Thermo-structural decomposition modelling of space debris during atmospheric entry

Depuis 1957, on estime que plus de 1600 tonnes de débris spatiaux ont pu parvenir à la surface de la Terre après avoir effectué une rentrée atmosphérique, représentant un risque pour les biens et les personnes au sol. L'estimation du risque à l'impact est devenue un enjeu majeur pour tous les acteurs du spatial, et en particulier pour le CNES depuis le vote en 2008 et la mise en application en 2021 de la Loi sur les Opérations Spatiales (LOS) qui impose des contraintes fortes sur les débris spatiaux.La simulation numérique « haute fidélité » de la rentrée atmosphérique des débris spatiaux tout au long de leur trajectoire ne peut être mise en œuvre du fait d’un coût de calcul trop important et hors de portée des calculateurs actuels. Des modèles analytiques ou modèles réduits sont donc utilisés. Actuellement, le couplage fort entre les phénomènes physiques de l'écoulement et le niveau de dégradation du matériau n'est pas pris en compte dans ces modèles. De plus, l'utilisation de matériaux composites rend complexe les simulations car leurs réactions de dégradation sont multiples et leurs propriétés thermophysiques ne sont pas totalement caractérisées. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre et modéliser les processus physiques dans les matériaux composites carbone/époxy et à leurs surfaces, pour une rentrée atmosphérique complète, tenant compte de la dégradation thermochimique, sur des géométries 3D représentatives des débris spatiaux.Pour atteindre cet objectif, un modèle de déplacement de maillage 3D des matériaux avec forte déformation a été développé et intégré dans le code matériau MoDeTheC de l’ONERA. Dans le même temps, le matériau composite carbone/époxy M55J/M18 fabriqué par Thales Alenia Space a été caractérisé avec les moyens d'essais de l’ONERA. Un modèle multi-constituants, permettant de rendre compte de l’évolution des propriétés du matériau en fonction de la température et de son niveau de dégradation, a été défini. L’utilisation de ces propriétés dans MoDeTheC, au sein du code de rentrée atmosphérique ARES (code intégrant les solveurs FAST, MUSIC, AtMoS et MoDeTheC), a permis de simuler la dégradation de réservoirs sphériques sur une trajectoire complète de rentrée. Enfin, pour quelques points de vol le long de ces trajectoires, les influences du soufflage et des réactions des gaz de pyrolyse sur le flux de chaleur convecto-diffusif ont été étudiées numériquement, avec le code Navier-Stokes CEDRE de l’ONERA.Since 1957, it is estimated that more than 1600 tons of space debris may have reached the Earth's surface after re-entering the atmosphere, inducing a risk to people and property on the ground. The estimation of the impact risk has become a major issue for all space actors, and in particular for CNES since the vote in 2008 and the application in 2021 of the Space Operations Law (LOS) which imposes strong constraints on space debris."High-fidelity" numerical simulation of the atmospheric reentry of space debris throughout its full trajectory cannot be achieved due to the high computational cost, which is beyond the reach of current calculators. Analytical or reduced models are therefore used. Currently, these models do not take into account the strong coupling between the physical phenomena of the flow and the material degradation. Moreover, the use of composite materials makes the simulations complex because the degradation reactions are multiple and the thermophysical properties are not fully characterised. The objective of this thesis is therefore to understand and model the physical processes in a carbon/epoxy composite material and at its surface, for a complete atmospheric reentry, taking into account the thermochemical degradation, on typical 3D geometries of space debris.To achieve this objective, a 3D high deformation mesh displacement model for materials response simulation has been developed and implemented into ONERA's solver MoDeTheC. In the meantime, the carbon/epoxy composite material M55J/M18 manufactured by Thales Alenia Space was characterised at ONERA. A multi-species model was defined to account for the evolution of the material's properties as a function of temperature and degradation state. These material properties are used in MoDeTheC, within the ARES atmospheric re-entry solver (integrating FAST, MUSIC, AtMoS and MoDeTheC solvers), to simulate the degradation of spherical tanks during full re-entry trajectories. Finally, for some flight points along these trajectories, the influences of the blowing and reactions of the pyrolysis gases on the convecto-diffusive heat flux were studied numerically, with the ONERA‘s Navier-Stokes solver CEDRE