Radiation and ablation studies for in-flight validation

Devoiler les mysteres du systeme solaire pour comprendre les mecanismes de la formation de la Terre, pour rechercher des signes de vie ou pour developper des colonies sur d’autres planetes, depend de notre capacite a repousser les limites de l'ingenierie et de la science. Pour cela, il est important de developper des technologies de pointe pour permettre aux vehicules spatiaux de survivre la phase d'entree ou de rentree atmospherique. Lors de l’entree ou de la rentree, l’engin spatial peut etre expose a flux radiatifs intenses qui ne peuvent pas encore etre predits avec precision, imposant ainsi des marges de securite sur la conception des systemes de protection thermique. Ces incertitudes augmentent lorsque le bouclier thermique est constitue d'un materiau ablatif car sa degradation introduit de nouvelles especes chimiques reagissant avec le plasma produit devant le vehicule, ce qui affecte le rayonnement. Le but de cette these est d’etudier les flux de chaleur radiatifs sur un vehicule de rentree de petite taille en presence d’un bouclier ablatif (Thermal Protection System, ou TPS), en utilisant des simulations numeriques et des experiences pour developper un instrument de vol qui sera embarque a bord du CubeSat QARMAN.Une evaluation de la trajectoire de rentree du vehicule QARMAN (masse : 5 kg) a ete realisee en utilisant un code maison a 6 degres de liberte. Un ensemble de simulations Monte Carlo ont permis de quantifier les incertitudes et ont montre un maximum de ± 15% ecart par rapport a la trajectoire nominale. Les spectres sans ablation ont alors ete determines en utilisant une approche decouplee avec deux codes : Stagline (VKI) et SPECAIR (EM2C, CentraleSupelec). Ces simulations ont ete effectuees pour la trajectoire nominale ainsi que pour la gamme des incertitudes. Elles ont permis de mettre en evidence un comportement non-lineaire des caracteristiques spectrales par rapport aux valeurs nominales, avec une augmentation drastique vers la fin de la mission.Les effets de l'ablation ont ete etudies avec une nouvelle technique de mesure developpee au cours de cette these. Basee sur deux sondes de mesure de rayonnement, l’une refroidie et l’autre recouverte d’un materiau ablatif, cette methode permet de quantifier l'emission et l'absorption induite par tout type de TPS ayant des interactions gaz-surface avec l'ecoulement, dans l’hypothese que les raies d’emission et d’absorption des especes ablatives ne soient pas superposees. La methode a ete validee sur un echantillon de graphite TPS. Elle a ensuite ete appliquee a la prediction du rayonnement attendu lors de la mission QARMAN (Cork P50 TPS). Cette etude a egalement permis de selectionner un spectrometre d’emission adapte a la mission QARMAN et aux objectifs de la these (plage de 350 a 800 nm pour une masse de 68 g).Un instrument de mesure de rayonnement standard a ete teste et les limites de cet appareil ont ete etablies. Deux nouvelles technologies ont ete developpees et la charge utile (spectrometre d’emission INES) a ete construite et integree au vehicule QARMAN. Un etalonnage spectral et thermique dedie a egalement ete developpe pour maximiser la qualite du retour scientifique en prenant en compte les variations de temperature dans la baie de charge utile de QARMAN.L’instrument propose est, a ce jour, la seule charge utile non intrusive capable d’effectuer des mesures radiatives sans limitations liees a la contamination par les poussieres et gaz d'ablation. L’instrument peut aussi fournir des mesures de la recession, de la sublimation et du gonflement du TPS avec une precision d'au moins 0,2 mm. Le fonctionnement de l'appareil a ete demontre pour une grande variete de conditions de test, y compris differents profils d'enthalpie, melanges de gaz et materiaux de TPS.