Lorsqu’un vaisseau spatial pénètre dans une atmosphère épaisse à grande vitesse, il comprime rapidement le gaz devant lui. Cela crée des températures suffisamment élevées pour ioniser les molécules de gaz en un plasma chaud et dense. Pour se protéger contre les dommages, les engins spatiaux sont généralement recouverts d’un matériau de protection thermique qui brûle de manière contrôlée. Ce processus est appelé ablation. Bien que les matériaux actuels soient efficaces pour les missions actuelles, les missions futures nécessitent de meilleurs boucliers thermiques.
Pour aider à les développer, les scientifiques ont utilisé pour la première fois un appareil connu sous le nom de tokamak pour étudier ce qui arrive à ces matériaux dans un plasma chaud. Dans une série d’expériences, l’équipe a exposé des barres de graphite stationnaires au plasma près du sol du tokamak. Ils ont ensuite injecté de petites pastilles de carbone plus profondément dans le cœur du plasma pour observer comment différents matériaux à base de carbone brûlent dans des conditions pertinentes pour l’entrée des engins spatiaux dans les atmosphères.
Les tokamaks sont des dispositifs en forme de beignet qui peuvent piéger les plasmas avec de forts champs magnétiques. Les scientifiques utilisent principalement ces appareils pour la recherche sur l’énergie de fusion. Les conditions dans un plasma de tokamak peuvent être similaires à celles rencontrées lors de certaines des missions spatiales les plus difficiles jamais tentées, telles que l’entrée de la sonde Galileo dans l’atmosphère de Jupiter. Bien que la mission Galileo ait été un succès, son bouclier thermique occupait environ la moitié de la masse de la sonde. Cela laissait peu de capacité pour les instruments scientifiques.
Développer des boucliers thermiques plus légers et plus avancés nécessite de tester la destruction des matériaux dans des conditions de chauffage extrêmes. Ces conditions sont difficiles à reproduire sur Terre. Ces expériences inédites ont fourni des données indispensables pour l’avancement des matériaux de protection thermique.
Les anciennes approches de test de bouclier thermique utilisant des lasers, des jets de plasma et des projectiles à hypervitesse souffraient du problème qu’aucune méthode unique ne pouvait simuler les conditions de chauffage exactes présentes lors d’une entrée atmosphérique à grande vitesse. Par conséquent, les modèles antérieurs de comportement du bouclier thermique ont parfois surestimé ou sous-estimé la vitesse à laquelle un bouclier thermique perd de la matière, avec des résultats potentiellement désastreux.
Des expériences menées au DIII-D National Fusion Facility, une installation utilisatrice du Département de l’énergie (DOE), ont démontré que le plasma chaud créé par un réacteur à fusion pendant son fonctionnement offre une manière nouvelle et potentiellement améliorée de modéliser le comportement du bouclier thermique, en particulier pour les futures entrées dans Vénus ou les géantes gazeuses. L’équipe comprenait des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, de l’Université d’Auburn, de General Atomics et de l’Université Baylor.
Parce que DIII-D est l’une des installations de fusion les plus flexibles et les plus instrumentées au monde, l’équipe a pu rassembler une série de données précieuses sur le comportement des échantillons et les utiliser pour améliorer les modèles théoriques et les simulations numériques. Les résultats de DIII-D montrent un accord avec les prédictions d’un modèle semi-empirique développé dans la communauté aérospatiale pour calculer le taux de perte de masse des écrans thermiques à base de carbone sous des flux de chaleur extrêmes lors de l’entrée dans l’atmosphère de Jupiter.
Ainsi, les expériences ont à la fois validé l’utilisation de ce modèle dans la conception des futurs écrans thermiques et démontré que le plasma tokamak peut reproduire les conditions extrêmes de chauffage lors de l’entrée atmosphérique dans l’environnement du laboratoire. Le premier contribuera à améliorer la conception des engins spatiaux pour les futures missions vers les planètes gazeuses de notre système solaire. Ce dernier ouvrira la voie à l’étude expérimentale d’un large éventail de questions fondamentales, notamment la manière dont les météorites livrent de la matière organique à la surface des planètes, une question importante dans l’origine de la vie.
La recherche est publiée dans Volume 4 : Progrès de la technologie aérospatiale.
Plus d’information:
Dmitri M. Orlov et al, Conception et test de tiges d’ablation au carbone DiMES dans le tokamak DIII-D, Volume 4 : Progrès de la technologie aérospatiale (2022). DOI : 10.1115/IMECE2021-73326