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Etude expérimentale de l'interaction de plasmas d'air avec des matériaux présents dans les débris spatiaux

Description

Lors de la rentrée de débris spatiaux dans l'atmosphère terrestre, les conditions thermodynamiques provoquées par l'interaction matière-gaz à haute vitesse conduisent au fractionnement et à la destruction d'une grande partie de ces débris. Certains matériaux cependant ont un point de fusion suffisamment élevé pour que leur destruction soit incertaine en fonction des conditions de rentrée. C'est le cas des vitrocéramiques (Zerodur), des composites de carbone et de résines époxydes (CFRP) et de certains alliages de nickel (Invar, Inconel). En interaction avec le plasma généré derrière l'onde de choc hypersonique, la surface peut se déliter thermiquement avec ou sans changement de phase ou être le siège de réactions chimiques d'oxydation. Les modèles actuellement utilisés, par exemple par le logiciel DEBRISK, permettent de prendre en compte efficacement les phénomènes d'oxydation et les transferts d'énergie et de masse afférents pour la plupart des matériaux. Des incertitudes apparaissent néanmoins pour les types de matériaux cités plus haut pour lesquels l'évolution de l'émissivité, les processus d'oxydation et le comportement à l'approche du point de fusion sont mal connus. Le sujet proposé inclut la reproduction expérimentale de l'interaction d'un plasma d'air avec des matériaux pouvant poser des problèmes de prédiction. Le comportement instationnaire des matériaux sera particulièrement étudié pour identifier et expliciter les modes de destruction. Durant cette phase, la température et la luminance de la surface seront analysées en fonction du temps (vidéo, thermographie, pyrométrie) de façon à mettre en évidence des corrélations entre les variations d'émissivité de la surface, les épisodes de destruction et les conditions plasmas environnantes. Les évolutions de la température cinétique et de la densité d'oxygène atomique seront suivies en temps réel par fluorescence induite à deux photons. Le plasma et la couche limite seront également caractérisés en régime stationnaire par d'autres techniques de diagnostic optique et laser. Les flux reçus par la surface seront également enregistrés pendant la durée d'exposition au plasma. Des études en conditions plasmas variables seront également menées. Des analyses des matériaux seront réalisées en coopération étroite avec le laboratoire GPM (UMR CNRS) de l'Université de Rouen, avec lequel un travail sur l'oxydation du SiC est déjà en cours axé sur les analyses de surface et l'évolution des couches d'oxyde, et le laboratoire PROMES (UPR CNRS, Odeillo) pour ce qui a trait à la caractérisation de l'émissivité des échantillons survivants grâce au moyen d'essai Mediase tel que réalisée dans le cadre de la thèse de Lucile Barka. Une complémentarité sera particulièrement recherchée avec ce dernier laboratoire par rapport à ses propres études en atmosphères oxydantes. Enfin, l'expérience acquise par le laboratoire sur les cinétiques réactionnelles dans les plasmas d'air sera mise à profit pour élaborer des modèles d'oxydation et de réactivité chimique, dans les conditions d'essai en laboratoire et dans les conditions de rentrée. Les résultats expérimentaux et théoriques seront confrontés pour une meilleure compréhension des mécanismes d'interaction plasma-matériau.

Profil

Le candidat, issu d’une formation universitaire ou d’une grande école, aura réalisé un master soit en physique des plasmas, en physique des matériaux à hautes températures ou en sciences pour l’ingénieur.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CORIA UMR CNRS 6614
Directeur(rice) de thèse/recherche : BULTEL Arnaud
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : arnaud.bultel@coria.fr
Responsable Cnes de l'offre : ANNALORO Julien

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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