offre de thèse

  • Doctorat
  • Paris
Nom de l'entreprise / du laboratoire: Université Paris-Saclay / laboratoire EM2C
Adresse web: https://www.adum.fr/as/ed/voirproposition.pl?site=adumR&matricule_prop=40655
Encadrant: Sean MCGUIRE et Christophe LAUX
Date de début: octobre 1, 2022
Durée: 3 ans

– voir PDF pour les références et les figures

– Les candidats intéressés peuvent postuler ici : https://www.adum.fr/as/ed/voirproposition.pl?site=adumR&matricule_prop=40655

Contexte : La compréhension de l’écoulement complexe d’un plasma autour d’une capsule spatiale entrant dans l’atmosphère d’une planète est cruciale afin de concevoir des véhicules fiables. A ce jour, une meilleure compréhension de ces phénomènes est nécessaire. Une capsule peut entrer dans l’atmosphère d’une planète dans l’enveloppe du vol hypersonique avec des vitesses de 10 à 15 km/s [1]. Le choc intense qui se forme en avant de la capsule comprime et échauffe fortement le gaz. La température élevée cause un certain nombre de phénomènes d’ionisation, de dissociation moléculaire, d’excitation et de rayonnement. Les boucliers thermiques sont conçus dans le but de protéger la capsule de l’intense flux thermique, convectif et radiatif, produit par le plasma autour du véhicule.

L’un des problèmes clés à ce jour concerne le flux radiatif sur l’arrière-corps de la capsule (voir figure 1). La forte expansion hydrodynamique entre l’avant et l’arrière-corps de la capsule entraine un refroidissement rapide du plasma, qui induit un départ de l’équilibre thermodynamique [2, 3]. Les phénomènes hors-équilibre influencent l’écoulement d’arrière-corps et le flux thermique, en particulier radiatif, vers la surface de la capsule. A titre d’exemple, les comparaisons entre les simulations et les mesures des radiomètres sur l’arrière-corps de la mission FIRE II ont mis en exergue des différences de l’ordre de 100% à certains endroits de la surface [4]. Il est important de réduire cette incertitude pour réduire la masse du bouclier thermique, et ainsi réduire les coûts de mission ou augmenter la charge utile embarquée pour la mission.

Afin de réduire l’incertitude liée au flux thermique d’arrière-corps, il est nécessaire de comprendre la cinétique de recombinaison du plasma pendant l’expansion de l’avant- à l’arrière-corps. Ceci requiert la compréhension de la cinétique chimique de recombinaison du plasma et l’impact de cette cinétique sur l’écoulement.

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Figure 1: (gauche) Entrée atmosphérique type. Les valeurs indiquées correspondent à la mission Stardust (NASA 1999). q désigne le flux de chaleur, convectif et radiatif, vers la surface de la capsule. (droite) Torche à plasma du laboratoire EM2C avec tube refroidi à l’eau en sortie. Le tube est conçu pour refroidir le plasma rapidement, et ainsi promouvoir la recombinaison du plasma initialement dissocié dans la torche.

Objectifs de la thèse : Cette thèse s’appuiera sur des travaux effectués par notre équipe sur les plasmas de recombinaison dans l’azote, l’air et le dioxyde de carbone, pour des applications liées aux entrées atmosphériques sur Terre ainsi que sur Mars et Venus. Les travaux menés précédemment [5-12] utilisaient une torche à plasma radio fréquence de 50 kW à couplage inductif. Cette torche produit un plasma en équilibre à pression atmosphérique et à 7000 K, c’est-à-dire proche des conditions de l’avant-corps lors de l’entrée atmosphérique. Un tube refroidi est placé à la sortie de la torche (Figure 1). Le gaz se refroidit rapidement en traversant le tube, ce qui permet de modéliser la recombinaison du gaz entre l’avant et l’arrière-corps. Des diagnostics optiques sont utilisés pour l’étude de la cinétique et des propriétés du plasma pendant la recombinaison. Ce travail a été effectué avec des mélanges de N2, CO2 et d’air et a permis une meilleure compréhension des processus de recombinaison.

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Figure 2: Tube refroidi, monté en sortie de la torche, afin de rapidement refroidir le plasma. Des diagnostics optiques en sortie du tube (flèche rouge) permettent de déterminer l’état du plasma, en particulier son degré de recombinaison et l’écart à l’équilibre thermodynamique.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la cinétique de recombinaison des plasmas de CH4, CH4/N2, CO2 et CO2/air. Les mélanges de CH4 et CH4/N2 sont pertinents pour les missions vers Titan, l’atmosphère y étant composé d’azote moléculaire et de méthane. L’utilisation du CO2 se justifie par les missions vers Mars, l’atmosphère y étant composée principalement de CO2 (95.3%). Le mélange CO2/Air est pertinent pour la rentrée atmosphérique terrestre car il permet l’étude des cinétiques chimiques liées aux espèces ablatives grâce à l’inclusion du carbone dans le mélange. Dans tous les cas, notre objectif est d’étudier les dynamiques de recombinaison du plasma. Ces dynamiques seront cruciales pour la conception des boucliers thermiques des futures missions habitées vers Mars, ces missions dépendant de façon crique du poids et du coût du bouclier de protection thermique [13]. L’étude des cinétiques pertinentes de la recombinaison nécessitera l’utilisation de diagnostics optiques, spectroscopiques et lasers, pour mesurer les profils de température et la composition des espèces chimiques. Cette thèse sera principalement expérimentale et fournira des mesures pouvant être comparées aux prédictions de modèles cinétiques.

Moyens expérimentaux : Les expériences seront effectuées avec la torche à plasma de 50 kW du laboratoire EM2C. L’étudiant(e) bénéficiera de l’expertise de l’équipe plasma du laboratoire EM2C pour le développement et l’utilisation de nombreux diagnostics optiques et lasers : spectroscopie d’émission quantitative (OES), spectroscopie Rayleigh/Raman, spectroscopie Thompson, fluorescence induite par laser plane (PLIF), spectroscopie d’absorption mid-IR, et autres selon les besoins de l’étude. Une partie de cette thèse se concentrera sur les mesures par spectroscopie d’émission quantitative. Le CH4 et le CO2 émettent fortement à des longueurs d’ondes infrarouges. Notre étude se concentrera donc en partie sur ces régions du spectre. La région infrarouge a un intérêt tout particulier dû au fait qu’elle contient de l’information sur les états fondamentaux. D’autres espèces dérivées du CH4, du CO2 et du N2 émettent dans le visible et l’ultraviolet. Les spectres d’émission à ces longueurs d’ondes donnent de l’information sur les états excités. Les spectres mesurés pourront être comparés aux spectres théoriques afin de déterminer des paramètres tels que la température ou la concentration en CO2 et CO. L’étudiant utilisera des méthodes numériques pour l’analyse de ses résultats expérimentaux. D’autres mesures seront faites par diagnostic laser. Deux techniques d’intérêts sont la spectroscopie Thompson pour les mesures de la densité des électrons et Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS) pour les mesures des températures vibrationelle/rotationelle moléculaires. Enfin, l’étudiant bénéficiera de l’expertise de l’équipe sur la modélisation spectroscopique et cinétique des plasmas de recombinaison, en particulier pour l’air, azote et CO2. Ceci garantira que les mesures effectuées aboutiront à une meilleure compréhension de la cinétique des plasmas de recombinaison.

Description détaillée:

Pour postuler, envoyez votre CV et votre lettre de motivation par e-mail à sean.mc-guire@centralesupelec.fr