Caractérisations à très hautes températures de protections thermiques sous impact normal d'un jet chaud supersonique : influence du couplage aérothermique et des propriétés matériaux sur la tenue à l'ablation
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Abstract EN:
This study is focused on the characterizations of the ablative properties of different thermal protections for very high temperatures applications. Using a specific characterization method, the physical mechanisms involved during the ablation process have been identified. Two different test benches with a normal gas flow have been used in this investigation. The first one is laboratory test bench based on an oxyacetylene torch (conditions termed "thermal ablation" with a 3000°C gas temperature). The second one is a large scale facility producing a hot supersonic gas flow (Mach number = 3) and a temperature about 2000°C, leading to an "aerothermal ablation". Various composite materials have been tested by mixing different matrices, different architectures and different kind of fibers. Under thermal ablation condition (oxyacetylene torch), mass loss and surface recession are due to the thermo-oxidation reactions occurring both in the matrix and in the fibers. Once the pyrolysis reaction completed, a volatilization of the composite during the exposure is observed. In contrast, under aerothermal ablation conditions, surface recession is observed prior to the completion of the oxidation/pyrolysis reactions. Under such conditions, the degradation of local mechanical properties associated with the strong mechanical impact of the supersonic jet on the material leads to ablation. In parallel, a numerical model of ablation has been developed. One of the main requirements was to develop an engineering tool to design various types of thermal protection systems (e. G. Organic composite, ceramic composites…) and hence various ablation processes. This model is based on the oxidation/pyrolysis reactions kinetics. It has been identified for one composite material whose thermal parameters (i. E. Thermal conductivity, specific heat, density) have been fully characterized as a function of temperature and degradation state. First numerical simulations were compared to the experimental results on the oxyacetylene torch test to validate the model for a future extension of ablation modelling under aerothermal conditions.
Abstract FR:
Cette thèse est focalisée sur la caractérisation des propriétés ablatives de protections thermiques très hautes températures. Deux configurations expérimentales avec impact de jet normal à la surface ont été mises en oeuvre : l'une est basée sur une torche oxygène/acétylène (ablation qualifiée de "thermique", T = 3000°C) à l'échelle de laboratoire alors que la seconde configuration, à plus grande échelle, superpose un écoulement supersonique (Nombre de Mach = 3) à une forte température de gaz (T = 2000°C). Cette dernière configuration engendre donc une ablation qualifiée d'"aérothermique". Divers matériaux composites ont été étudiés en utilisant divers types de fibres, diverses matrices et des architectures variées. Sous le jet oxyacétylénique, l'ablation thermique est régie principalement par la thermo-oxydation du matériau (matrice puis fibres) avec une érosion mécanique limitée. La réaction de pyrolise se déroule dans son intégralité jusqu'au changement d'état total du matériau. A l'inverse, en conditions couplées aérothermiques, le jet impactant engendre une forte érosion de la surface du matériau avant le terme des réactions chimiques de pyrolyse (pour des matériaux à matrice polymère). Il semble qu'un critère mécanique local soit le principal facteur contrôlant la cinétique de récession sous ces conditions. En parallèle de ces essais expérimentaux, la caractérisation poussée de l'un des composites étudiés a été réalisée (identification de ses paramètres thermo-physiques en fonction de la température et de l'avancement de la réaction de pyrolyse), permettant le développement d'un modèle d'ablation thermique de type "ingénieur" fondé sur une cinétique d'avancement global des réactions chimiques gouvernant l'ablation. Les résultats ont été corrélés aux essais expérimentaux réalisés sous torche oxyacétylène en vue d'une future validation du modèle pour une extrapolation en conditions couplées aérothermiques.