Couplage entre écoulements hypersoniques de rentrée atmosphérique et transfert radiatifs : Application aux écoulements de mélanges CO2-N2

Lieu : Laboratoire EM2C, CNRS UPR288, École Centrale Paris, 92295 Châtenay-Malabry
Encadrement EM2C : Anouar Soufiani (anouar.soufiani@ecp.fr), Philippe Rivière (philippe.riviere@ecp.fr)
Encadrement CNES : Pierre Omaly (pierre.omaly@cnes.fr)

Le transfert radiatif devient le facteur limitant pour le dimensionnement des capsules spatiales lorsque celles-ci pénètrent dans des atmosphères planétaires à très grande vitesse. Les flux radiatifs en provenance des gaz dissociés et ionisés dépendent de l’état thermodynamique du plasma formé mais ce dernier dépend également du champ de rayonnement qui constitue des pertes importantes d’énergie ou de dépeuplement des états excités des atomes et molécules. Le but de cette thèse est de développer des modèles et des outils de calcul fiables pour la prédiction de ces transferts radiatifs lors de rentrés de capsules dans les atmosphères contenant des mélanges CO2-N2 (Mars, Venus). Le travail de Thèse comprendra les étapes suivantes :

Première étape :

Développement d’un modèle couplant les aspects collisionnels et radiatifs de façon self-consistante pour prédire l’évolution des états électroniques des atomes et des molécules diatomiques lors de la relaxation derrière un choc droit. Une telle étude fondamentale appliquée à une géométrie très simple permettra de déterminer les mécanismes importants à retenir dans un modèle applicable à des géométries réelles tridimensionnelles.

Deuxième étape :

Développement d’un modèle et d’un code de calcul compressible pour l’écoulement hypersonique réactif, couplé aux transferts radiatifs, autour de capsules de rentrées atmosphériques. Le déséquilibre thermodynamique sera pris en compte à l’aide d’une description multi-températures dans un premier temps, puis à l’aide d’une description état électronique par état électronique dans la suite. Le transfert radiatif tiendra compte de l’ensemble des mécanismes : raies atomiques et moléculaires et continua. On utilisera une méthode de Monte Carlo pour le traitement des aspects géométriques et spectral du transfert radiatif.

Ces études à caractère théorique et numérique seront complétées par une étude expérimentale utilisant une décharge plasma microondes dans un mélange CO2-N2.
Cette installation sera utilisée pour dimensionner deux capteurs Infrarouges destinés à être embarqués sur la sonde Exomars lors d’une rentrée atmosphérique Martienne et à optimiser les fenêtres spectrales de ces capteurs dans des zones spectrales autour de 4,3 et de 2,7 μm. Elle permettra également de compléter les mesures des propriétés radiatives de plasmas de mélanges CO2-N2 déjà réalisées au laboratoire EM2C, en particulier en ce qui concerne les propriétés d’absorption de la molécule CO2 dans le domaine UV, voire VUV.

Profil recherché : école d’ingénieur ou Master 2, connaissances en mécanique des fluides et physique des transferts souhaitées.

Financement : cofinancement CNES

Début de la thèse : septembre ou décembre 2013 avec possibilité de commencer par un stage financé de fin d’études ou de Master dès mars 2013.