Caractérisation des flammes et des fumées en gravité réduite pour le renforcement de la sécurité des modules spatiaux
Auteur / Autrice : | Yutao Li |
Direction : | Guillaume Legros, José Luis Torero |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Énergétique, génie des procédés |
Date : | Soutenance le 06/12/2022 |
Etablissement(s) : | Sorbonne université |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....) |
Jury : | Président / Présidente : Stéphane Zaleski |
Examinateurs / Examinatrices : Fabien Halter | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Sandra Olson, Yūji Nakamura |
Mots clés
Résumé
Les travaux présentés dans le présent mémoire de thèse sont dédiés à l'étude de la propagation de flamme non-prémélangée dans un environnement à gravité réduite, une attention particulière étant prêtée à la détection et la mitigation. Ces travaux entendent contribuer à l'amélioration de la sécurité-incendie des habitacles spatiaux. A cette fin, un dispositif existant qui permet les expérimentations en vols paraboliques a été équipé de nouveaux diagnotics à l'Inst. d'Alembert. Ainsi, des échantillons cylindriques peuvent être enflammés et la propagation de flamme qui s'ensuit étudiée dans un environnement à gravité réduite. L'écoulement laminaire oxydant alimentant la flamme non-prémlénagée est contrôlé en termes de teneur en oxygène, de pression ambiante et de vitesse d'écoulement. La détection d'incendie repose tout particulièrement sur l'identification des particules de suie. Le manque évident de connaissances sur la morphologie des particules de suie formées en microgravité affecte la précision de la détection des incendies. Dans ce contexte, une technique originale de prélèvement des particules de suie utilisant un champ électrique est développée et réalisée avec succès pour la première fois en microgravité au cours d'une propagation de flamme établie sur un échantillon cylindrique. Les particules de suie prélevées sont analysées au microscope électronique à transmission (TEM). Grâce aux outils d'analyse d'images TEM développés, la surface projetée des particules de suie, la distribution de rayon de giration, les dimensions fractales et les tailles des particules primaires sont extraites. L'effet de la gravité peut alors être étudié et illustré avec l'évolution de ces propriétés morphologiques dans la flamme. Dans le cadre de l'exploration de l'espace lointain, des expériences sur la propagation de flamme sur fil électrique ont également pu être réalisées pour la première fois à gravité lunaire et martienne. Les caractéristiques de la propagation de la flamme sont analysées sous différentes conditions d’écoulement oxydant et différentes configurations de fils électriques. En variant le niveau gravitationnel et la teneur en oxygène, les limites d'extinction des différentes configurations d'échantillons sont identifiées et les vitesses de propagation de la flamme extraites. À gravité élevée (ici gravité martienne et gravité normale), le suintement de gouttelettes en amont de la flamme affecte la limite d'extinction, ce tout particulièrement pour des échantillons à cœur métallique de faible conductivité thermique. Dans le même temps, ce suintement a également un impact sur le mécanisme de propagation de la flamme. En particulier, à gravité martienne, une propagation cyclique de la flamme est découverte et les mécanismes qui la pilote analysée. Dans l'optique d'une prévention accrue des incendies dans les modules spatiaux, des échantillons cylindriques chargés de retardateurs de flamme sont étudiés en microgravité et à gravité normale, ce pour une teneur en oxygène variable. Deux types de retardateurs de flamme présentant des mécanismes d'expansion différents sont considérés, à savoir le graphite expansé (EG) et le polyphosphate d'ammonium/pentaérythritol (AP). En micropesanteur, l’augmentation de la charge de retardateur n’améliore pas de façon détectable la limite d'extinction tandis que la réduction de la vitesse de propagation de la flamme n’est pas aussi évidente qu'à gravité normale pour la gamme de charges de retardateur de flamme étudiée. En outre, l'augmentation des charges de retardateur de flamme en micropesanteur a provoqué des émissions de fumée. Ces effets contrariants de l'ajout de retardateur de flamme sur la sécurité-incendie en micropesanteur ne sont pas évidents à gravité normale. Les résultats obtenus dans cette étude fournissent des informations utiles et de nouvelles perspectives pour la détection et la prévention des incendies en gravité réduite.