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Accueil du site > Installations expérimentales > Propulsion spatiale & souffleries hypersoniques > Installations FAST > Activités > Étude des écoulements ionisés hors équilibre appliqués aux rentrées atmosphériques. > Application aux plasmas de rentrée

Application aux plasmas de rentrée

Au cours de la rentrée d’un engin spatial dans une atmosphère planétaire, il se crée un choc devant le véhicule provoquant ainsi un fort échauffement du gaz qui l’entoure. Le gaz alors s’ionise créant un plasma dont les forts gradients de température, le rayonnement, sa composition chimique, etc… peuvent endommager très sérieusement ces engins. Le moyen d’essai PHEDRA permet de produire des jets de plasmas supersoniques à haute enthalpie, à partir de différents gaz simulant des atmosphères planétaires, comme 80% N2 - 20% O2 pour la Terre, 97%CO2 - 3%N2 pour Mars ou encore 99%N2 - 1%CH4 pour Titan.

Le résultat des différentes expériences permet de valider des codes de calcul dont l’ambition est de prédire certains phénomènes physico-chimiques, et les contraintes thermiques rencontrées par ces véhicules au cours de la mission.

L’écoulement de plasma est créé par un générateur de type arc-jet. Le gaz est ionisé au travers d’une tuyère dont le col a 4mm de diamètre et la sortie un diamètre de 43mm. Le plasma est entretenu par une alimentation continue et régulée en courant. Les paramètres de fonctionnement ajustables sont le débit de gaz et l’intensité de l’arc, permettant ainsi de changer les propriétés du plasma telles que : l’enthalpie spécifique, le flux de chaleur, la vitesse, la densité électronique, les différentes températures Tv, Tr, Te.

L’enthalpie spécifique déterminée au centre du jet constitue un paramètre important pour valider des codes simulant une rentrée atmosphérique. En soufflerie, il est généralement estimé à partir de la valeur du flux de chaleur mesurée à l’aide des fluxmètres à paroi mince. En sortie de tuyère il est très difficile de mesurer le flux à cause des fortes températures. Pour s’affranchir de cette contrainte nous avons une autre méthode basée sur des mesures de rayonnement effectuées par caméra CCD. La figure ci- contre présente le flux déterminé sur l’axe d’un jet de plasma d’air. Les triangles présentent le flux obtenu à partir des mesures de rayonnement et les cercles et carrés le flux obtenu par la méthode classique des fluxmètres.

L’influence des paramètres plasmas est notable en termes de cinétique chimique et rayonnement, comme le montrent ces deux spectres obtenus dans un plasma d’air avec 0.17 g/s mais des intensités d’arc différentes.

La vitesse du jet évolue considérablement aussi avec les conditions plasma comme le montrent les mesures obtenues par temps de vol le long de l’axe d’un jet de plasma d’air. Trois groupes de vitesse se détachent de ces mesures fortement influencées par la valeur de l’intensité de l’arc électrique. La valeur du débit de gaz a une influence secondaire à l’intérieur de chaque groupe.

Étude des plasmas simulant une rentrée martienne avec 97% CO2 - 3% N2.

Pour un débit de mélange gazeux de 0,32 g/s on étudie l’influence des proportions de CO2 et de N2 sur l’émission de la molécule CN ainsi que sur la population des électrons. On a observé expérimentalement que :

  • La population vibrationnelle de CN ne suit plus la distribution de Boltzmann à partir de 36 % de CO2.
  • La distribution en énergie des électrons devient bi-maxwellienne à partir de ce même pourcentage de CO2.
  • Deux populations électroniques, une dite ’’chaude’’ et une autre dite "froide" sont présentes.
  • La température vibrationnelle de CN est en équilibre avec la température de la population des électrons dite "chaude".
  • Le déséquilibre vibrationnel de CN a lieu dans le divergeant de la tuyère.

Détermination des deux températures électroniques à partir de la caractéristique d’une sonde simple

La population vibrationnelle de CN semble couplée avec la population électronique dite ‘chaude’, néanmoins à forte concentration de CO2 seuls les niveaux vibrationnels élevés sont en équilibre avec cette population.

Des mesures réalisées par spectrométrie d’émission dans le domaine de l’ultra-violet ont permis de mettre en évidence une forte émission du 4ème système positif de CO ainsi que des raies atomiques de carbone et d’oxygène comme l’illustre la figure ci-dessous.

Vidéo de plasma dans la soufflerie PHEDRA :



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