Titan atmosphere plasma characterization using spectroscopic measurement techniques

par Mickaël Playez

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Christophe Laux.

Soutenue en 2006

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris , en partenariat avec Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

mots clés

• Titan (satellite de Saturne) -- Exploration
• Spectroscopie d'émission
• Plasmas (gaz ionisés)
• Véhicules spatiaux

Titre traduit

Etude spectroscopique de plasmas représentatifs des conditions d'entrée dans l'atmosphère de titan

Résumé

Lors des manoeuvres d'entrée ou d'aérocapture dans l'atmosphère de Titan, une quantité importante d'énergie est émise sous forme de radiation dans la couche de choc présente autour du véhicule spatial. Le dimensionnement du bouclier thermique du véhicule demande une évaluation précise de la quantité d'énergie qu'il reçoit sous forme radiative. Nous proposons dans cette étude une analyse du rayonnement émis par un plasma dont la composition est représentative de l'atmosphère de Titan, et ceci dans l'intervalle de longueur d'onde compris entre 350 et 1000 nm. Le plasma analysé est produit dans un tunnel plasma à couplage inductif (ICP). Des mesures par spectroscopie d'émission sont effectuées pour deux pressions différentes, 300 et 23 mbar. Le cas à haute pression favorise l'équilibre thermodynamique local dans l'écoulement, tandis que le cas à basse pression permet d'étudier un plasma hors équilibre. La modélisation de l'émission radiative du plasma est effectuée pour des conditions d'équilibre thermodynamique et montre un bon accord, sur une échelle absolue de l'émission, avec le spectre mesuré à haute pression. L'application du modèle développé à l'analyse du cas basse pression démontre l'obtention de conditions hors équilibre thermique. Des limitations liées à l'implémentation des mesures sont néanmoins observées. Elles sont liées aux fluctuations du plasma étudié.

Résumé

During entry or aero-capture in the atmosphere of the Saturn’s satellite Titan, largeamounts of radiation are produced in the shock layer of a spacecraft. The design of theheat shield of this vehicle requires a precise assessment of the radiative heat flux impingingon it. We propose in this study an analysis of the radiation emitted in the spectral range350-1000 nm by a high temperature gas mixture with a composition representative of theTitan atmosphere composition. The plasma is produced in an Inductively Coupled Plasmawind tunnel. Emission spectroscopy measurements are performed for two different pressureconditions, 300 and 23 mbar, in order to produce equilibrium and non-equilibrium plasmas. The modelling of the plasma emission at equilibrium is performed and shown to agree tothe measured spectra on a absolute scale for the high-pressure case. The use of the samemodel for the analysis of the low-pressure case provides evidence of departure from equilibrium. Limitations of the implemented procedure are observed. They are due to unresolved fluctuations of the plasma source.