Simulation numérique directe de la turbulence en présence d ... - ISAE

Chapitre 1. Contexte scientifique 19
1.1 Phénomènes liés à la rentrée atmosphérique
Ce paragraphe présente les principaux phénomènes physico-chimiques que rencontrent le
bouclier thermique d’une sonde spatiale lors de la rentrée atmosphérique. Cette étape permet
à la capsule de ralentir et s’accompagne d’un fort échauffement thermodynamique. Afin de
garantir l’intégrité de la sonde, des matériaux ablatables sont utilisés pour absorber une partie
de la chaleur produite. Le dimensionnement du bouclier thermique joue un rôle essentiel pour
la réussite des différentes missions spatiales.
1.1.1 Les enjeux de la rentrée atmosphérique
1.1.1.1 Contexte
De nos jours, la collaboration scientifique internationale a pour ambition d’explorer les différentes
planètes composant notre système solaire. Cette exploration planétaire s’effectue par
l’envoi de sondes orbitales capables de déterminer les compositions atmosphériques et de cartographier
la surface de la planète. De plus, des modules sont envoyés à la surface des astres
explorés de manière à analyser le sol et à rapporter des échantillons de roches pour permettre
de mieux les analyser. Ainsi, la maîtrise de la rentrée atmosphérique est devenue un ingrédient
essentiel à la conquête spatiale. La conception du bouclier thermique est une contrainte
forte pour le poids du module car elle limite le matériel d’analyse embarqué et les échantillons
prélevés. Le rôle du bouclier thermique est donc d’assurer la protection de la sonde (Fig. 1.1),
grâce à l’évacuation de l’échauffement aérodynamique par réactions chimiques lors de la rentrée.
L’épaisseur de cette protection doit être suffisante pour, à la fois garantir l’intégrité de la sonde
(et éventuellement l’équipage qui en ferait partie) et permettre une charge utile satisfaisante.
Figure 1.1 – Bouclier thermique de la sonde Galiléo [30]
Lors de la phase de descente, la sonde traverse des couches de gaz de densités très différentes.
Ainsi, pour une rentrée terrestre, la pression de l’air à 90 km d’altitude est 400 000 fois plus
faible que celle au niveau de la mer, alors qu’elle en vaut 1/8 à 30 km d’altitude. Lors de la
traversée de ces différentes couches, une onde de choc incurvée et détachée va se créer devant le
bouclier thermique (Fig. 1.2). Le gaz traversant l’onde de choc est ralenti sur une distance de
l’ordre de quelques libres parcours moyens λ m (distance moyenne parcourue par une molécule
entre deux chocs) et transfère ainsi une partie de son énergie cinétique sur les modes d’énergie
interne des composants du gaz (mode de translation, mode de rotation, mode de vibration,
mode électronique). Une grande partie de l’énergie cinétique est ainsi transformée en énergie