EXERCICE III - labolycee.org

1 EXERCICE III : CHOIX D'UN MAT RIAU POUR UNE MISSION SUR MARS (5 points). Lorsqu'un engin spatial revient sur Terre ou se pose sur une autre plan te, la travers e de l'atmosph re (si elle existe) ne peut se faire que si le v hicule de transport est recouvert d'une protection thermique capable de supporter des temp ratures tr s lev es au contact des parois. En effet, la rentr e dans l'atmosph re constitue une phase critique. Une fissure de quelques centim tres dans une des tuiles de la protection thermique de la navette Columbia a t l'origine de sa d sint gration en plein vol (f vrier 2003). La prochaine g n ration de protections thermiques est d j . l' tude. Cela passe par le d veloppement de nouveaux mat riaux plus r sistants la chaleur et plus l gers.

2 D'apr s Flashespace (18/01/2008). Cet EXERCICE porte sur le choix d'un mat riau constituant le bouclier thermique de la sonde qui s'est pos e sur Mars en Ao t 2012. Vous devez, lire attentivement l'ensemble des documents propos s pour r pondre aux questions suivantes : Apr s avoir r sum le principe et l'int r t des syst mes de protection thermique des engins spatiaux, vous justifierez, le choix du projet MSL d'utiliser le PICA comme mat riau pour son bouclier thermique. Vous prendrez soin de valider par un calcul le terme bouclier thermique " en estimant le flux de transfert thermique traversant un module muni d'un bouclier ainsi que le flux de transfert thermique th orique qui traverserait un module non muni d'un bouclier thermique.

3 Vous veillerez structurer les informations recueillies, faire preuve d'esprit critique et r diger avec soin votre solution. Document 1 : La mission MSL vers Mars Mars sciences laboratory (MSL) est une mission d'exploration de la plan te Mars d velopp e par l'Agence Spatiale Am ricaine (NASA) dont l'un des buts est de d terminer si la vie a pu exister sur cette plan te. Une sonde spatiale s'est pos e sur Mars le 6 Ao t 2012. Elle transportait un module d'exploration ou rover (appel Curiosity ) prot g par un bouclier thermique. La question du choix du mat riau utilis . pour ce bouclier thermique a t d licate. Un premier mat riau, nomm SLA561V avait t choisi, mais les tests de qualification n'ont pas t satisfaisants.

4 Le centre de la NASA, en charge du projet, l'a donc remplac par le Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) qui est une fibre de carbone impr gn e d'une r sine ph nolique. Caract ristiques du v hicule de rentr e : environ 5 m Masse totale : 3,9 103 kg Surface du bouclier thermique : environ 20 m . Surface du module sans bouclier expos aux frottements : environ 20 m . paisseur du PICA : environ 10 cm Vitesse d'entr e dans l'atmosph re de Mars : 18,3 103 1. soit une nergie cin tique Ec1 = 5,03 1010 J. Vitesse l'ouverture du parachute : 1,4 103 1 soit une nergie cin tique Ec2 = 0,03 1010 J. Bouclier thermique Dur e de la phase de d c l ration : 200 s Source : NASA. Document 2 : Travers e de l'atmosph re de Mars par le v hicule MSL.

5 La temp rature de surface du bouclier thermique de la mission MSL peut atteindre environ 2000 C.. cette temp rature, la couche superficielle de PICA (mat riau choisi par la NASA pour construire le bouclier thermique) se d compose. L' paisseur du bouclier thermique diminue. On appelle ce ph nom ne l'ablation. La couche de mat riau restant sert d'isolant thermique pour maintenir les quipements l'int rieur du v hicule une temp rature acceptable d'environ 10 C. Lors de l'entr e dans l'atmosph re de Mars, le v hicule spatial est ralenti du fait du travail W des forces de frottement de l'atmosph re martienne. Il pourrait tre alors expos sans bouclier thermique un flux thermique (en 2) mettant en jeu environ 20 % de la variation de l' nergie cin tique.

6 On n glige la perte d' nergie potentielle du fait de la vitesse lev e l'entr e dans l'atmosph re de telle sorte que = . Document 3 : Transfert thermique travers le bouclier. Le transfert thermique par conduction travers le bouclier donne lieu un flux .. est la diff rence de temp rature entre les deux c t s du mat riau (en K). = est la conductivit thermique du mat riau (en 1 K 1). est l' paisseur du mat riau (en m). Int rieur Ext rieur du du v hicule spatial v hicule spatial ( 1 = 10 ) ( 2 = 2000 la surface du bouclier). Bouclier thermique Document 4 : Composition chimique du PICA. Document 5 : Donn es sur le PICA. Source : NASA et Key laboratory of Science and Technology for Advanced Composites in Sp cial Environments, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, PR China Caract ristiques physiques : Densit Conductivit Pourcentage en Pourcentage en missivit * du thermique volume de fibre de volume de r sine substrat de carbone carbone ph nolique au cours de ( 1) l'ablation 0,35 0,1 12,5 % 11,1 % 0,9.

7 * nombre variant entre 0 et 1 qui rend compte de la capacit d'un mat riau mettre de l' nergie par rayonnement. M canisme d'ablation : Flux Du fait de la temp rature de surface tr s lev e sous Surface thermique l'effet du flux thermique, la r sine ph nolique est Zone pyrolys e* et les fibres de carbone commencent se Couche Flux d'ablation sublimer** dans la zone d'ablation si bien que l' paisseur carbonis e thermique du mat riau diminue. Ces deux ph nom nes de transf r . sublimation et pyrolyse absorbent une partie de l' nergie T ~ 1200 C. re ue. Zone de Gaz issus de pyrolyse de la pyrolyse Le carbone form par pyrolyse* de la r sine ph nolique la r sine est tr s poreux et forme une couche tr s isolante.

8 Le ph nolique PICA ayant d j une faible conductivit thermique, une T ~ 200 C. faible capacit thermique, le flux thermique est rejet . vers la surface par convection plut t que d' tre diffus Mat riau vers l'int rieur par conduction. intact D'autre part la couche de carbone form e dissipe une grande partie du flux d' nergie incident par radiation du fait de sa forte missivit . Ce m canisme semble tre pr pond rant dans le ph nom ne de dissipation de l' nergie thermique. Pour une dur e d'ablation de l'ordre de 200 s, la variation d' paisseur du mat riau la temp rature de 2000 C est de 0,02 '1. *Pyrolyse : d composition d'un compos organique sous l'effet d'une temp rature lev e (entre 200 C et 1000 C).

9 ** Sublimation : Passage de l' tat solide l' tat gazeux. Temp rature int rieure du mat riau : (Tests en laboratoire ; Temp rature de surface de 1600 C).