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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Énergétique

Par

Noémie BRÉMARE

Soutenue le 20 octobre 2014

Etude expérimentale du rayonnement d’un plasma hyperenthalpique de dioxyde de carbone et de l’interaction plasma-surface.
Jury

Rapporteur
Marianne BALAT-PICHELIN, Directrice de Recherches - PROMES, Odeillo
Michel VARDELLE, Professeur des Universités - SPCTS, Limoges

Examinateur
Armelle CESSOU, Directrice de Recherches - CORIA, Rouen
Stefan LOHLE, Chargé de Recherches - IRS, Allemagne
Samuel JOUEN, Maître de Conférences - GPM, Rouen

Encadrant
Arnaud BULTEL , Maître de Conférences Habilité - CORIA, Rouen
Pascal BOUBERT, Maître de Conférences - CORIA, Rouen

L’entrée hypersonique d’un engin dans l’atmosphère de Mars entraîne la création d’une onde de choc détachée de la paroi en amont de l’appareil. Cette couche de choc est le lieu de création d’un plasma hors équilibre à haute enthalpie composé d’espèces fortement radiatives (CO2 ,CO, C2, CN, O…). Il est primordial d‘estimer le flux radiatif à la paroi afin d’avoir une protection thermique de l’appareil suffisante dans l’optique d’un futur vol habité vers la planète Mars.

L’objectif de cette thèse est la compréhension de la physico-chimie du plasma dans des conditions thermodynamiques proches de la couche de choc en proche paroi lors d’une entrée martienne.

L’étude se place dans le cas d’un plasma de CO2 en interaction avec un échantillon de SiC. Ce matériau non ablatif est un matériau de référence et constitue une étape vers des matériaux plus complexes de type céramiques hautes températures.

Un des moyens de reproduire en laboratoire les conditions comparables à la couche de choc lors d’une entrée est la torche à plasma inductive. Deux configurations aérodynamiques sont étudiées : le plasma en situation de jet libre ainsi créé et son interaction avec un échantillon de SiC. L’introduction d’une surface dans l’écoulement proche équilibre entraîne la formation d’une couche limite thermique et chimique (liée aux réactions de paroi). La caractérisation de la physico chimie du plasma dans les différentes zones est faite par spectroscopie d’émission. Le rôle des différentes espèces radiatives, CO, C2, C et O, est exposé et la température cinétique du plasma est estimée. L’étude du rayonnement montre le déséquilibre entre le mode de stockage de l’énergie des états excités des espèces radiatives avec la translation. Différents modes de production des états excités sont proposés et les voies privilégiées sont discutées.

Du fait de sa participation à l’oxydation à la paroi, la caractérisation de l’oxygène atomique sur son niveau fondamental par fluorescence induite par laser à deux photons (TALIF) est présentée.

Afin d’avoir des informations supplémentaires sur la physico chimie du plasma, des analyses de surface sont réalisées. Ces analyses et les observations faites par spectroscopie d’émission permettent de conclure sur la présence de carbone à la paroi suite à une oxydation sélective du SiC. Un autre résultat majeur est la présence de structures sous forme de bulles déjà observées dans la littérature et signataires de la transition entre le régime d’oxydation passive et active. Ces régimes d’oxydation sont présentés au cours de l’exposé.

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