Les systèmes de protection thermique ablatifs, couramment utilisés dans l'industrie de l'aérospatiale sont généralement des matériaux composites, dont la dégradation permet d'isoler thermiquement les éléments subissant des flux aérothermiques sévères. On recense dans la littérature de très nombreux systèmes, tant en terme de matrice que de type de renfort. Face à la diversité des matériaux existants et la multiplicité des sollicitations auxquelles ils peuvent être soumis, il est aujourd'hui nécessaire d'acquérir une meilleure connaissance de l'influence de la composition (matrice, renfort et porosité) de ces matériaux sur leur comportement thermique et leur tenue à l'ablation. La démarche scientifique des travaux s'articule autour d'un volet expérimental et du développement d'un modèle numérique. La caractérisation expérimentale a été construite en trois étapes, explorant chacune le comportement des matériaux à une échelle différente : le comportement thermo-chimique a été caractérisé par des essais d'ATG, de TMA et de DSC, le comportement thermique a été évalué grâce à un banc muni d'une torche oxygène acétylène. Enfin, la tenue des matériaux à un jet aérothermique sévère a été testée sur un banc d'essai équipé d'un minipropulseur. Ce dernier banc permet de tester des échantillons de plusieurs dizaines de centimètres de large et d'étudier l'impact couplé de la thermique et de l'aérodynamique. En parallèle, un modèle numérique simple simulant l'ablation a été développé et validé. L'ensemble de ces travaux ont notamment permis de mettre en évidence les liens existants entre les propriétés thermo-physiques et la tenue à l'ablation d'un matériau composite. Appuyée par des observations microscopiques des matériaux dégradés, l'étude combinée des résultats aux différentes échelles a permis de proposer des scénarii de dégradation pour chacun des matériaux. Les principaux paramètres pilotant l'avancée d'un front d'ablation ont été identifiés, l'impact primordial de la porosité a notamment été démontré. / Ablative thermal protection systems, commonly used in space industry, are usually made of composite materials. The degradation of these materials in surface allows to protect essential parts against severe aerothermal fluxes. In the literature, lots of different systems are described they are constituted of different type of matrix and reinforced by several kind of fibers. The diversity of the existing thermal protection systems raises the question of the influence of the composition of the materials on the thermal and ablative performances. The developed scientific approach is based on an experimental procedure coupled with the development of a numerical simulation. The material characterization is based on three experimental steps : the thermo-chemical behavior of the materials is investigated with TGA, TMA and DSC experiments, the thermal behavior under a severe flux is evaluated by an experimental bench equipped with an oxyacetylenic torch ; finally, the ablative behavior is characterized with a small jet-nozzle impacting the sample with a severe aerothermal flux. In parallel to the experimental characterization, a numerical simulation modeling of the ablative and thermal behavior of composite materials is developed. Links existing between the thermal behavior and the ablation resistance have been demonstrated. Degradation scenarios have been proposed thanks to the combined analysis of the experimental results at each stage of the characterization. Parameters controlling the ablation have been identified, the major impact of the porosity has been particularly demonstrated.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2019ESMA0005 |
| Date | 19 March 2019 |
| Creators | Arnaud, Émeline |
| Contributors | Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, Halm, Damien, Beaudet, Julien, Bertheau, Denis |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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