Les micrométéorites, échantillons extraterrestres de taille submillimétrique, dominent le flux de matière extraterrestre qui entre dans l'atmosphère terrestre. Toute micrométéorite est inévitablement altérée par son passage atmosphérique. Mais elles peuvent être trouvées enchâssées dans des météorites plus grandes, sous forme de microxénolithes. Les microxénolithes sont des micrométéorites anciennes, ils permettent d'étudier des époques passées de l'histoire du Système Solaire, pas accessibles par les micrométéorites. Des nouveaux microxénolithes ont été découverts et étudiés dans les chondrites H et dans la chondrite carbonée Isheyevo. Plusieurs techniques expérimentales (microscopie électronique à balayage et à transmission, spectroscopie Raman, spectrométrie de masse) ont été utilisées pour les caractériser, et des simulations numériques ont été réalisées pour étudier leur origine et les effets qu'ils subissent lors de leur passage dans l'atmosphère de la Terre.

Cette thèse est centrée sur le couplage entre les phénomènes d’écoulement, d’ablation et de rayonnement au voisinage du point d’arrêt de véhicules d’entrée atmosphérique pourvus d’un système de protection thermique de type carbonephénolique. La recherche est divisée en trois parties : 1) le développement de méthodes numériques et d’outils pour la simulation d’écoulements hypersoniques hors équilibre autour de corps émoussés, 2) la mise en oeuvre d’un nouveau modèle de transport du rayonnement hors équilibre dans ces écoulements, y compris dans les couches limites contaminées par les produits d’ablation, et 3) l’application de ces outils à des conditions réelles de vol.Les effets du couplage entre l’ablation et le rayonnement sont étudiés pour les rentrées terrestres. Il est démontré que les produits d’ablation dans la couche limite peuvent augmenter le blocage radiatif à la surface du véhicule. Pour les conditions de flux maximum d’Apollo 4, les effets de couplage entre le rayonnement et l’ablation réduisent le flux conductif de 35%. L’accord avec les données radiométriques est excellent, ce qui valide partiellement la méthode de couplage et la base de données radiatives. L’importance d’une modélisation précise du soufflage du carbone dans la couche limite est également établie. / This thesis focuses on the coupling between flow, ablation, and radiation phenomena encountered in the stagnation region of atmospheric entry vehicles with carbon-phenolic thermal protection systems. The research is divided into three parts : 1) development of numerical methods and tools for the simulation of hypersonic, non equilibrium flows over blunt bodies, 2) implementation of a new radiation transport model for calculating nonequilibrium radiative heat transfer in atmospheric entry flows, including ablation contominated boundary layers, and 3) application of these tools to study real flight conditions.The effects of coupled ablation and radiation are studied for Earth entries. It’s shown that ablation products in the boundary layer can increase the radiation blockage to the surface of the vehicle. An analysis of the Apollo 4 peak heating condition shows coupled radiation and ablation effects reduce the conducted heat flux by as much as 35% for a fixed wall temperature of 2500 K. Comparison with the radiometer data shows excellent agreement, partially validating the coupling methodology and radiation database. The importance of accurately modeling the amount of carbon blown into the boundary layer is demonstrated by contrasting the results of other researchers.

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.

L'entrée hypersonique d'un objet dans la haute atmosphère d'une planète entraîne la création d'un plasma à la suite de la compression très intense du gaz incident à l'objet. Cette compression s'effectue dans une couche de choc présentant une grande richesse en déséquilibres dont la méconnaissance limite notre capacité à prédire avec précision les contributions convective, radiative et catalytique de la densité de flux d'énergie pariétale, pourtant cruciale pour l'optimisation du dimensionnement du système de protection thermique de l'objet. Les contributions précédentes dépendent fortement des densités de population des états excités qui échappent à un comportement de type boltzmanien et présentent une distribution dépendant des phénomènes élémentaires collisionnels et radiatifs. Dans ces circonstances, le but de ces travaux était d'étudier, dans les situations d'entrée dans l'atmosphère de Mars et de la Terre, le comportement des états excités de mélanges complexes (CO2 -N2 -Ar et N2 -O2 -Ar, respectivement) basée sur le développement de modèles collisionnels-radiatifs (CR) électro-vibrationnels spécifiques. Deux modèles CR ont ainsi été développés : CoRaM-MARS pour l'atmosphère martienne (22 espèces, 10^6 processus élémentaires) et CoRaM-AIR pour l'atmosphère terrestre (13 espèces, 500000 processus élémentaires). Ces modèles, mis en œuvre dans une approche lagrangienne à pression et température constantes dans des conditions thermodynamiques représentatives des situations d'entrée (notamment le cas FIRE II pour les entrées terrestres), ont montré que le rayonnement présente une influence très faible sur la cinétique des mélanges étudiés et que les écarts à la distribution de Boltzmann sont systématiques. Le très grand nombre d'états à prendre en compte interdit une intégration directe des modèles CR précédents dans des codes aérodynamiques. Cependant, une réduction à l'azote de ces modèles a été réalisée. Le modèle CR ainsi constitué (CoRaM-N2 , 5 espèces, 150 états, 40000 processus élémentaires) a été intégré à un code eulérien traitant les écoulements monodimensionnels d'après-choc ou de tuyère divergente. L'accord avec des résultats expérimentaux acquis en tube à choc à fort nombre de Mach est très satisfaisant. Pour des applications 2D ou 3D, des taux globaux ont par ailleurs été déterminés théoriquement pour (1) l'ionisation/recombinaison par impact électronique de l'azote, de l'oxygène, du carbone et de l'argon, (2) la dissociation/recombinaison de N2 , O2 par impact de N, N2 , O, O2 et (3) la dissociation/recombinaison de CO2 par impact de lourd. La comparaison avec des résultats expérimentaux montre un accord en général très satisfaisant. Les taux directs et inverses étant calculés de manière indépendante, il est montré que leur rapport s'écarte de la constante d'équilibre globale correspondante à mesure que la température augmente.

Ces dernières années, les missions spatiales bénéficient d'un regain d'intérêt. Cependant, lorsqu’arrive laphase d’entrée dans l’atmosphère, nous faisons encore face à d’importantes difficultés. Afin de répondre àce problème, une nouvelle technique est proposée : le contrôle par plasma pour augmenter la force detraînée sur le véhicule et ainsi, décroître sa vitesse. Dans cette thèse, un actionneur plasma est testé danstrois écoulements supersoniques (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) et un hypersonique (M20-0.062Pa), ces écoulements étant simulés par la soufflerie MARHy.L’actionneur plasma induit des modifications de l’écoulement autour du modèle étudié, comme unemodification de la géométrie de l’onde de choc et une augmentation de l’angle de choc. Afin de mieuxcomprendre les phénomènes gouvernant ces modifications, la pression Pitot, la température surfacique etvolumique, les données électroniques et des mesures spectroscopiques ont été analysées. Les résultatsmontrèrent que deux types d’effets interviennent : thermiques (surface et volume) et l’ionisation. De plus, il aété démontré que ces effets n’ont pas la même importance suivant les conditions d’écoulements.L’actionneur plasma lui-même a été modifié dans un but d’amélioration. En particulier, deux types degénérateurs ont été étudiés pour alimenter la cathode : DC et pulsé. Finalement, il est montré que pour unepuissance de décharge de 80 W, une augmentation de 13% de la traînée et donc, une diminution de plus de25% des flux de chaleur peuvent être attendus. Par conséquent, les actionneurs plasma semblent être descandidats idéaux pour les missions spatiales et les (r)entrées atmosphérique. / Space missions are arousing renewed interest in these recent years. However, when coming to the entryinto the atmosphere, major issues are still to be considered. To answer this problem, a new Entry DescentLanding technique is proposed: plasma actuation to increase the drag force over the vehicle body and thus,decrease its speed. In this thesis, a plasma actuator is tested in three supersonic rarefied flows (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) and a hypersonic one (M20-0.062Pa), all generated by the wind tunnelMARHy.The plasma actuator induces flow modifications over the studied model, such as a change in the shock waveshape and an increase in the shock wave angle. In order to better understand the phenomena governingthese modifications, Pitot pressure, surface and gas temperature, electron data and spectroscopicmeasurements were analyzed. The results shown that two types of effects are involved: thermal (bulk andsurface) and ionization. Moreover, it was demonstrated that these effects had not the same importancedepending on the flow conditions.The plasma actuator was also modified in order to improve it. In particular, two types of generators wereused to biase the cathode: DC and pulsed. Finally, it was shown that, for a discharge power of 80 W, a 13%increase in the drag force could be expected and thus, a decrease in the heat load over the model body ofmore than 25%. Therefore, plasma actuators seem to be promising applications for space missions andatmospheric entries.

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.