Modélisation des écoulements en régime hypersonique raréfié : application aux satellites à très basse orbite et aux objets en phase de rentrée atmosphérique

par Marc Schouler

Projet de thèse en Dynamique des fluides

Sous la direction de Luc Mieussens et de Ysolde PRéVEREAUD.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse) , en partenariat avec Energétique et Dynamique des Fluides (laboratoire) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    De nombreux acteurs privés et publiques se dotent de constellations de satellites pour l'observation de la Terre ou pour l'accès à internet dans les zones isolées. Ces satellites sont généralement situés en orbite basse. Pour le cas particulier de l'observation de la Terre, l'enjeu est d'offrir de plus en plus de réactivité et un meilleur suivi des activités sur la Terre. Ce type de satellites peut par exemple permettre une meilleure cartographie des zones touchées lors d'une catastrophe naturelle et donc une meilleure réaction des autorités en interventions et en moyens. Ils peuvent également permettre de surveiller plus étroitement les activités illégales comme la pêche hors zone légale. L'une des solutions pour augmenter la résolution des images obtenues serait d'avoir des satellites capables de descendre ponctuellement sur une orbite très basse avant de remonter sur son orbite courante. Cette manœuvre de compensation de la traînée serait effectuée à l'aide d'un propulseur électrique, de manière similaire aux véhicules de transfert d'orbite comme l'AOTV de la NASA mais avec plus d'agilité et moins de profondeur de l'atmosphère. D'autre part, la Loi d'Opérations Spatiales (LOS) contraint de manière forte la passivation et la désorbitation en fin de vie des futurs satellites. Ainsi, ceux-ci doivent effectuer une rentrée atmosphérique contrôlée permettant leur destruction dans l'atmosphère. Ceci implique la maîtrise des conditions de rentrée à partir de l'orbite et en particulier des conditions de traversée de la zone raréfiée. La définition de ce type de mission nécessite de connaître avec précision les coefficients de forces et de moments aérodynamiques s'exerçant sur le satellite et d'étudier différentes conceptions/formes afin de minimiser les efforts déployés pour effectuer des changements d'orbite. Il est également nécessaire de déterminer l'échauffement reçu par la paroi afin de limiter le risque de dégradation pendant les occurrences de périgée ou de l'augmenter durant la phase de rentrée atmosphérique pour l'application de la LOS. Ceci passe également par une étude sur la conception/forme du satellite (en vue d'optimiser la configuration lors du changement d'orbite où une évolution géométrique dite de « morphing » peut s'avérer nécessaire pour l'intégrité du véhicule) et éventuellement du système de protection thermique. Le problème ainsi posé est multi-physique et multi-domaine puisqu'il existe un couplage fort entre les phénomènes physiques de l'écoulement, la trajectoire et la forme de l'objet considéré. Les objets naturels ou artificiels (satellites, véhicules, débris spatiaux) évoluant en orbites basses ou très basses ou lors de la première phase de la rentrée atmosphérique sont soumis à des écoulements hypersoniques en déséquilibre thermique et chimique avec présence d'espèces ionisées en régime raréfié (transitionnel et de glissement). Suivant les conditions de vol, le rayonnement du gaz par transfert pourrait être significatif pour l'évaluation de l'échauffement pariétal. La simulation de ce régime d'écoulements passe par la résolution de l'équation de Boltzmann par méthode déterministe (BGK ou Bhatnagar, Gross and Krook) ou probabiliste (DSMC ou Direct Simulation Monte-Carlo). Toutefois, la simulation numérique (DSMC, BGK ou Navier-Stokes pour le régime continu) ne peut être mise en œuvre que ponctuellement, pour quelques points de vol. En effet, du fait d'un coût de calcul considérable et hors de portée des calculateurs actuels, il n'est pas possible de simuler une trajectoire complète pour les différentes configuration/formes de satellite. Pour réaliser une étude complète d'un satellite effectuant des missions en orbite très basses ou lors d'une rentrée atmosphérique (couplage aérothermodynamique – GNC), il est alors nécessaire de se doter de modèles analytiques ou modèles réduits à faible temps de réponse. L'objectif de la thèse est donc de développer des modèles analytiques ou modèles réduits à faible temps de réponse pour les coefficients de forces et de moments aérodynamiques et le flux de chaleur pariétal en régime hypersonique raréfié. Ces modèles, intégrés à un code multi-physique à faible temps de réponse, permettront de calculer la trajectoire complète d'un objet évoluant à très basse orbite ou en rentrée atmosphérique à partir d'un point exo-atmosphérique. Ces modèles réduits seront développés et validés à partir d'une base de données composée de simulations numériques en régime transitionnel raréfié. Ces simulations seront obtenues par la mise en œuvre du code DSMC SPARTA (Stochastic PArallel Rarefied-gas Time-accurate Analyzer) en régime transitionnel raréfié. Aussi, il est essentiel de valider les méthodes numériques utilisées par comparaison avec de données expérimentales ou des données de vol. Dans un premier temps une analyse bibliographique sur la modélisation numérique des écoulements (déséquilibre thermochimique, interaction gaz-surface, coefficients d'accommodation,…etc.) en régime raréfié sera réalisée. Il s'agira d'effectuer une analyse détaillée et comparative des modèles proposés dans la littérature. La représentation des écoulements faiblement ionisés pourra s'effectuer de 2 manières différentes : par la cinétique chimique relative aux seules réactions ionisantes et à l'électro-neutralité (température électronique en équilibre avec la température de translation/rotation) ou par l'intégration de l'équation d'entropie du gaz d'électrons. Le choix s'effectuera en fonction d'une analyse préalable (cinétique chimique) du niveau de la densité d'électrons pour des conditions haute altitude rencontrées et/ou la disponibilité du code SPARTA à recevoir une équation d'énergie pour les électrons libres (une pression électronique ainsi qu'une température électronique en déséquilibre avec la translation/rotation seront à prendre en compte). Le rayonnement pourra être pris en compte via un couplage entre les codes SPARTA et ASTRE (solveur de rayonnement utilisant une approche Monte Carlo). Pour analyser les modèles numériques, leur implémentation dans le code DSMC SPARTA sera nécessaire. Une validation exhaustive par comparaison avec des données expérimentales et des données de vol (l'IXV (2015), Stardust (2006), OREX (1994)) devra être effectuée. D'autre part, une comparaison des approches probabilistes (DSMC – SPARTA) avec les approches déterministes développées au CEA (BGK) sera réalisée sur des cas d'intérêt à définir. Dans un second temps, des modèles analytiques à faible temps de réponse pour la distribution de pression, de frottement et de flux de chaleur pariétal seront proposés à partir de bases de données de simulations numériques réalisées préalablement avec SPARTA pour des formes représentatives de satellites. Les modèles qui seront implantés dans l'outil FAST/MUSIC (code ingénieur ONERA de simulation de rentrée atmosphérique) seront validés par comparaison avec des données de vol obtenues sur des engins de formes simples et complexes tels que l'IXV (2015). Enfin une étude complète d'une mission générique de vol à très basse orbite et de rentrée en fin de vie à l'aide de FAST/MUSIC permettra de tenir compte de manière couplée de l'aérothermodynamique, de la trajectoire, et ce en fonction de la forme géométrique choisie.

  • Titre traduit

    Flow modelling in hypersonic rarefied regime: application to very Low Earth Orbit satellites and atmospheric re-entry vehicles


  • Résumé

    De nombreux acteurs privés et publiques se dotent de constellations de satellites pour l'observation de la Terre ou pour l'accès à internet dans les zones isolées. Ces satellites sont généralement situés en orbite basse. Pour le cas particulier de l'observation de la Terre, l'enjeu est d'offrir de plus en plus de réactivité et un meilleur suivi des activités sur la Terre. Ce type de satellites peut par exemple permettre une meilleure cartographie des zones touchées lors d'une catastrophe naturelle et donc une meilleure réaction des autorités en interventions et en moyens. Ils peuvent également permettre de surveiller plus étroitement les activités illégales comme la pêche hors zone légale. L'une des solutions pour augmenter la résolution des images obtenues serait d'avoir des satellites capables de descendre ponctuellement sur une orbite très basse avant de remonter sur son orbite courante. Cette manœuvre de compensation de la traînée serait effectuée à l'aide d'un propulseur électrique, de manière similaire aux véhicules de transfert d'orbite comme l'AOTV de la NASA mais avec plus d'agilité et moins de profondeur de l'atmosphère. D'autre part, la Loi d'Opérations Spatiales (LOS) contraint de manière forte la passivation et la désorbitation en fin de vie des futurs satellites. Ainsi, ceux-ci doivent effectuer une rentrée atmosphérique contrôlée permettant leur destruction dans l'atmosphère. Ceci implique la maîtrise des conditions de rentrée à partir de l'orbite et en particulier des conditions de traversée de la zone raréfiée. La définition de ce type de mission nécessite de connaître avec précision les coefficients de forces et de moments aérodynamiques s'exerçant sur le satellite et d'étudier différentes conceptions/formes afin de minimiser les efforts déployés pour effectuer des changements d'orbite. Il est également nécessaire de déterminer l'échauffement reçu par la paroi afin de limiter le risque de dégradation pendant les occurrences de périgée ou de l'augmenter durant la phase de rentrée atmosphérique pour l'application de la LOS. Ceci passe également par une étude sur la conception/forme du satellite (en vue d'optimiser la configuration lors du changement d'orbite où une évolution géométrique dite de « morphing » peut s'avérer nécessaire pour l'intégrité du véhicule) et éventuellement du système de protection thermique. Le problème ainsi posé est multi-physique et multi-domaine puisqu'il existe un couplage fort entre les phénomènes physiques de l'écoulement, la trajectoire et la forme de l'objet considéré. Les objets naturels ou artificiels (satellites, véhicules, débris spatiaux) évoluant en orbites basses ou très basses ou lors de la première phase de la rentrée atmosphérique sont soumis à des écoulements hypersoniques en déséquilibre thermique et chimique avec présence d'espèces ionisées en régime raréfié (transitionnel et de glissement). Suivant les conditions de vol, le rayonnement du gaz par transfert pourrait être significatif pour l'évaluation de l'échauffement pariétal. La simulation de ce régime d'écoulements passe par la résolution de l'équation de Boltzmann par méthode déterministe (BGK ou Bhatnagar, Gross and Krook) ou probabiliste (DSMC ou Direct Simulation Monte-Carlo). Toutefois, la simulation numérique (DSMC, BGK ou Navier-Stokes pour le régime continu) ne peut être mise en œuvre que ponctuellement, pour quelques points de vol. En effet, du fait d'un coût de calcul considérable et hors de portée des calculateurs actuels, il n'est pas possible de simuler une trajectoire complète pour les différentes configuration/formes de satellite. Pour réaliser une étude complète d'un satellite effectuant des missions en orbite très basses ou lors d'une rentrée atmosphérique (couplage aérothermodynamique – GNC), il est alors nécessaire de se doter de modèles analytiques ou modèles réduits à faible temps de réponse. L'objectif de la thèse est donc de développer des modèles analytiques ou modèles réduits à faible temps de réponse pour les coefficients de forces et de moments aérodynamiques et le flux de chaleur pariétal en régime hypersonique raréfié. Ces modèles, intégrés à un code multi-physique à faible temps de réponse, permettront de calculer la trajectoire complète d'un objet évoluant à très basse orbite ou en rentrée atmosphérique à partir d'un point exo-atmosphérique. Ces modèles réduits seront développés et validés à partir d'une base de données composée de simulations numériques en régime transitionnel raréfié. Ces simulations seront obtenues par la mise en œuvre du code DSMC SPARTA (Stochastic PArallel Rarefied-gas Time-accurate Analyzer) en régime transitionnel raréfié. Aussi, il est essentiel de valider les méthodes numériques utilisées par comparaison avec de données expérimentales ou des données de vol. Dans un premier temps une analyse bibliographique sur la modélisation numérique des écoulements (déséquilibre thermochimique, interaction gaz-surface, coefficients d'accommodation,…etc.) en régime raréfié sera réalisée. Il s'agira d'effectuer une analyse détaillée et comparative des modèles proposés dans la littérature. La représentation des écoulements faiblement ionisés pourra s'effectuer de 2 manières différentes : par la cinétique chimique relative aux seules réactions ionisantes et à l'électro-neutralité (température électronique en équilibre avec la température de translation/rotation) ou par l'intégration de l'équation d'entropie du gaz d'électrons. Le choix s'effectuera en fonction d'une analyse préalable (cinétique chimique) du niveau de la densité d'électrons pour des conditions haute altitude rencontrées et/ou la disponibilité du code SPARTA à recevoir une équation d'énergie pour les électrons libres (une pression électronique ainsi qu'une température électronique en déséquilibre avec la translation/rotation seront à prendre en compte). Le rayonnement pourra être pris en compte via un couplage entre les codes SPARTA et ASTRE (solveur de rayonnement utilisant une approche Monte Carlo). Pour analyser les modèles numériques, leur implémentation dans le code DSMC SPARTA sera nécessaire. Une validation exhaustive par comparaison avec des données expérimentales et des données de vol (l'IXV (2015), Stardust (2006), OREX (1994)) devra être effectuée. D'autre part, une comparaison des approches probabilistes (DSMC – SPARTA) avec les approches déterministes développées au CEA (BGK) sera réalisée sur des cas d'intérêt à définir. Dans un second temps, des modèles analytiques à faible temps de réponse pour la distribution de pression, de frottement et de flux de chaleur pariétal seront proposés à partir de bases de données de simulations numériques réalisées préalablement avec SPARTA pour des formes représentatives de satellites. Les modèles qui seront implantés dans l'outil FAST/MUSIC (code ingénieur ONERA de simulation de rentrée atmosphérique) seront validés par comparaison avec des données de vol obtenues sur des engins de formes simples et complexes tels que l'IXV (2015). Enfin une étude complète d'une mission générique de vol à très basse orbite et de rentrée en fin de vie à l'aide de FAST/MUSIC permettra de tenir compte de manière couplée de l'aérothermodynamique, de la trajectoire, et ce en fonction de la forme géométrique choisie.