Flux de chaleur à la paroi et catalycité

Lors de la rentrée atmosphérique, l’écoulement, dont la température a fortement augmenté au passage du choc, va lui-même échauffer la paroi du débris. Cet échauffement peut conduire à l’ablation de la paroi et à une perte de masse pour le débris. La densité de flux de chaleur à la paroi qaero [W · m−2] reçu par le débris de la part de l’air environnant se décompose en un flux convectif qconv, un flux radiatif qrad,in et un flux diffusif qdif f :

qaero= qconv+ qrad,in+ qdif f (2.9) Le flux de chaleur convectif qconv est dû à la simple différence de température entre l’air et la paroi du débris : l’air chaud transmet sa chaleur à la paroi, plus froide, par convection selon l’équation :

4. Aérothermodynamique de la rentrée atmosphérique

où h [W · m−2_·K−1] est le coefficient de convection thermique de l’air, et ∆T [K] est la différence de température entre le fluide et la paroi. Le flux radiatif entrant qrad,in est dû au rayonnement émis par les particules dans l’air. Celles-ci reçoivent de l’énergie au passage du choc, et peuvent ensuite la réémettre sous la forme d’un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement peut impacter la paroi du débris et lui retransmettre son énergie. Inversement, le débris émet lui aussi un rayonnement électromagnétique :

q_rad,out= ε σ Tw4 (2.11)

avec ε (sans unité) l’émissivité de la paroi du débris, σ ' 5,67 × 10−8W · m−2_·K−4 la constante de Stefan-Boltzmann et Twla température de la paroi. Ce flux de chaleur est conséquent lorsque la température Tw et l’émissivité ε sont élevées, et permet de dissiper une partie de la chaleur reçue par le débris lors de la descente, ce qui va diminuer sa température et sa perte de masse. Enfin, le flux diffusif qdif f est dû à la diffusion des espèces dissociées à la paroi, et aux réactions chimiques qui peuvent en découler : la paroi peut agir comme un catalyseur, en facilitant la recombinaison des particules (atomes, ions et électrons) qui se sont dissociées sous l’effet de la température. En effet, les particules qui impactent la paroi peuvent être réfléchies spéculairement, ce qui ne libère aucune énergie, ou adsorbées, i.e. une liaison se crée entre la particule et la paroi. Une fois la particule adsorbée, elle peut interagir avec une autre particule adsorbée (mécanisme de Langmuir-Hinshelwood) ou par collision avec une particule incidente (mécanisme de Eley-Rideal), pour se recombiner en atome ou en molécule. Cette recombinaison étant généralement exothermique, il se crée un dégagement de chaleur au niveau de la paroi du débris, qui peut augmenter sa température. L’intensité du flux diffusif est directement lié à la catalycité de la paroi, c’est-à-dire sa capacité à servir de catalyseur pour les réactions de recombinaison. En fonction du matériau, la paroi peut être totalement catalytique (toutes les particules qui atteignent la paroi se recombinent ; le flux de chaleur diffusif est élevé), totalement non catalytique (la paroi est inerte, les particules ne se recombinent pas en l’atteignant ; le flux diffusif est nul) ou partiellement catalytique (une partie des particules se recombinent ; le flux de chaleur diffusif est non nul, mais inférieur au flux d’une paroi totalement catalytique). Dans la pratique, on estime que les matériaux métalliques sont plutôt catalytiques, et que les autres matériaux sont partiellement catalytiques, à des degrés divers. De plus, la température de paroi exacerbe la catalycité de la paroi. En d’autres termes, un matériau métallique qui ne serait pas totalement catalytique pourrait le devenir pour une température de paroi élevée. Lors des rentrées atmosphériques de débris, les écoulements ne sont pas ionisés, et la catalycité de la paroi pour les ions et les électrons n’a pas d’influence sur le flux diffusif. Dans la suite de la thèse, le terme « catalycité » désigne uniquement la catalycité de la paroi pour les atomes. De plus, dans le cas d’une rentrée atmosphérique de débris, le flux de chaleur radiatif émis par le gaz qrad,in est négligeable devant les flux convectifs et diffusifs. Dans la suite de la thèse, le flux de chaleur total désigne uniquement la somme des flux convectif et diffusif :

Chapitre 2. Phénomènes physiques liés à la rentrée atmosphérique des débris orbitaux

Conclusion

Dans ce chapitre ont été présentés les principaux phénomènes se produisant lors d’une rentrée atmosphérique de débris orbital. Une étude simplifiée de la mécanique du vol lors d’une rentrée atmosphérique a été réalisée dans la section2, pour en déduire la trajectoire-type de rentrée d’un débris. À partir de cette trajectoire, et des caractéristiques de l’atmosphère terrestre, présentées dans la section3, les phénomènes aérothermodynamiques généraux de la rentrée ont été présentés dans la section 4. Après avoir décrit les différents régimes d’écoulement (moléculaire libre, de transition, glissant, continu), l’aérothermodynamique des écoulements hypersoniques continus a été abordée plus en détail, avec les effets de gaz réels et les différents types de transfert thermique aux parois. Comme indiqué dans la section 1, la simulation d’une rentrée atmosphérique doit se faire en tenant compte de ces différents phénomènes physiques et de leurs couplages éventuels, mais également du temps de calcul qui en résulte. Le chapitre 3 présente les outils existants de simulations de rentrée atmosphérique et les modèles utilisés.

Chapitre

3

Modélisation de la rentrée atmosphérique des