Ablation de matériaux carbonés sous très haut flux : étude multiphysique de l'interaction matériau/écoulement

Abstract

La nécessité de protéger les véhicules de rentrée atmosphérique a conduit à la sélection des matériaux carbonés pour les applications les plus extrêmes [1, 2]. Au vu du coût prohibitif des essais en conditions réelles [1], la simulation permet de prédire et comprendre le comportement du matériau lors de la rentrée atmosphérique. Les modèles de l’ablation du carbone n’ont cessé de se complexifier [1, 3, 4, 5, 6]. Cependant, ils ne donnent pas de descriptions fines de la surface du matériau. C’est pour remédier à cela que plusieurs études ont été lancées au Laboratoire des Composites Thermostructuraux (LCTS) [7, 8]. Le Plasmatron du VKI est le moyen à haut flux de chaleur et à haute vitesse utilisé pour cette thèse [9, 10]. Dans cette étude, des échantillons sont testés sous des flux de chaleur allant jusqu’à 2800 kW/m2. Ces essais sur le composite 3D carbone/carbone (Cf/C) ont mené à des résultats très intéressants sur la morphologie du composite lors de l’ablation. Le four à image d’arc est le moyen à très haut flux de chaleur et à convection nulle utilisé au cours de cette thèse. Des flux de chaleurs de 10 MW m-2 ont pu être appliqués à des échantillons de 3D Cf/C. Les observations MEB couplées à la reconstruction numérique du four ont permis de noter les différences entre l’oxydation et la sublimation du composite. Un code de diffusion/ablation est développé depuis plusieurs années au LCTS [7, 11, 12, 13, 14] : AMA. Il permet de simuler l’ablation d’un matériau en carbone. Ce code a été validé par J. Lachaud sans prise en compte de l’écoulement [7]. Un nouveau couplage avec le code Open-Foam [15] a été développé et validé. Le code AMA a été utilisé afin de déterminer les paramètres influençant la rugosité du 3D Cf/C sous un écoulement laminaire.