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Thèse : Modélisation du couplage fluide/structure pour dégradation d’un satellite

Du 1 octobre 2023 au 30 septembre 2026

CNES Toulouse
Contacts : marcello.meldi@ensam.eu

Depuis le vote de la Loi sur les Opérations Spatiales en 2008, différents outils CNES ont été développés pour l’analyse des risques associés à la rentrée atmosphérique de structures spatiales telles que des lanceurs ou satellites. Différentes stratégies sont employées en fonction de l’objectif de l’outil, du temps de calcul disponible et le degré de fidélité nécessaire. L’ensemble des phénomènes physiques doivent être modélisés avec précision, ceci afin de garantir que les débris retombant au sol ne présentent pas un risque pour la population. La dégradation de satellites étant très complexe, à la fois dépendante des propriétés matériaux dde l’objet et de la précision des flux thermique à la paroi de la structure, son étude pour une modélisation précise est encore au stade de la recherche. En collaboration avec R.Tech et le laboratoire LMFL, 2 objectifs sont visés : 1 améliorer les outils numériques du CNES 2 Mettre sur pied une expérience sol de dégradation d’une maquette satellite

Depuis le vote de la Loi sur les Opérations Spatiales en 2008, différents outils CNES ont été développés pour l’analyse des risques associés à la rentrée atmosphérique de structures spatiales telles que des lanceurs ou satellites. Différentes stratégies sont employées en fonction de l’objectif de l’outil, du temps de calcul disponible et le degré de fidélité nécessaire.
Lors d’une phase de rentrée dans l’atmosphère terrestre, les engins spatiaux (civils et militaires) évoluent au sein d’un régime hypersonique. Cette particularité induit une compression forte du gaz entourant le véhicule rentrant, ce qui conduit à un échauffement important et à une dégradation de ce dernier dans le cas de rentrées de satellites. L’ensemble de ces phénomènes physiques doivent être modélisés avec précision, ceci afin de garantir que les débris retombant au sol ne présentent pas un risque pour la population.
La dégradation de satellites étant très complexe, à la fois dépendante des propriétés matériaux de l’objet et de la précision des flux thermique à la paroi de la structure, son étude pour une modélisation précise est encore au stade de la recherche. Les codes dits « orienté véhicule » (comme PAMPERO à titre d’exemple) sont à l’heure actuelle loin de pouvoir modéliser toute la complexité mise en jeu lors de la dégradation d’un débris qui représente pourtant un enjeu capital. Les interactions chocs/couches limites, l’oxydation, l’érosion des matériaux, le dégazage à la paroi représentent autant de phénomènes physiques difficiles à modéliser sur une trajectoire complète avec ce type d’outil. De plus, les modèles de dégradations sont encore souvent basés sur un mouvement de maillage rendant difficile la modélisation dès lors qu’un changement de topologie est nécessaire (fragmentation de la structure, création de trous, …).
En parallèle des phases de développement, les outils du CNES font naturellement l’objet d’un important processus de validation. Cependant, cette validation est réalisée indépendamment par module physique en fonction des outils de plus hautes fidélités à disposition. Aujourd’hui, il n’existe que très peu d’expériences sol et aucune expérience vol dédiées à la validation du processus complet de dégradation d’un satellite.
En collaboration avec R.Tech et le laboratoire LMFL, 2 objectifs sont visés :
1. améliorer les outils numériques du CNES en terme de précision des modélisations de la dégradation au cours d’une rentrée atmosphérique.
2. Mettre sur pied une expérience sol de dégradation d’une maquette satellite simple par l’intermédiaire des compétences internes DTN pour valider les outils du service PR.