cette étude met en avant l’impact de la phase plasma de la rentrée atmosphérique sur le comportement aérodynamique des débris spatiaux.

The main objective of this work is to characterize and understand the rarefaction effects on the aerodynamic behaviour of space debris during certain critical phases of its atmospheric re-entry. This research focuses ontwo key geometries, the sphere and the cube, studied using two continuous operating wind tunnels: a rarefied hypersonic wind tunnel MARHy for the simulation of high-altitude aerodynamics and a high-enthalpy supersonic wind tunnel PHEDRA to study the plasma phase.Various multidisciplinary diagnostics were implemented, including the design of aerodynamic balances adapted to the flow conditions, the glow discharge visualisation techniques combined with image analysis methods to characterize the shock layers structure in detail, Pitot probe and Infra-Red thermography to wall temperature measurements.This study established an experimental database at Mach 4 and for different Knudsen numbers obtained by combining size of models and pressure operating conditions. This allowed to highlight the influence of the degree of rarefaction on the aerothermodynamic properties of the studied canonical geometries such as the shape of the shocks, their stand-off distance and their aerodynamic coefficients. At high enthalpy, the thermal and ablative effects on the aerodynamic forces, have been studied under supersonic plasma flows.This set of experimental data base contributes to improve the bridging functions used in the simulation codesto predict the trajectory of an object taking into account the different flow regimes during atmospheric reentry. This study emphasises the impact of the plasma phase during atmospheric re-entry on the aerodynamic behaviour of space debris.