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Thèse Année : 2023

Aerodynamic interactions of space debris during atmospheric re-entry : experimental study in rarefied flow regime

Interactions aérodynamiques de débris spatiaux lors de la rentrée atmosphérique : étude expérimentale en régime raréfié

Résumé

This thesis deals with the experimental study of space debris entering the atmosphere at altitudes of the order of 90 km, where the air, low in density, is said rarefied. At these altitudes, the air gradually becomes denser, leading to intense thermal and pressure loads. In most of the cases, the debris will fragment. While the smaller fragments will vaporise in the air, the larger ones will penetrate further into the atmosphere and possibly reach the Earth's surface. This raises concerns about the human and environmental risks. It is therefore essential to know the precise area and date of impact. Two elements make this determination difficult: the interactions between fragments of debris, and the poor knowledge of rarefied flows. Indeed, within a debris cloud, fragments can evolve in close proximity to each other, causing aerodynamic interactions. In the case of secondary debris evolving in the wake of primary debris, aerodynamic interactions can induce severe aerothermodynamic conditions (dynamic pressure, heat flux), a "surfing" phenomenon on the primary shock wave, or a modification of the aerodynamic coefficients of secondary debris. These different impacts on the debris will result in the modification of its trajectory and therefore its impact. In the case of fragmentation occurring at high altitude, the aerodynamic interactions will concern the rarefied flow regimes (slip, transitional), characterised by the Knudsen number. These regimes, which are still not well known, require a major scientific effort to characterise them. Current calculation codes still struggle to identify, in particular, the slipping conditions at the wall of objects, which makes it difficult to take into account the viscous effects coming directly from the rarefaction level. As a result, the prediction of impact is still not very accurate and known far too late. Currently, very little work has been carried out under these flow conditions and for configurations of interest: shape and position of debris, Mach and Knudsen numbers. The objective of this thesis is to address this need, by experimentally studying the aerodynamic interactions between two spherical objects, and more particularly, the resulting shock/shock interactions. This experimental study is carried out in the MARHy wind tunnel, which allows the generation of low density supersonic and hypersonic flows. Thanks to different experimental devices, the shock/shock interactions can be evaluated visually, but also in terms of aerodynamic forces and parietal pressures. To better understand the local rarefaction effects of a flow, different ratios of sphere diameters were studied. Similarly, the effects of global rarefaction could be evaluated with an iso-Mach study (Mach 4) but different Knudsen numbers, made possible by interchangeable nozzles. Finally, a rarefied hypersonic study (Mach 20) showed a strong increase in viscous effects. These experiments allowed a better understanding of the role of rarefaction effects on the aerodynamic interactions between two spheres. The acquisition of this important experimental database will enrich the calculation codes considering supersonic and hypersonic flows at high altitudes, and in the long term, improve the prediction of terrestrial impacts.
Cette thèse porte sur l'étude expérimentale des débris spatiaux pénétrant l'atmosphère à des altitudes de l'ordre de 90 km, où l'air, peu dense, est dit raréfié. A ces altitudes, l'air se densifie peu à peu, menant à d'intenses charges thermiques et de pression. Contraints à ses efforts, les débris vont, dans la majorité des cas, se fragmenter. Si les petits fragments se vaporisent dans l'air, les plus gros vont pénétrer plus amplement l'atmosphère, et possiblement atteindre la surface terrestre. L'inquiétude se pose quant aux risques humains et environnementaux. Il est donc primordial de connaître avec précision la zone et le date d'impact. Deux éléments rendent cette détermination difficile : les interactions entre fragments de débris, et la faible connaissance des écoulements raréfiés. En effet, au sein d'un nuage de débris, les fragments peuvent évoluer à proximité les uns des autres, provoquant des interactions aérodynamiques. Dans le cas d'un débris secondaire évoluant au sein du sillage d'un débris primaire, les interactions aérodynamiques peuvent induire des conditions aérothermodynamiques sévères (pression dynamique, flux thermique), un phénomène de « surf » sur l'onde de choc primaire, ou une modification des coefficients aérodynamiques des débris secondaires. Ces différents impacts sur les débris auront comme conséquence la modification de leur trajectoire et donc de leur impact. Dans le cas d'une fragmentation se produisant à haute altitude, les interactions aérodynamiques vont concerner les régimes d'écoulements raréfiés (de glissement, de transition), caractérisés par le nombre de Knudsen. Ces régimes, encore peu connus, nécessitent toujours un gros effort scientifique pour les caractériser. Les codes de calculs actuels peinent encore à identifier, notamment, les conditions de glissement à la paroi des objets, ce qui rend difficile la prise en compte des effets visqueux provenant directement du niveau de raréfaction. En conséquence, les prédictions d'impacts sont encore peu précises et connues bien trop tardivement. A l'heure actuelle, très peu de travaux ont été menés dans ces conditions d'écoulement et pour des configurations d'intérêt : forme et position des débris, nombres de Mach et de Knudsen. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin, en étudiant expérimentalement les interactions aérodynamiques entre deux objets sphériques, et plus particulièrement, les interactions choc/choc en découlant. Cette étude expérimentale est réalisée dans la soufflerie MARHy qui permet de générer des écoulements supersoniques et hypersoniques de faible densité. Grâce à différents dispositifs expérimentaux, les interactions choc/choc ont pu être évaluées visuellement, mais également en termes de forces aérodynamiques et pressions pariétales. Pour mieux comprendre les effets de raréfaction locale d'un écoulement, différents ratios de diamètres de sphères ont été étudiés. De même, les effets de raréfaction globale ont pu être évalués avec une étude iso-Mach (Mach 4) et différents nombres de Knudsen, rendue possible grâce des tuyères interchangeables. Enfin, une étude hypersonique (Mach 20) raréfiée a mis en évidence une forte augmentation des effets visqueux. Ces expériences ont permis une meilleure compréhension du rôle des effets de raréfaction sur les interactions aérodynamiques entre deux sphères. L'acquisition de cette importante base de données expérimentales pourra enrichir les codes de calculs considérant les écoulements supersoniques et hypersoniques de hautes altitudes, et à long terme, améliorer la prédiction des impacts terrestres.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04540623 , version 1 (10-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04540623 , version 1

Citer

Vincente Cardona. Aerodynamic interactions of space debris during atmospheric re-entry : experimental study in rarefied flow regime. Physics [physics]. Université d'Orléans, 2023. English. ⟨NNT : 2023ORLE1059⟩. ⟨tel-04540623⟩
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