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13.6 Mo

Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : énergétique

Par

Julien ANNALORO

Soutenue le 20 septembre 2013

Modèles collisionnels-radiatifs appliqués aux situations d’entrée atmosphérique martienne et terrestre
Jury

Rapporteurs
Thierry MAGIN, Associate professor, VKI Belgium
Ajmal Khan MOHAMED, Docteur habilité, ONERA Palaiseau

Examinateurs
Anne BOURDON, Directeur de recherches CNRS, EM2C UPR 288 Paris
Pascal ANDRE, Professeur des Universités, LAEPT FRE 3120 Clermont-Ferrand
Pierre OMALY, Ingénieur de recherches, CNES Toulouse
Philippe TEULET, Professeur des Universités, LAPLACE UMR 5213 Toulouse
Ioan SCHNEIDER, Professeur des Universités, LOMC UMR 6294 Le Havre

Membres invités
Lionel MARRAFFA, Ingénieur de recherches, ESA/ESTEC Netherlands
Philippe TRAN, Ingénieur de recherches, EADS ASTRIUM Les Mureaux

Directeur
Arnaud BULTEL, Maître de conférences habilité, CORIA UMR 6614 Rouen

L’entrée hypersonique d’un objet dans la haute atmosphère d’une planète entraîne la création d’un plasma à la suite de la compression très intense du gaz incident à l’objet. Cette compression s’effectue dans une couche de choc présentant une grande richesse en déséquilibres dont la méconnaissance limite notre capacité à prédire avec précision les contributions convective, radiative et catalytique de la densité de flux d’énergie pariétale, pourtant cruciale pour l’optimisation du dimensionnement du système de protection thermique de l’objet. Les contributions précédentes dépendent fortement des densités de population des états excités qui échappent à un comportement de type boltzmanien et présentent une distribution dépendant des phénomènes élémentaires collisionnels et radiatifs.
Dans ces circonstances, le but de ces travaux était d’étudier, dans les situations d’entrée dans l’atmosphère de Mars et de la Terre, le comportement des états excités de mélanges complexes (CO2 -N2 -Ar et N2 -O2 -Ar, respectivement) basée sur le développement de modèles collisionnels-radiatifs (CR) électro-vibrationnels spécifiques. Deux modèles CR ont ainsi été développés : CoRaM-MARS pour l’atmosphère martienne (22 espèces, 106 processus élémentaires) et CoRaM-AIR pour l’atmosphère terrestre (13 espèces, 500000 processus élémentaires). Ces modèles, mis en œuvre dans une approche lagrangienne à pression et température constantes dans des conditions thermodynamiques représentatives des situations d’entrée (notamment le cas FIRE II pour les entrées terrestres), ont montré que le rayonnement présente une influence très faible sur la cinétique des mélanges étudiés et que les écarts à la distribution de Boltzmann sont systématiques.
Le très grand nombre d’états à prendre en compte interdit une intégration directe des modèles CR précédents dans des codes aérodynamiques. Cependant, une réduction à l’azote de ces modèles a été réalisée. Le modèle CR ainsi constitué (CoRaM-N2 , 5 espèces, 150 états, 40000 processus élémentaires) a été intégré à un code eulérien traitant les écoulements monodimensionnels d’après-choc ou de tuyère divergente. L’accord avec des résultats expérimentaux acquis en tube à choc à fort nombre de Mach est très satisfaisant.
Pour des applications 2D ou 3D, des taux globaux ont par ailleurs été déterminés théoriquement pour (1) l’ionisation/recombinaison par impact électronique de l’azote, de l’oxygène, du carbone et de l’argon, (2) la dissociation/recombinaison de N2 , O2 par impact de N, N2 , O, O2 et (3) la dissociation/recombinaison de CO2 par impact de lourd. La comparaison avec des résultats expérimentaux montre un accord en général très satisfaisant. Les taux directs et inverses étant calculés de manière indépendante, il est montré que leur rapport s’écarte de la constante d’équilibre globale correspondante à mesure que la température augmente.

Abstract
The hypersonic entry of a body into the upper layers of a planetary atmosphere leads to the formation of a plasma resulting from the intense compression of the incident gas. This compression takes place within a shock layer in non-equilibrium, the knowledge of which is partial. This prevents a precise assessment of the convective, radiative and catalytic parts of the parietal heat flux required for the sizing of the thermal protection system of the entering body. The latter contributions strongly depend on the excited states population density, the distribution of which departs from Boltzmann equilibrium. In these circumstances, the purpose of this work was to study, for entry situations into Mars and Earth atmosphere, the excited states behaviour of complex mixtures (CO2 -N2 -Ar and N2 -O2 -Ar, respectively) based on the development of electro-vibrational specific collisional-radiative (CR) models. Two CR models have been developed : CoRaM-MARS for the Martian atmosphere (22 species, 106 elementary processes) and CoRaM-AIR for the Earth’s atmosphere (13 species, 500 000 elementary processes). These models are implemented in a Lagrangian approach at constant pressure and temperature in representative thermodynamic conditions of entry situations (especially the FIRE II test case for Earth entries). We have shown that radiation plays a minor role in the kinetic mechanism of the studied mixtures, and that departures from the Boltzmann equilibrium are systematically observed.
The very large number of states to be considered prevents a direct implementation of these CR models in aerodynamic codes. However, their reduction dedicated to nitrogen has been performed. The CR model thus elaborated (CoRaM-N2 , 5 species, 150 states, 40000 elementary processes) has been integrated in an 1D Euler code dealing with post- shock or divergent nozzle flows. The agreement with high Mach number experimental results obtained in shock tube is very satisfactory.
For 2D or 3D applications, global rate coefficients have been determined theoretically for (1) the ionization / recombination by electron impact of nitrogen, oxygen, carbon and argon, (2) the dissociation / recombination of N2 , O2 under N, N2 , O, O2 impact and (3) the dissociation / recombination of CO2 under heavy impact. Comparisons with experimental results globally show a very satisfactory agreement. The forward and backward global rates have been calculated independently. We show that their ratio departs from the corresponding global equilibrium constant as the temperature increases.

Keywords : plasma, planetary atmospheric entry, state-to-state chemistry, collisional-radiative models, non equilibrium flows, global rate coefficients.

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