Contexte de la thématique
Les matériaux utilisés dans l’aéronautique et l’aérospatial sont soumis à des contraintes sévères autant thermiques que mécaniques. L’étude des phénomènes physiques à l’interface solide-gaz est déterminante pour leur conception. Les rentrées atmosphériques, activité pérenne soutenue par le CNES et l’ESA, constitue une bonne base de développement vers les problématiques afférentes aux matériaux.
En effet, la thématique des rentrées atmosphériques, initiée en 2004, est depuis reconnue comme un axe fort de recherche au sein de l’université Blaise Pascal. L’orientation générale de ces études concerne la caractérisation des plasmas qui se forment entre l’onde de choc et la surface d’une sonde spatiale lors de sa traversée des hautes couches d’une atmosphère planétaire (Mars, Titan – satellite de Saturne, Terre, Vénus). Une torche à plasma à couplage inductif (ICP) est utilisée pour étudier les effets radiatifs qui interviennent de façon majoritaire dans les flux d’énergie aux parois de la sonde (en vue d’une optimisation des protections thermiques -TPS : Thermal Protection Shield -, en efficacité et en masse).
Lors d’une entrée à grande vitesse dans une atmosphère planétaire, en particulier pour le retour sur Terre depuis Mars ou bien encore l’entrée sur Titan, des marges très importantes sont considérées sur les flux radiatifs en raison des manques à la fois de données et de validations des outils prédictifs. Ces incertitudes interviennent cependant dans le dimensionnement TPS et ainsi à la configuration de l’ERV (Earth Return Vehicle) qui fait partie des étapes du programme inhérent à l’exploration martienne. Concernant l’entrée sur Titan, les flux radiatifs sont très importants (>10kW/m2) et de grands efforts sont actuellement menés dans ce domaine par l’ESA dans le cadre d’un Working Group dont l’activité est présentée régulièrement dans un workshop international.
Exemple d’entrée dans une atmosphère planétaire
Les priorités des recherches scientifiques actuelles sont axées autour de la détermination des flux énergétiques reçus par les sondes d’exploration de Mars (et par conséquent de Vénus) avec l’analyse des rayonnements dans une large gamme spectrale : IR, visible-UV et VUV. Ces recherches ont pour ambition de mettre en évidence et d’étudier les degrés d’état de déséquilibres thermique, chimique et radiatif régnant au sein des plasmas de rentrées dans l’atmosphère de Mars, d’évaluer et de comparer la répartition énergétique associée à chaque domaine spectral du rayonnement dans différentes conditions de choc et enfin de maintenir et développer les modèles et logiciels, pour le développement des moyens d’essais à impulsion afin de préparer les campagnes d’essais en terme de conditions d’essais et d’interprétation des résultats. Il va de soi que cette organisation de la recherche a pour vocation de s’appliquer à toutes les futures missions spatiales telles que les missions JUICE (JUpiter ICy moon Explorer) ou encore SOLAR Orbiter.
A partir de là, une focalisation sur les matériaux de TPS revêt une importance particulière quant aux perspectives d’évolutions de la thématique précédemment développée. Les principales orientations seraient d’une part la modélisation des contraintes thermo-mécaniques subies par le bouclier thermique soumis à des températures extrêmes et d’autre part la prise en considération du cycle de vie (contraintes, usure, fissuration,…) du matériau. Ces aspects sont développés dans les parties qui suivent.
Activités scientifiques
Diagnostics optiques et caractérisations des matériaux et des milieux
Le thème s’articule autour de plusieurs développements scientifiques :
- Diagnostics optiques et caractérisations des matériaux et des milieux
- Outils expérimentaux
- Modélisation des matériaux en dynamique moléculaire
Composition du thème
Permanents
- Emmanuel Duffour (PR)
- Frédéric Perrisse (MCF)
- Sébastien Ménecier (MCF, référent scientifique)
- Damien Vacher (MCF)