Ablative thermal protection system under uncertainties including pyrolysis gas composition

Les véhicules spaciaux tels que Stardust (NASA, 2006) sont protégés par un système de protection thermique ablatif (TPS) lors de leur entrée atmosphérique hypersonique. Une nouvelle génération de matériau de protection, appelé Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA), a été introduite pour la mission Stardust. Cette nouvelle génération de composites carbone-phénolique à faible densité est maintenant couramment utilisée dans l'industrie aérospatiale. Les phénomènes complexes de transfert de masse et de chaleur couplés à la pyrolyse de la matrice phénolique et la chimie des gazs associés surviennent dans le matériau durant l'entrée atmoshpérique. Différents codes de calcul, comme Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO) mis en accès libre par la NASA, permettent d'étudier la réponse du matériau. Dans notre étude, une méthode non-intrusive Anchored Analysis of Variance (Anchored-ANOVA) a été interfacée avec PATO pour réaliser une analyse de sensibilité à faible coût sur ce problème comportant un grand nombre de parmètres incertains. Ensuite, une méthode de chaos polynomial a été mise en oeuvre afin de calculer les statistiques de différentes quantités d'intérêt lors de l'entrée atmosphérique de la capsule Stardust, en considérant les incertitudes sur les propriétés matériau et la composition des gazs de pyrolyse. Cette première étude prenant en compte les incertitudes sur la composition des gazs de pyrolyse montre leur forte contribution à la variabilité finale des quantités d'intérêt.Spacecrafts such as Stardust (NASA, 2006) are protected by an ablative Thermal Protection System (TPS) for their hypersonic atmospheric entry. A new generation of TPS material, called Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA), has been introduced with the Stardust mission. This new generation of low density carbon-phenolic composites is now widely used in the aerospace industry. Complex heat and mass transfer phenomena coupled to phenolic pyrolysis and pyrolysis gas chemistry occur in the material during atmospheric entry. Computer programs, as the Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO) released open source by NASA, allow to study the material response. In this study, a non-intrusive Anchored Analysis of Variance (Anchored-ANOVA) method has been interfaced with PATO to perform low-cost sensitivity analysis on this problem featuring a large number of uncertain parameters. Then, a Polynomial-Chaos method has been employed in order to compute the statistics of some quantities of interest for the atmospheric entry of the Stardust capsule, by taking into account uncertainties on effective material properties and pyrolysis gas composition. This first study including pyrolysis gas composition uncertainties shows their key contribution to the variability of the quantities of interest