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20 Chapitre 1. Contexte scientifique thermique. Des réactions chimiques de type dissociation ou ionisation peuvent intervenir dans ce processus physique. (a) (b) Figure 1.2 – Images artistiques de l’échauffement occasionné lors de la rentrée (source : NASA) Pour illustrer les conditions sévères de rentrée auxquelles les sondes peuvent être soumises, on regroupe dans le tableau 1.1, les vitesses de rentrée et les flux thermiques reçus, et ce pour différentes planètes du système solaire de la rentrée atmosphérique. Planète Vitesse de rentrée Valeur du flux thermique reçu Vénus 10 km.s −1 2 MW.m −2 Mars 6 km.s −1 4 MW.m −2 Terre 10 km.s −1 6 MW.m −2 Jupiter 47,4 km.s −1 150 MW.m −2 Table 1.1 – Valeurs des flux thermiques pour la rentrée atmosphérique de différentes planètes 1.1.1.2 Les différents régimes d’écoulement Les différents régimes d’écoulements auxquels la sonde spatiale est confrontée lors de la rentrée atmosphérique sont caractérisés en fonction d’un premier paramètre : le nombre de Mach Ma, rapport de la vitesse de la sonde sur la vitesse du son. Lorsque Ma>1, l’écoulement est dit supersonique. Au-delà de Ma>5, l’écoulement est hypersonique. Tout au long de sa trajectoire de rentrée, la sonde va ralentir pour passer du domaine hypersonique au domaine supersonique, puis transsonique (0.8 < Ma < 1.2) et enfin subsonique (Ma 120 km, le régime d’écoulement est le régime moléculaire libre : les collisions sont trop faibles pour qu’il soit possible de décrire le système par les équations de Navier-Stokes
Chapitre 1. Contexte scientifique 21 classiques. L’écoulement est régi par les équations de Boltzmann sans terme collisionnel. Un tel régime est généralement caractérisé par un nombre de Knudsen Kn>10. Le milieu est peu contraignant en termes de pression et de flux thermique. – pour 100 km< h < 120 km, l’écoulement est modélisé par la théorie cinétique des gaz, considérant un nombre de Knudsen compris entre 1 et 10. Les équations de Boltzmann complètes avec terme de collision sont utilisées et le régime est dit moléculaire. Au fur et à mesure de la descente, la densité et le flux de particules augmentent également. – pour 80 km< h < 100 km, peu à peu, le nombre d’atomes et de molécules atteint une valeur telle que le milieu peut être considéré comme continu sauf dans les régions à forts gradients, par exemple en proche paroi. Dans ces zones, la longueur caractéristique de l’écoulement reste faible devant le libre parcours moyen (couche de Knudsen). Le régime est alors transitionnel et le nombre de Knudsen compris entre 0.01 et 1. – pour h < 80 km, la fréquence de collisions devient très élevée (10 11 collisions par seconde), elle est caractérisée par un nombre de Knudsen inférieur à 10 −2 . Le régime devient continu, il est représenté par les équations de Navier-Stokes. À partir de cette altitude, l’ablation du bouclier intervient. De plus, pour h compris entre 30 et 80 km, l’écoulement autour de la sonde spatiale est plutôt laminaire, alors qu’il devient turbulent pour h < 30 km. La figure 1.3 résume les différents régimes d’écoulement qu’une sonde va rencontrer lors de sa rentrée atmosphérique. Pour notre étude nous allons nous concentrer sur des altitudes de rentrée inférieures à 30 km où l’ablation et la turbulence coexistent. Nous nous plaçons ainsi dans le domaine d’application du régime continu pour la résolution des équations de la mécanique des fluides. Figure 1.3 – Régimes d’écoulement en rentrée atmosphérique
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