Etude expérimentale et numérique de la cinétique chimique et radiative hors d'équilibre à l'aval d'une onde de choc stationnaire : application aux entrées atmosphériques de Mars et Titan

par Catherine Rond

Thèse de doctorat en Mécanique. Énergétique

Sous la direction de Abdel Aziz Chikhaoui.

Soutenue en 2006

à Aix-Marseille 1 , en partenariat avec Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (Marseille) (autre partenaire) .


  • Résumé

    La phase de rentrée atmosphérique des sondes est une des opérations délicates des missions spatiales. En effet les vitesses des engins étant élevées (>5000 m/s), on assiste à la formation d’une onde de choc intense à l’amont des véhicules ce qui favorise le déclenchement de processus physico-chimiques importants (excitation des modes internes, dissociation, ionisation, création d’espèces chimiques). Les temps caractéristiques associés sont du même ordre de grandeur que celui de l’écoulement entraînant un état hors d’équilibre thermochimique du gaz derrière l’onde de choc. Afin de prédire au mieux ces phénomènes, il est nécessaire de les reproduire à l’aide de moyens expérimentaux terrestres, le meilleur dispositif étant le tube à choc. Dans le cadre de cette thèse, deux installations ont été utilisées : TCM2, une soufflerie à piston libre située à Marseille et le tube à combustion de l’Institut de Physique et de Technologie de Moscou. Les conditions initiales de nos expériences ont été choisies afin de reproduire celles des rentrées atmosphériques dans le cas de la mission Cassini-Huygens (CH4-N2-Ar) et des missions martiennes (CO2-N2) : P=40-1000 Pa and V=5-6 km/s. L’analyse expérimentale de l’émission à l’aval de l’onde de choc est effectuée via des mesures spectroscopiques résolues en temps (système streak) afin de déterminer l’évolution spectro-temporelle du flux radiatif pour une gamme de longueur d’onde pouvant aller de 300 à 900 nm. Les mesures ont été effectuées sur les principales espèces radiatives à savoir les systèmes violet et rouge de CN et les bandes Swan de C2. Des acquisitions réalisées avec un PM sous vide ont également permis d’observer le 4eme positif de CO. Les résultats obtenus ont mis en évidence l’influence de la pression et de la composition du mélange et la présence d’auto-absorption. Ils ont confirmé que le système violet de CN était majoritaire dans le visible-proche UV, mais aussi montré que la contribution du 4ème positif de CO n’est pas négligeable pour les mélanges martiens. Les expériences ont également été utilisées pour valider des modélisations physiques. Les calculs liés à la campagne Titan, basés sur un modèle 2-températures, représentent correctement les résultats expérimentaux de la zone d’équilibre mais surestiment considérablement le flux radiatif de la zone hors d’équilibre. Les expériences martiennes ont été simulées dans le cadre de cette thèse grâce à un modèle physico-chimique développé dans le cas d’un mélange martien couplé à un code de rayonnement. Le modèle physique est basé sur les équations d’Euler et prend en compte le déséquilibre vibrationnel (modèle multi-T). Les comparaisons entre les calculs et les mesures ont montré que les cinétiques développées par Park et McKenzie sont insuffisantes, nous avons donc proposé un nouveau taux de réaction pour la dissociation de CO2qui permet de reproduire et de comprendre l’allure des profils temporels expérimentaux.

  • Titre traduit

    Experimental study and modeling of non equilibrium chemical and radiative kinetic behind stationary shock wave


  • Résumé

    Shuttles enter into planetary atmosphere with high velocity which implies the formation of a shock wave in front of the probe. The resulting energy causes chemical and physical mechanisms as : excitation of internal modes, dissociation, ionization, radiation and chemical species creation. Characteristic time of these phenomena and those of the flow are closed so the gas is out of thermochemical equilibrium. In order to reproduce these processes, experimental investigations were carried out using two kinds of shock tube : TCM2 (Tube à Choc de Marseille 2) a free-piston shock tube which is based on the Stalker principle and the combustion tube of the Moscow Insitute of Physics and Technology. The initial conditions reproduced during test should be as close as possible to the predicted trajectory points of shuttle entries (here P=40-1000 Pa and V=5-6 km/h). Composition of gas test considered simulates planetary atmospheresas those of Titan (CH4-N2-Ar) and Mars (CO2-N2). Measurement technique is based on emission spectroscopy resolved in time in order to obtain time evolution of the emission behind the shock wave for different ranges of wavelengths (300-900 nm). We look at main radiators that is to say CN violet and also CN red and C2 swan. Measurements carried out with a vaccum PM allow studying CO 4th positive radaition too. Results show the influence of pressure and mixture composition and self absorption process. They confirm that CN violet system is predominant in visible-near UV, but they also show that CO 4th positive de CO is not negligible for martian mixtures. Experiments are also necessary to validate numerical calculations. For Titan simulations, calculations are close to experimental results in the equilibrium part but they overestimate the nonequilibrium flux. The 2-temperature model used seems to be inadequate. Mars experiments are simulated by kinetic, which is based on a multitemperature model, and radiative codes developped for this work. Comparisons of the calculations with our experiments show that kinetic models from Park and McKenzie are insufficient; so we propose new rate of reaction for CO2 dissciation which allows reproducing ans understanding the shape of experimental time profiles.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (211 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 207-211

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