”Développement d’un instrument de mesure basée sur la FFE (Fluorescence par Faisceau d’Electrons)

Les écoulements hypersoniques à haute enthalpie et à basse densité rencontrés lors d’une rentrée atmosphérique (terrestre ou martienne) présentent des phénomènes thermochimiques et radiatifs très complexes. Suite aux excitations et échanges d’énergies entre les niveaux internes des espèces chimiques présentes, on observe des phénomènes d’ionisations, de dissociations, de recombinaisons moléculaires, de transferts radiatifs, etc. Une bonne compréhension de ces phénomènes permettrait de mieux maitriser l’interaction d’un véhicule spatial avec son environnement. Les moyens clés pour arriver à cette compréhension sont la simulation et la caractérisation expérimentale de ces écoulements en soufflerie et en vol.

Pour la caractérisation, divers moyens de mesure sont utilisés, le but final est de construire une base de données des phénomènes mis en jeu. Souvent pour ces écoulements, les moyens de mesures classiques (sondes Pitots, thermocouples, balances d’efforts) ne suffisent pas à donner toutes les informations requises, en particulier dans le gaz loin de la surface du véhicule, on a donc cherché des méthodes nouvelles. Le caractère non-intrusif des méthodes optiques a été déterminant dans l’orientation de notre choix de technique de caractérisation.

Parmi ces méthodes de diagnostic, la Fluorescence par Faisceau d’Electrons (FFE) nous a semblé particulièrement bien adaptée à l’étude des écoulements gazeux à basses densités représentatifs de la haute atmosphère. Cette technique utilise un faisceau d’électrons hautement énergétique pour exciter les molécules du gaz et l’étude de la fluorescence induite permet d’accéder aux propriétés physico-chimiques du gaz. Ce moyen de diagnostic optique fournit une mesure locale simultanée de plusieurs paramètres tels que: densités, températures, concentrations d’espèces et vitesses d’écoulement.

L’histoire de la FFE commence avec Muntz [0.1] à [0.4] qui, dans les années 1950, y a consacré une grande partie de ses recherches en aérodynamique. Celles-ci, ont abouti à la publication d’un ouvrage faisant aujourd’hui référence en aérodynamique des milieux raréfiés [0.1]. Dans les années 1970, divers travaux, notamment ceux de Lengrand [0.5] dans des souffleries du CNRS à Meudon, ont permis d’améliorer cette technique sur des écoulements d’air et d’azote. Mohamed [0.6] et [0.7] a également utilisé dans ses travaux de thèse publiés en 1991, un prototype de canon à électrons pour sonder des rafales dans la soufflerie basse enthalpie R5ch à l’ONERA-Meudon et à haute enthalpie dans les souffleries F4 de l’ONERA et (LBK) du DLR [0.8] avec des gaz et mélanges à base de N2 et NO. Au milieu des années 90, Farley et Cattolica [0.9] ont initié l’étude de la fluorescence de dioxyde de carbone (CO2) excité par impact d’électrons dans le cas d’une étude de composition de l’atmosphère de la planète Mars.

La caractérisation des écoulements hypersoniques 

Le développement d’un véhicule de transport aérospatial nécessite une recherche couvrant toutes les phases de la mission spatiale : de la conception du véhicule et des instruments de mesures embarqués, à leur développement en laboratoire, à leur test de qualification en soufflerie ainsi qu’à l’analyse et l’interprétation des données des expériences en vol. La caractérisation des écoulements hypersoniques consiste à étudier la composition chimique des gaz ainsi que les phénomènes physico chimiques du milieu en réaction. Les paramètres à mesurer sont les densités (pression ou concentration d’espèces), les températures et les vitesses d’écoulement ou les paramètres composés comme le nombre de Mach, les flux thermiques, les efforts aérodynamiques, etc.

La rentrée atmosphérique terrestre et la rentrée martienne 

L’étude des écoulements gazeux a débuté au début du XXème siècle avec les débuts de l’aviation puis s’est étendue aux vols dans les couches plus lointaines de l’atmosphère terrestre et d’autres planètes du système solaire. La caractérisation en rentrée atmosphérique à des vitesses très élevées est plus récente; elle visait l’étude des interactions entre le véhicule et les milieux traversés.

Lors d’une rentrée atmosphérique à grande vitesse (jusqu’à Mach 20), le freinage dans les couches denses de l’atmosphère s’accompagne d’un échauffement important de l’air autour du véhicule. C’est l’un des moments critiques de la mission car une mauvaise trajectoire ou une mauvaise protection thermique seraient rédhibitoires. Si l’angle de pénétration est trop important, le bouclier thermique, qui peut résister à une température de 3000°C avec la technologie actuelle, subira un échauffement important. La protection du module de rentrée atmosphérique (Terre Figure 1.1 (a) ou Mars Figure 1.1 (b)) passe ainsi par une recherche aussi bien sur les matériaux de protection thermiques que sur les conditions de rentrée atmosphérique, à savoir les densités, concentrations d’espèces et les températures. La caractérisation des écoulements hypersoniques, des échanges d’énergie et autres phénomènes physiques permet de mieux prévoir les différentes phases de cette rentrée.

Dans une onde de choc, à haute enthalpie, les gaz ne suivent plus la loi des gaz parfaits : ce phénomène est connu sous le nom d’«effets des gaz réels». L’énergie du gaz n’est plus seulement l’énergie cinétique (de translation) des molécules mais elle inclut aussi les énergies internes de vibration et de rotation des molécules. Les échanges entre ces modes sont complexes. Une mesure des températures de vibration de ces molécules nous informe sur l’importance de ces «effets des gaz réels».

L’étude des molécules telles que N2 ou O2 sera complétée par celle de CO et CO2 (rentrée martienne). Nous avons étudié le CO2 dans le cadre d’études consacrées à la planète Mars. En effet, depuis les années 1970, malgré des explorations jugées coûteuses et difficiles, des missions comme Mars Climate Orbiter [1.1], 2001 Mars Odissey [1.2], Mars Exploration Rover [1.3] ou plus récemment les missions Phoenix [1.4], ont pu recueillir des informations sur la «Planète rouge». Les missions d’analyse in-situ de la surface ou de retour d’échantillons sont indissociables d’études sur la phase de rentrée dans l’atmosphère de cette planète.

L’étude en soufflerie 

Il existe principalement deux types de souffleries : les souffleries à rafales et les souffleries continues. Les souffleries continues simplifient les tests mais ne sont généralement utiles que pour les écoulements à basse enthalpie. Elles sont généralement subsoniques ou transsoniques. Pour les applications relatives à l’étude de la dynamique des écoulements haute enthalpie de rentrée atmosphérique on utilise plutôt des souffleries à rafales qui permettent de maintenir des vitesses d’écoulement allant de Mach 1 à Mach 20. Ces installations, à l’image de la soufflerie F4 de l’ONERA (Figure 1.2 (a)), permettent de simuler les conditions de rentrée atmosphérique pour des enthalpies variant entre 2,5 et 17 MJ/kg et des nombres de Mach entre 6 et 20. Son fonctionnement consiste à chauffer un gaz, dans une chambre, par arc électrique. L’ouverture subite d’un col de tuyère placé en aval permet d’établir un écoulement hypersonique pendant 100 millisecondes (schéma du circuit aérodynamique de la soufflerie F4 sur la Figure 1.2 (b)).

La FFE (fluorescence par faisceau d’électrons) : Etat de l’art

Au cours du processus de FFE, des collisions se produisent entre des électrons et les molécules du gaz. L’étude de la physique de ces collisions n’est pas nouvelle. En effet, dès le début des années 1930, des auteurs comme Thomsen (1933) [1.5], Mott&Massey (1952) [1.6] et Massey&Burhop (1952) [1.7], se sont intéressés aux collisions dans des gaz statiques. L’étude des caractéristiques de la luminescence issue de l’excitation de gaz atmosphériques de hautes altitudes par des particules énergétiques tels que les électrons a suscité de nombreuses recherches. Les premières expériences débutent dans les années 1950 avec Grun [1.8] et Schumacher (1952) [1.9] qui affirment que l’étude de la nature de l’émission issue de cette excitation peut donner des informations sur la densité locale. Schumacher appuie cette affirmation en se basant sur une relation de proportionnalité entre l’intensité de la lumière émise et la densité de gaz. Ainsi, dans une publication qui date de 1958 [1.10], Schumacher et Gadamer présentent leurs résultats sur la faisabilité de mesures locales de densité de gaz par l’utilisation d’un faisceau d’électrons dans des écoulements de basses densités de gaz tels que l’air. Tout en soulignant à cette époque encore quelques problèmes techniques relatifs à la maitrise du faisceau d’électrons, ils établissent, à partir d’expériences sur l’air à température ambiante, une courbe d’évolution de l’intensité de fluorescence en fonction de la densité de gaz.

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Table des matières

Introduction
Notations et abréviations
1. Chapitre 1 : Caractérisation des écoulements hypersoniques par la technique de FFE (Fluorescence par Faisceau d’Electrons)
1.1 La caractérisation des écoulements hypersoniques
1.1.1 La rentrée atmosphérique terrestre et la rentrée martienne
1.1.2 L’étude en soufflerie
1.2 La FFE (fluorescence par faisceau d’électrons) : Etat de l’art
1.3 La FFE : Introduction de la technique
1.3.1 La fluorescence
1.3.2 La mesure de la densité de gaz
1.3.3 Les gaz sondés grâce à la technique de FFE
1.3.4 La résolution spatiale
1.3.5 La mesure des températures de vibration et de rotation
1.4 Comparaison de la FFE à d’autres techniques de mesures en hypersonique : Avantages – Limites
1.5 Bibliographie – Chapitre 1
2. Chapitre 2 : Le canon à électrons : Design et assemblage
2.1 Le fonctionnement du canon à électrons à émission secondaire
2.2 Le courant d’ions et le courant d’électrons : plage de pression de fonctionnement
2.3 Le faisceau d’électrons : Dispersion, atténuation et création d’électrons secondaires
2.4 L’assemblage du prototype de canon à électrons
2.4.1 Le prototype EGUN v.1 d’instrument FFE compact
2.4.2 Le pilotage à distance du nouveau prototype EGUN v.2
2.5 Bibliographie – Chapitre 2
3. Chapitre 3 : Etude de la dispersion du faisceau d’électrons
3.1 Théorie des collisions : Sections efficaces de collisions
3.1.1 Les collisions élastiques et inélastiques
3.1.1.1 Les collisions élastiques
3.1.1.2 Les collisions inélastiques
3.1.2 Les sections efficaces différentielles élastiques et inélastiques
3.1.2.1 La section efficace de Rutherford
3.1.2.2 La section efficace différentielle totale
3.1.2.3 Modélisation de la section efficace différentielle : Exemple d’un écoulement N2
3.1.3 La section efficace totale de collision
3.1.4 Le nombre de collisions
3.2 Modélisation de la dispersion du faisceau d’électrons
3.2.1 Résultats expérimentaux
3.2.2 Modélisation de la dispersion du faisceau d’électrons
3.3 Détermination du profil point-à-point de la densité à partir de la dispersion du faisceau d’électrons
3.4 Modélisation de l’intensité du courant d’électrons primaires
3.5 Bibliographie – Chapitre 3
4. Chapitre 4 : Spectroscopie vibrationnelle et rotationnelle : Développement des codes de simulation et d’inversion de spectres de fluorescence
4.1 Modélisation des spectres FFE
4.1.1 L’énergie d’un état moléculaire
4.1.2 Les transitions entre états moléculaires
4.1.2.1 Règles de sélection
4.1.2.2 Longueur d’onde et nombre d’onde d’une transition radiative
4.1.3 L’intensité de fluorescence
4.1.3.1 L’intensité d’une raie
4.1.3.2 L’élargissement de raie
4.1.3.3 La fonction d’appareil et la réponse spectrale
4.1.4 La distribution Boltzmannienne de population
4.1.5 La probabilité d’excitation
4.1.6 Les facteurs Franck-Condon
4.1.7 Le moment de transition électronique
4.1.8 La durée de vie radiative
4.1.9 Les probabilités de transitions vibrationnelles
4.1.10 Les facteurs de branchement entre états rotationnels
4.1.11 Les programmes de simulation SPECVIB et SPECROT
4.2 Validation expérimentale dans une enceinte en statique
4.3 Résultats
4.3.1 Le diazote (N2)
4.3.2 Le monoxyde de carbone (CO)
4.3.2.1 Réseau de 300 traits
4.3.2.2 Réseau de 2400 traits
4.3.3 Le dioxyde de carbone (CO2)
4.3.4 Mélanges de gaz
4.4 Inversion des spectres
4.5 Bibliographie – Chapitre 4
Conclusion

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