Etude microphysique des transferts d'énergie lors des phénomènes de rentrée atmosphérique

Cette thèse a pour objet l'étude précise du phénomène de recombinaison hétérogène qui génère un surplus de chaleur au voisinage des boucliers de protection thermique lors des rentrées atmosphérique. Outre la complexité du problème aérothermique, il est nécessaire de prendre en compte les déséquilibres chimiques induits par la couche de chocs précédant le nez des engins spatiaux. En prenant en compte la particularité des essais de caractérisation au sol des matériaux, à savoir des jets de plasma afin de reproduire les écoulements à haute enthalpies, nous avons mené une étude sur les différents modèles de catalycité, qui a souligné le manque cruciale de données quant aux paramètres utilisés. En nous basant sur un cas un peu plus académique, un obstacle en cuivre placé dans un « plasma » d'oxygène dissocié, une étude parallèle de l'échelle macroscopique et microscopique a été mise en place afin d'obtenir une compréhension fine des phénomènes. L'outil numérique AQUILON a été validé pour la simulation du jet de plasma sur l'obstacle en cuivre. Une étude théorique de l'adsorption d'un atome d'oxygène sur une surface de cuivre a été réalisée permettant d'aboutir a des résultats de dynamique moléculaire permettant d'obtenir des informations sur les échanges d'énergies, le déplacement des atomes à la surface et l'énergie d'adsorption.We made a fine study of the heterogenous recombination, phenomena that involves a thermal overload in the vincinity of thermal protection system during atmospheric re entry. Considering the ground test configuration of inductive plasma torch, a study of catalytic models showed a lack of information concerning the microphysic parameters. We choose a simple case, a copper probe in an oxygen plasma jet, in order to investigate both macroscopic and microscopic scale. The goal was to obtain a better knowledge of this phenomena. The numerical tool AQUILON was used to perform the simulation of the plasma jet over the copper probe. A study of the adsorption of atomic oxygen on an copper surface Cu(100) was made using VASP and molecular dynamic to obtain informations on the energy exchange, the movement of atom on the surface

Etude en laboratoire de grains extraterrestres et de leurs analogues de synthèse

L étude en laboratoire de matériaux extraterrestres provenant d objets ayant peu ou pas évolué depuis leur formation il y a environ 4.6 milliards d années, peut améliorer notre connaissance sur les débuts de notre système planétaire. Par ailleurs, la simulation en laboratoire de certains processus que ces matériaux sont susceptibles de subir au cours de leur histoire apporte également de précieuses informations pour l interprétation des données issues des observations astronomiques ainsi que pour la compréhension de l évolution des solides du Milieu Interstellaire jusqu à leur incorporation dans des objets planétaires, objets incluant aussi toutes sortes de débris tels que les astéroÏdes, les comètes et toutes sortes de poussières accessibles à la collecte et/ou à l observation.Au cours de cette thèse, l analyse des matériaux organiques ainsi que des matériaux silicatés, jusqu alors peu étudiés conjointement, dans les poussières stratosphériques d origine cosmique, révèle une corrélation entre la minéralogie des grains et la longueur des chaînes carbonées. Ce lien ne semble pas le fruit de processus à la surface des corps parents des grains mais semble plutôt tracer des processus pré-accrétionnels. La conservation de composants peu altérés sur les corps parents dans les matériaux extraterrestres est encore une fois confirmée par la découverte, au cours de cette thèse, d inclusions dans la météorite carbonée Paris dont les spectres infrarouges sont très similaires à ceux des composés carbonés observés dans le Milieu Interstellaire. L étude de grains cométaires issus de la mission spatiale Stardust a montré, contrairement à l idée que les comètes soient composées uniquement de matériaux primitifs puisque conservés dans un réservoir froid, que celles-ci contiennent aussi un certain nombre de matériaux formés à haute température, confirmant alors de précédentes analyses d échantillons de Stardust et impliquant des échanges de matériaux à grande échelle radiale dans le jeune Système solaire.La deuxième partie de ce travail, consacrée à l étude d analogues de matière extraterrestre, porte sur le rôle qu ont pu jouer les matériaux à partir desquels les planètes telluriques se sont formées dans l apport de l eau sur la Terre dans le cadre du scénario dit de wet accretion . Les expériences effectuées au cours de cette thèse visant à simuler les interactions entre silicates et vapeur d eau ont montré que ces matériaux permettent de stocker d importantes quantités d eau à leur surface par adsorption des molécules de la phase gazeuse.Laboratory analyses performed on extraterrestrial materials originating from primitive bodies of our Solar System, that are bodies known to have suffered low alteration since their formation 4.6 billion years ago, can improve our knowledge on processes that have occurred in the early phase of our planetary system. Furthermore, laboratory simulations of some processes that these materials are likely to suffer during their life cycle also bring precious indications for interpreting observational data as well as for understanding the evolution of solids from the Interstellar Medium to their incorporation into planetary bodies, these latter including asteroids, comets and all kinds of dust that may be observed and/or collected back to Earth.During this thesis, the analysis of silicate as well as organic materials, which have not been much studied jointly so far, in stratospheric particles of cosmic origin, reveals a correlation between the mineralogy of the grains and the lengths of the chains of their carbonaceous component. This link does not seem to be due to parent body processing but rather to trace pre-accretionnal processes. The preservation of pristine components in extraterrestrial materials slightly altered on their parent bodies is again confirmed by the discovery in this work, of inclusions in the Paris carbonaceous chondrite whose infrared spectra are similar to the interstellar carbonaceous species. The study of cometary grains from the Stardust space mission showed, unlike the common idea that comets should be composed only of primitive materials since they reside in a cold reservoir, that comets do also contain a number of materials formed at high temperature, thus confirming results from previous studies of Stardust samples and implying large-scale radial mixing of materials in the young Solar system disk.The second part of my work, dedicated to experiments on primitive extraterrestrial amorphous silicates analogs, is aimed to study the role that materials from which Earth has accreted could have played in its water budget in the frame of the wet accretion scenario. The experiments performed along this thesis simulating interactions between silicates and water vapor, showed that silicates allow the storage of large quantities of water by adsorption onto their surface of molecules directly from the gas phase.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Calibration Bayésienne et évaluation de modèles et expériences d’interaction gaz-surface pour les plasmas d'entrée atmosphérique

The investigation of gas-surface interaction phenomena for atmospheric entry vehicles relies on the development of predictive theoretical models and the capabilities of current experimental facilities. However, due to the complexity of the physics and the various phenomena that need to be investigated in ground-testing facilities, both numerical and experimental processes generate data subjected to uncertainties. Nevertheless, it remains a common practice in the field of aerothermodynamics to resort to calibration and validation methods that are not apt for rigorous uncertainty treatment.This thesis investigates the process of scientific inference and its ramifications for selected gas-surface interaction experiments. Its main contributions are the improvement and re-formulation of model calibrations as statistical inverse problems with the consequent extension of current databases for catalysis and ablation. The model calibrations are posed using the Bayesian formalism where a complete characterization of the posterior probability distributions of selected parameters are computed.The first part of the thesis presents a review of the theoretical models, experiments and numerical codes used to study catalysis and ablation in the context of the von Karman Institute's Plasmatron wind tunnel. This part ends with a summary on the potential uncertainty sources present in both theoretical-numerical and experimental data. Subsequently, the methods used to deal with these uncertainty sources are introduced in detail. The second part of the thesis presents the various original contributions of this thesis. For catalytic materials, an optimal likelihood framework for Bayesian calibration is proposed. This methodology offers a complete uncertainty characterization of catalytic parameters with a decrease of 20\% in the standard deviation with respect to previous works. Building on this framework, a testing strategy which produces the most informative catalysis experiments to date is proposed. Experiments and consequent stochastic analyses are performed, enriching existing catalysis experimental databases for ceramic matrix composites with accurate uncertainty estimations. The last contribution deals with the re-formulation of the inference problem for nitridation reaction efficiencies of a graphite ablative material from plasma wind tunnel data. This is the first contribution in the literature where different measurements of the same flowfield are used jointly to assess their consistency and the resulting ablation parameters. An Arrhenius law is calibrated using all available data, extending the range of conditions to lower surface temperatures where no account of reliable experimental data is found. Epistemic uncertainties affecting the model definition and ablative wall conditions are gauged through various hypothesis testing studies. The final account on the nitridation reaction efficiency uncertainties is given by averaging the results obtained under the different models.This thesis highlights the fact that the process of scientific inference can also carry deep assumptions about the nature of the problem and it can impact how researchers reach conclusions about their work. Ultimately, this thesis contributes to the early efforts of introducing accurate and rigorous uncertainty quantification techniques in atmospheric entry research. The methodologies here presented go in line with developing predictive models with estimated confidence levels.L'étude des phénomènes d'interaction gaz-surface pour les véhicules d'entrée atmosphérique est basée sur le développement de modèles théoriques prédictifs et sur les capacités des installations expérimentales actuelles. Toutefois, en raison de la complexité de la physique et des divers phénomènes qui doivent être étudiés dans ces installations, les simulations tant numériques qu'expérimentales génèrent des données qui présentent des incertitudes. Cependant, il est courant dans le domaine de l'aérothermodynamique de recourir à des méthodes de calibration et de validation non adaptées à un traitement rigoureux de ces incertitudes.Cette thèse étudie le processus d'inférence scientifique et ses ramifications dans certaines expériences d'interaction gaz-surface. Ses principales contributions sont l'amélioration et la reformulation de la calibration de modèles en tant que problème statistique inverse et l'extension résultante des bases de données actuelles pour la catalyse et l'ablation. La calibration des modèles utilise le formalisme Bayésien où la caractérisation complète des distributions de probabilités postérieures des paramètres sélectionnés est calculée.La première partie de la thèse présente une revue des modèles théoriques, des expériences et des codes de simulation numérique utilisés pour étudier la catalyse et l'ablation dans le Plasmatron, la soufflerie à plasma de l'Institut von Karman. Cette partie se termine par un résumé des sources possibles d'incertitude présentes dans les données théoriques-numériques et expérimentales. Ensuite, les méthodes utilisées pour traiter mathématiquement ces sources d'incertitude sont présentées en détail.La deuxième partie présente les différentes contributions originales de cette thèse. Pour les matériaux catalytiques, une méthodologie de vraisemblance optimale pour l'inférence Bayésienne est développée. Cette méthodologie offre une caractérisation complète de l'incertitude des paramètres catalytiques avec une diminution de 20\% de l'écart type par rapport aux travaux antérieurs. En utilisant cette méthodologie, une stratégie de test produisant les données expérimentales de catalyse les plus informatives à ce jour est proposée. Ensuite, des expériences et des analyses stochastiques sont effectuées, enrichissant les bases de données expérimentales de catalyse existantes pour les composés à matrice céramique à l'aide d'estimations précises de l'incertitude.La dernière contribution est la reformulation du problème d'inférence des efficacités de réaction de l'azote à la surface d'un matériau ablatif en graphite à partir des données de soufflerie à plasma. Il s'agit de la première étude dans la litérature où différentes observations de la même expérience sont utilisées ensemble pour évaluer leur cohérence et les paramètres d'ablation qui en résultent. Une loi d'Arrhenius stochastique est déduite en utilisant toutes les données disponibles, étendant la gamme de conditions à des températures de surface plus basses, là où il n'y a pas de données expérimentales fiables. L'incertitude épistémique qui affecte la définition du modèle et les conditions aux limites d'ablation sont étudiées par des méthodes de test d'hypothèses. L'incertitude finale sur l'efficacité de la réaction azotée est obtenue en moyennant les résultats obtenus avec les différents modèles.Cette thèse met en évidence que le processus d'inférence scientifique peut également imposer des hypothèses sur la nature du problème et avoir un impact sur la manière dont les chercheurs parviennent à des conclusions sur leur travail. En fin de compte, cette thèse contribue aux premiers efforts d'introduction de techniques précises et rigoureuses de quantification de l'incertitude dans le domaine de recherche de l'entrée atmosphérique. Les méthodologies présentées ici permettront in fine le développement de modèles prédictifs avec estimation de niveaux de confiance