Etude de la survivabilité des débris spatiaux en phase de rentrée atmosphérique (oxydation et émissivité)

Survivability of space debris during their atmospheric re-entry

• Auteur / Autrice : Lucile Barka
• Direction : Marianne Balat-Pichelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Michel Vilasi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Vilasi, Benoit Rousseau, Henri Buscail, Domingos De Sousa Meneses, Arnaud Bultel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoit Rousseau, Henri Buscail

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement thermique

Oxydation

Débris spatiaux

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Mots clés libres

Rentrée atmosphérique

Débris spatiaux

Oxydation

Émissivité

Atmospheric re-entry

Space debris

Oxidation

Emissivity

Résumé

Afin de mieux estimer la survivabilité des débris spatiaux lorsqu’ils retombent sur Terre (masse finale et surface meurtrie), la base de données matériaux du code DEBRISK du CNES nécessite d’être alimentée en propriétés dans le domaine des hautes températures (oxydation et émissivité principalement). Ainsi, cette thèse a été réalisée au laboratoire PROMES-CNRS sur l’étude expérimentale de l’oxydation dans des conditions de rentrée atmosphérique (plasma d’air, haute température et basse pression) de quatre alliages métalliques les plus difficiles à détruire (Invar 36, TA6V, 316L et 304L). L’émissivité totale directionnelle a également été mesurée à haute température et l’émissivité totale hémisphérique a été calculée pour ces quatrematériaux, sur des surfaces non oxydées, sous vide secondaire, mais aussi, pré-oxydées sous plasma d’air et oxydées in situ sous air standard. Les résultats ont montré pour l’ensemble des matériaux, que l’oxydation à haute température sous environnement d’oxygène atomique, était peu significative vis-à-vis des faibles gains ou pertes de masse obtenus (dépendant de l’alliage) par rapport aux masses initiales. Par contre, l’oxydation crée une forte modification de la surface – composition et morphologie – ce qui entraine une importante augmentation d’un facteur 3 voire 4 (dépendant de l’alliage) de l’émissivité totale des matériaux oxydés par rapport à celle des échantillons vierges, cette augmentation pouvant fortement retarder le processus de fusion pendant une trajectoire et par conséquent le calcul de la masse finale et de la surface meurtrie. De plus, il a été observé que l’émissivité des oxydes formés sous plasma d’air était généralement 10% supérieure à celles des oxydes formés sous air standard, d’où l’intérêt de mesurer l’émissivité sur des surfaces préalablement oxydées sous plasma d’air, caractéristique des conditions de rentrée atmosphérique des débris spatiaux. Finalement, il apparait plus judicieux d’implémenter dans les codes de rentrée atmosphérique, l’influence de l’oxydation sous plasma d’air sur l’émissivité plutôt que les cinétiques d’oxydation obtenues.

To better assess the survivability of space debris when they fall at ground (final mass and casualty area), the DEBRISK tool from CNES needs to feed its material database with properties at high temperatures (oxidation and emissivity mainly). Thus, this thesis was conducted at the PROMES-CNRS laboratory on the experimental study of oxidation in atmospheric re-entry conditions (air plasma, high temperature and low pressure) for four metallic alloys which are the most difficult to destroy (Invar 36, TA6V, 316L and 304L).The total directional emissivity was measured at high temperature for all the materials and the totalhemispherical emissivity calculated, on non-oxidized samples, in high vacuum, but also, on pre-oxidized samples under air plasma and on in situ oxidized ones in standard air. The experimental results have shown for all the materials that the oxidation at high temperature under air plasma was not significant, due to the obtaining of small mass gains or losses (depending of the alloy) compared to the initial masses. However, oxidation creates a huge modification of the surface – composition and morphology – that leads to a significant increase of the total emissivity of oxidized materials compared to the one of virgin samples by a factor 3 or even 4 (depending on the alloy) that can strongly delay the melting process during a trajectory andconsequently the calculation of the final mass and the casualty area. Moreover, it was observed that the emissivity of oxides formed under air plasma was generally 10% higher than those formed in air standard, hence the interest to perform emissivity measurements on pre-oxidized samples under air plasma conditions, representative of the atmospheric re-entry conditions of space debris. Finally, it would be more judicious to implement in the atmospheric reentry tools, the influence of the oxidation under air plasma on the emissivity rather than the kinetics of oxidation obtained.