Quotidiennement, des objets orbitant à proximité de la Terre (ou géocroiseurs) impactent cette dernière. Lorsque la dimension de l'objet atteint une taille critique (autour de 50m de diamètre),les conséquences au sol peuvent devenir dramatiques.De plus, ces objets ont une occurrence d'impact séculaire, donc à l'échelle d'une vie humaine. L'entrée d'un tel objet met en œuvre de nombreux phénomènes, parfois peu ou pas connus de manière précise : AéroThermoDynamique (ATD) de l'écoulement, rayonnement, ablation, fragmentation. La grande variété de conditions d'entrée étudiées nécessite de plus une étude paramétrique approfondie. Notre thèse est que la phase de rentrée et les phénomènes s’y déroulant jouent un rôle fondamental dans la prévision des risques d'impact au sol. Ainsi, nous avons quantifié ces phénomènes afin d'en établir leurs conséquences pendant la rentrée puis au sol : Nombre et tailles des fragments, empreinte au sol, vitesse(s), masse(s) et énergie cinétique finales. Des simulations ATD préliminaires ont permis de voir que l'écoulement post-choc était en équilibre thermochimique et rayonnait de façon importante. De ce fait des calculs de rayonnement au niveau de la ligne d'arrêt pour différents points de vol ont été effectués, en vu de développer une loi analytique permettant d’estimer correctement le flux radiatif pour nos conditions d’entrée. Cette étude a mis en défaut la représentativité des formules analytiques pré-existantes pour les conditions considérées ici. Du fait du flux thermique incident, un géocroiseur perd de la masse par ablation. Deux modélisations de ce phénomène ont été réalisées, afin d'en évaluer l'incidence en terme de pertes de masses et changements de forme, et donc sur la trajectoire. Nous avons également modélisé le phénomène de fragmentation, de l'initiation de la rupture du fait des contraintes mécaniques à la génération de fragments et à leur dynamique d'évolution. Cette étude a montré l'importance de ce phénomène sur la prévision d'impact, en particulier sur le nombre de fragments impactant et leur énergies cinétiques d'impact. De plus, les interactions entre fragments réduisent la dispersion au sol.Enfin des simulations de trajectoires 1D et 3D avec modélisations de l’ ablation et la fragmentation ont été effectuées sur 3 exemples d'entrée. Elles ont mis en évidence l'importance des paramètres d'entrée (vitesse et incidence en particulier) dans l'estimation de l'impact au sol, et démontré l'influence protectrice de l'atmosphère dans l'estimation des conséquences au sol, du fait en particulier du phénomène de fragmentation, et dans une moindre mesure d'ablation. / Near Earth Objects (NEOs) impact Earth everyday. When the objet reaches a critical size (>50m), ground consequences might be dramatic. Moreover, NEOs have a secular occurrence, i.e. at a human scale. A NEO entry object involves various phenomena, poorly or not known: flow AeroThermoDynamics (ATD), radiation, ablation, fragmentation. The variety ofstudied entry conditions implies also an extensive parametric study. My thesis is that the entry and the phenomena that take place in this phase has a crucial role in the prediction of impact consequences. That why I have quantified these phenomena in order to assess their consequences on the ground impact: number and sizgg of the fragments, ground print, velocity, mass and kinetic energy. ATD simulations showed the aftershock flow was in thermochemical equilibrium, and highly radiates. In order to correctly estimate the radiative flux for the entry conditions of a NEO, an analytical law has been developed. During its entry, a NEO loses mass and change its shape because of ablation.To estimate the consequence on the trajectory of the NEO, two models of this phenomenon have been elaborated. Fragmentation has been modelled, from the origin of breakup to the mechanism offragment generation and flight dynamics of these fragments. This study showed the importance of these phenomena on ground consequences prediction, especially on the number of fragments impacting, their kinetic energies, and their positions on ground. Eventually, trajectory simulations (1 D&3 D), ta ken into account these phenomena, have been conducted. They highlighted the importance ofentry speed and slope on ground consequences.These simulations also demonstrated the protective role of the atmosphere on ground consequences, especially because of the fragmentation.

High Mach number, low-Reynolds number (high-altitude) reentry flowfield predictions are an important problem area in computational aerothermodynamics. Available numerical tools for handling such flows are very few and significantly limited in their applicability. A new implicit fully-iterative Parabolized Navier-Stokes (PNS) scheme is developed to accurately predict such low-Reynolds number flows. In this new approach the differential equations governing the conservation of mass, momentum and energy, and the algebraic equation of state for a perfect gas are solved simultaneously in a coupled manner. The idea is presented that by treating the governing equations in this manner (rather than eliminating the pressure terms in the governing equations by using appropriate differentiated forms of the equation of state) it may be possible to have an unconditionally time-like numerical scheme. The stability of a simplified version of this new PNS scheme is also studied, and it is demonstrated that these simplified equations are unconditionally time-like in the subsonic as well as the supersonic flow regions. A pseudo-time integration approach is used in addition to a new second-order accurate fully-implicit smoothing, to improve the efficiency of the solution algorithm. The new PNS scheme is used to predict the flowfield around a seven-deg sphere-cone vehicle under high- and low-Reynolds number conditions. Two test case, Case A and Case B, are chosen such that Case A has a large freestream Reynolds number (2.92x10⁵), whereas Case B has a freestream Reynolds number of 1.72x10³, which is smaller than the usual limit of applicability of the non-iterative PNS schemes (Re~10⁴ or larger). Comparisons are made with other available numerical schemes, and the results substantiate the stability, accuracy and efficiency claims of the new Parabolized Navier-Stokes scheme. / Ph. D.

There is significant uncertainty in our knowledge of the Martian atmosphere and the aerodynamics of the Mars entry, descent, and landing (EDL) systems. These uncertainties result in conservatism in the design of the EDL vehicles leading to higher system masses and a broad range of performance predictions. Data from flight instrumentation onboard Mars EDL systems can be used to quantify these uncertainties, but the existing dataset is sparse and many parameters of interest have not been previously observable. Many past EDL reconstructions neither utilize statistical information about the uncertainty of the measured data nor quantify the uncertainty of the estimated parameters. Statistical estimation methods can blend together disparate data types to improve the reconstruction of parameters of interest for the vehicle. For example, integrating data obtained from aeroshell-mounted pressure transducers, inertial measurement unit, and radar altimeter can improve the estimates of the trajectory, atmospheric profile, and aerodynamic coefficients, while also quantifying the uncertainty in these estimates. These same statistical methods can be leveraged to improve current engineering models in order to reduce conservatism in future EDL vehicle design. The work in this thesis presents a comprehensive methodology for parameter reconstruction and uncertainty quantification while blending dissimilar Mars EDL datasets. Statistical estimation methods applied include the Extended Kalman Filter, Unscented Kalman Filter, and Adaptive Filter. The estimators are applied in a manner in which the observability of the parameters of interest is maximized while using the sparse, disparate EDL dataset. The methodology is validated with simulated data and then applied to estimate the EDL performance of the 2012 Mars Science Laboratory. The reconstruction methodology is also utilized as a tool for improving vehicle design and reducing design conservatism. A novel method of optimizing the design of future EDL atmospheric data systems is presented by leveraging the reconstruction methodology. The methodology identifies important design trends and the point of diminishing returns of atmospheric data sensors that are critical in improving the reconstruction performance for future EDL vehicles. The impact of the estimation methodology on aerodynamic and atmospheric engineering models is also studied and suggestions are made for future EDL instrumentation.

Les travaux présentés dans cette thèse CIFRE financée par AIRBUS Defence & Space s’intègrent dans une problématique de développement de nouveaux Systèmes de Protection Thermique (TPS) pour l’entrée atmosphérique. Ils se focalisent sur l’étude du transfert radiatif dans la zone d’ablation du TPS et son couplage avec le transfert conductif au travers de la matrice fibreuse de faible densité. Pour réaliser cette étude, il a été nécessaire d’évaluer les propriétés thermiques de ces matériaux, notamment les propriétés radiatives qui, contrairement aux conductivités thermiques, demeurent mal connues. La première étape de cette étude a donc visé à caractériser les propriétés optiques et radiatives de certains matériaux fournis par AIRBUS Defence & Space et par le CREE Saint-Gobain. Pour réaliser ces caractérisations, nous avons développé une méthode originale d’identification des propriétés radiatives basée sur des mesures de l’émission propre. Les spectres d’émission à haute température, réalisés sur des échantillons en fibre de silice ou en feutre de carbone nécessaires à l’identification, sont obtenus sur un banc de spectrométrie FTIR développé lors de ces travaux. Les échantillons sont chauffés à haute température à l’aide d’un laser CO2 et un montage optique permet de choisir entre la mesure du flux émis par l’échantillon ou un corps noir servant à l’étalonnage du banc. L’identification des propriétés repose sur la modélisation des facteurs de distribution du rayonnement calculés à l’aide d’une méthode de lancé de rayons Monte Carlo utilisant la théorie de Mie pour un cylindre infini pour le calcul des propriétés radiatives. Les températures identifiées sont comparées aux températures mesurées par pyrométrie au point de Christiansen dans le cas de la silice et montrent un bon accord avec ces dernières. Enfin la dernière partie de ce document est consacrée au couplage conduction-rayonnement dans ce type de milieu. Les échantillons ayant une très forte extinction, le modèle utilisé repose sur la définition d’une conductivité équivalente de Rosseland pour traiter les transferts radiatifs volumiques et ainsi simuler les champs de température au sein des échantillons dans les conditions de chauffage utilisées lors de l’identification. Dans le cas de la silice, cependant, les températures prédites par le modèle utilisant la conductivité équivalente de Rosseland, sont nettement supérieures à celles obtenues par identification ou par pyrométrie au point de Christiansen. Le fait que la conductivité équivalente de Rosseland ne fasse pas la distinction entre une forte extinction due à la diffusion ou à l’absorption est probablement la cause de cette différence. / The work presented in this thesis has been financed by AIRBUS Defence and Space. It is part of the development strategy of new Thermal Protection Systems (TPS) for atmospheric reentry purposes. The aim is to study the radiative transfer in the ablation zone of the TPS as well as the coupling of the radiative and conductive heat transfer in the low density fibrous matrix. To this end, radiative properties of the materials have to be evaluated since they are not well known. The first step of this study is therefore to characterize the optical and radiative properties of sample provided by AIRBUS Defence and Space and the CREE Stain-Gobain laboratory. Thus, an original identification method based on radiative emission measurement was developed to obtain the radiative properties. The needed emission spectra are measured on silica or carbon samples at high temperature with an experimental setup based on Fourrier Transformed InfraRed spectrometry. The samples are heated using a CO2 laser. An optical setup allows us to measure emission spectra on the sample or a black body used to calibrate the experiment. The identification process is based on the modeling of the radiative distribution factor computed by a Monte Carlo ray-tracing method. It uses Mie theory for infinite cylinder to compute the radiative properties. Temperature are also identified and, for silica, compared to the one measured by a Christiansen pyrometry technique. The last part of this study focuses on the coupled radiative/conductive heat transfer modeling in low density fibrous media. Samples being greatly absorbing, we used the Rosseland equivalent conductivity to model the radiative transfer in volume and obtain the thermal response of the samples in the conditions of the experimental setup used for the identification. For silica, predicted temperatures are superior to the identified ones or those measured with the Christiansen pyrometry technique. This is probably because the Rosseland equivalent conductivity makes no difference between extinction due to absorption and extinction due to scattering.

L’un des plus grands défis des missions prévues sur Mars est la phase d’entrée atmosphérique, lorsque le vaisseau spatial entre dans l’atmosphère de Mars à l’aller, ou de la Terre au retour. Les capsules spatiales entrent dans l’atmosphère à des vitesses hypersoniques ce qui comprime le gaz à l’avant de l’appareil et résulte en une augmentation de température jusqu’à la dissociation et l’ionisation du gaz. Ces phénomènes engendrent un rayonnement intense du gaz. Le flux radiatif arrivant sur la capsule est la principale source de chauffage de l’appareil mais de grandes incertitudes demeurent dans sa prédiction. En conséquence, le bouclier thermique est surdimensionné, augmentant la masse totale de l’appareil et diminuant sa charge utile. Ces incertitudes sont maximales sur l’arrière-corps de l’appareil où le plasma l’entourant est forcé de se recombiner hors équilibre. Cette thèse présente une caractérisation expérimentale de plasma hors équilibre d’air et d’azote en recombinaison, typique des plasmas d’arrière-corps. Les distributions de la population de l’azote atomique et moléculaire sont mesurées, ainsi que le rayonnement hors équilibre de ces espèces. Des comparaisons avec les prédictions de codes numériques sont données, et de larges différences sont observées, soulignant les limites des modèles de mécanique des fluides numériques. Ces données expérimentales ont pour but d’être utilisées dans la validation des modèles présents dans les codes d’entrée atmosphérique. / One of the main challenges for the upcoming Mars missions is the atmospheric entry phase when the spacecraft enters the Martian atmosphere or the Earth’s atmosphere upon return. The hypersonic velocity of the capsule entering the atmosphere leads to extreme gas heating and results in intense gas radiation. The radiative flux emitted by the plasma in front and around the capsule is the main source of heating, but its prediction suffers from large uncertainties, leading engineers to apply safety margin on the heat shield, thereby decreasing the useful payload of the capsule. These uncertainties are maximal in the afterbody region where the plasma is forced to recombine and can depart from equilibrium. This thesis presents an experimental characterization of recombining non-equilibrium air and nitrogen plasma flows to mimic the chemical kinetic dynamics encountered in the afterbody region. The population distributions of radiating atomic and molecular species of nitrogen are measured, along with the nonequilibrium radiation emitted by these species. Comparisons with predictions from numerical codes are made and large differences are observed even in simple test cases, thus highlighting the limits of current computational fluid dynamics models. These data are intended to serve as a basis to validate the models used in reentry codes.