La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour générer un flux thermique chargé de particules en vue de caractériser des matériaux soumis à des environnements thermiques sévères.

Il est connu que les engins spatiaux tels que les sondes sont soumis à 5 des agressions diverses (micrométéorites, rayonnement ultraviolet et ionisants,...). Une source particulièrement sévère d'agressions pour la structure d'une telle sonde apparaît lors de rentrées atmosphériques. En effet, la sonde est alors soumise à des agressions thermiques abrasives liées à la présence de particules solides ou liquides dans l'atmosphère de l'astre et à la

10 vitesse de rentrée de ces engins. Ces agressions sont notamment sensibles lors de la rentrée d'une navette spatiale dans l'atmosphère terrestre puisqu'elle dissipe son énergie cinétique lut ayant permis de rester en orbite basse par frottement avec l'air de l'atmosphère. Ces agressions thermiques abrasives surviennent également dans les systèmes de propulsion tels que

15 les propulseurs à poudre qui présentent une part relativement importante de particules d'alumine dans leur jet.

Il est donc essentiel de pouvoir simuler ces environnements induits en laboratoire pour prédire par des essais et des simulations l'évolution du comportement de matériaux ou d'objets tels qu'un revêtement thermique

20 destiné à devenir l'élément structural d'un bouclier de rentrée d'un véhicule spatial ou encore d'un divergent de tuyère.

Jusqu'à présent, pour caractériser des matériaux, des gaz très chauds pouvant atteindre ou dépasser 3000 ⁰ C ont été mis en œuvre sur de petits échantillons disposés de manière adéquate, par exemple en "point d'arrêt", i.e. les gaz arrivant perpendiculairement à la surface des échantillons, ou "en planche inclinée", i.e. les gaz arrivant sensiblement tangentiellement à la surface des échantillons.

Ces gaz sont typiquement générés soit par des sources du type à décharge luminescente, soit par des sources à plasma à couplage inductif. Plus les énergies de ces sources sont importantes, plus elles peuvent fournir un gaz très chaud en grande quantité, maîtrisé et constant pour la réalisation d'essais sur des échantillons représentatifs, i.e. de grandes tailles.

Ces méthodes de simulation d'environnements extrêmes se sont révélées satisfaisantes pour développer les systèmes de lanceurs spatiaux et de sondes spatiales connus jusqu'à présent. Néanmoins, la recherche permanente d'une optimisation des structures mises en œuvre dans les engins spatiaux, par exemple pour l'obtention d'éléments structuraux présentant une résistance toujours plus élevée aux contraintes mécaniques et/ou thermiques pour une masse minimale, requière un affinement de ces méthodes de simulation en vue de la caractérisation de ces structures.

En effet, les méthodes de simulation connues ne prennent pas en compte, ou de manière non appropriée, les phénomènes d'abrasion par des particules solides ou liquides rencontrées soit sur les astres ayant des atmosphères, soit dans les propulseurs à poudre mentionnés plus hauts. On connaît par le brevet US 3,893,335 (Jonhson et al.) un dispositif pour simuler les conditions de rentrée dans une atmosphère chargée en particules. Ce dispositif fournit un flux d'air chaud généré par un plasma d'arc à une tuyère, le flux en sortie de cette tuyère étant dirigé vers l'échantillon à analyser. Pour charger ce flux en particules, des particules présentant des vitesses élevées pouvant atteindre quelques 6000 m/s sont injectées dans le flux d'air chaud en aval de cette tuyère. Cependant, ces particules sont accélérées indépendamment du flux d'air chaud à une vitesse déterminée par l'opérateur. Cette méthode de simulation requière donc des moyens particulièrement complexes et encombrants pour accélérer les particules

solides à de telles vitesses mais pose également des problèmes de mélange de deux flux de gaz très hypersoniques.

On connaît également par le document "Mars entry simulation with dust using an inductively heated generator", 22 ^πd Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conférence, 2002, AIAA 2002-3237; un dispositif de simulation utilisant une source de plasma à couplage inductif ("Inductively coupled plasma" - ICP) reliée à une enceinte sous vide évacuée par une unité de pompage. L'injection des particules solides dans le flux gazeux est réalisée avant la source de plasma ICP, dans le gaz porteur du plasma. Cette méthode s'avère donc extrêmement défavorable puisqu'elle entraîne non seulement une usure accélérée du dispositif mais elle altère également la qualité du jet gazeux chargé en particules. En effet, les produits d'abrasion résultant de l'interaction entre le plasma chargé en particules solides et les parois internes de l'enceinte polluent le jet gazeux. De plus, les particules sont injectées dans le plasma sans action particulière pour rendre ce flux gazeux chargé en particules représentatif en terme de température et de vitesse, ces dernières étant des paramètres importants pour simuler des phénomènes d'abrasion.

Aussi, la présente invention propose un procédé et un dispositif pour générer un flux thermique chargé de particules simples dans leur conception et dans leur mode opératoire pour simuler de manière maîtrisée les flux thermiques chargés de particules représentatifs des propulseurs à poudre ou des rentrées planétaires en vue de la caractérisation d'échantillons de taille standard destinés au domaine spatial et/ou aéronautique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour générer un flux thermique chargé de particules, ces particules étant au moins partiellement dirigées sur un objet, dans lequel on injecte un gaz porteur et des particules à partir d'au moins un injecteur de particules ayant au moins un orifice de sortie, dans un jet de plasma dirigé depuis l'extrémité d'une source de plasma vers l'extérieur le long d'un axe principal, ce jet de plasma ayant un cœur.

Selon l'invention, on ajuste les positions axiale et radiale de cet injecteur de particules par rapport à l'axe principal et l'inclinaison de cet injecteur par rapport à un axe perpendiculaire à l'axe principal, et on contrôle la quantité de mouvement moyenne des particules à l'orifice de sortie de ['injecteur pour entraîner de manière homogène les particules dans le cœur du

jet de plasma de sorte que lesdites particules acquièrent à une distance variable D de l'extrémité de la source de plasma une vitesse moyenne maximale, et

- on détermine cette distance D de l'extrémité de la source de plasma et on positionne l'objet à environ cette distance D.

Il est nécessaire de s'assurer de la caractérisation des objets dans les conditions les plus proches possibles des environnements réels auxquels seront soumis ces objets. A titre d'exemple, les vitesses des particules dans les jets propulsifs de fusées à ergols solides peuvent atteindre de 1000 m/s à 3000 m/s. Dans cet objectif, l'objet à caractériser est positionné dans le jet de plasma chargé en particules, dans les environs de l'endroit où la vitesse moyenne des particules est maximale, cette vitesse étant ajustable. On s'assure ainsi que l'échantillon est placé à un endroit où les particules ont acquis une vitesse moyenne suffisante pour la caractérisation. Le but de l'invention est donc atteint d'une part, en réglant la quantité de mouvement des particules à l'orifice de sortie d'au moins un injecteur et en contrôlant la position dudit orifice de sortie pour rendre le jet de plasma chargé de particules le plus homogène possible, et d'autre part, en déterminant la position D, variable le long de l'axe principal, où les particules acquièrent une vitesse moyenne maximale de manière à positionner l'objet à caractériser aux environs de cet endroit.

Dans différents modes de réalisation du procédé pour générer un flux thermique chargé de particules, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou seion toutes leurs combinaisons techniquement possibles :

- on mesure la vitesse moyenne maximaie des particules et on ajuste la vitesse du jet de plasma à une valeur de vitesse déterminée,

- on détermine la trajectoire moyenne des particules de l'orifice de sortie de l'injecteur et dans le jet de plasma en utilisant un premier détecteur optique de manière à ajuster la position et l'inclinaison de cet injecteur et pour ajuster la quantité de mouvement moyenne des particules à la sortie de l'injecteur de particules,

- on mesure la vitesse moyenne de chaque particule en illuminant cette particule à au moins trois instants différents en utilisant une source de lumière générant des puises de lumière, et en détectant

sur une seule image la lumière réfléchie correspondante en utilisant un deuxième détecteur optique, le deuxième détecteur optique et la source de lumière étant synchronisés.

L'invention concerne également un dispositif pour générer un flux thermique chargé de particules comprenant:

- une source de plasma comprenant une extrémité de source de plasma ayant un axe principal le long duquel est dirigé un jet de plasma vers l'extérieur,

- au moins un injecteur de particules ayant au moins un orifice de sortie, ledit injecteur de particules étant destiné à injecter un gaz porteur et des particules dans le jet de piasma.

Selon l'invention, ce dispositif comprend:

- un support dépiaçable dans deux directions pour positionner axialement et radialement ledit injecteur par rapport audit axe principal et des moyens d'inclinaison pour contrôler la position angulaire dudit injecteur par rapport à un axe perpendiculaire audit axe principal,

- un premier détecteur optique et des moyens de visualisation pour détecter la trajectoire moyenne des particules depuis la sortie de î'injecteur et dans le jet de plasma, et - des moyens pour déterminer la vitesse moyenne desdites particules.

Dans différents modes de réalisation du dispositif pour générer un flux thermique chargé de particules, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - les particules sont choisies dans le groupe comprenant Ai ₂ O ₃ , SiO ₂ ,

FeOH, Fe ₃ O ₄ et des combinaisons de celles-ci,

- I'injecteur comprend un régulateur de débit pour contrôler le flux du gaz porteur utilisé pour injecter les particules de manière à contrôler la quantité de mouvement moyenne de ces particules à la sortie de I'injecteur,

- la taille des particules est comprise entre environ 20 et 40 micromètres,

- la concentration de particules est comprise entre environ 0,001 et 40 pourcent en masse du jet de plasma,

- la concentration de particules est comprise entre environ 20 et 40 pourcent en masse du jet de plasma.

Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement le dispositif pour générer un flux chargé de particules selon un mode de réalisation de l'invention;

- la figure 2 est une représentation schématique du dispositif pour générer un flux chargé de particules selon un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 montre schématiquement les trajectoires moyennes suivies par les particules en fonction du courant d'arc associé à un débit volumique d'air pour un mode de mise en œuvre particulier de l'invention;

- la figure 4 montre schématiquement la distribution des vitesses moyennes des particules (m/s) le long de l'axe principal en fonction du courant d'Arc appliqué (A), la distance sur l'axe des x étant mesurée depuis l'extrémité de la source à plasma (en mm).

La Figure 1 montre un dispositif pour générer un flux thermique chargé de particules selon un mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif comprend une source de plasma 1 comportant une extrémité de source ayant un axe principal 2. La source de plasma 1 est avantageusement une torche plasma. Dans ce mode de réalisation particulier, ia torche à plasma est une torche à plasma AQTIL commercialisée par EADS ST. Cette torche de forte puissance comporte deux électrodes tubulaires coaxiales en cuivre entre lesquelles le gaz plasmagène est injecté avec une vitesse tangentielle importante. Les électrodes sont refroidies à l'eau. Cette torche peut fonctionner avantageusement de façon stable dans une large gamme d'intensité de courant et de débits d'air.

La source de piasma 1 produit un jet de plasma 3 dirigé vers l'extérieur le long de cet axe principal 2. Un échantillon 4 placé le long de cet axe principal 2 reçoit le jet de plasma 3.

Le dispositif comprend au moins un injecteur de particules 5 ayant au moins un orifice de sortie 6. Cet injecteur de particules 5 est destiné à injecter un gaz porteur et des particules dans le jet de plasma au niveau de la sortie de la source de plasma 1. Le gaz porteur des particules est utilisé pour

entraîner et permettre la pénétration des particules dans ie jet de plasma 3. Le débit du gaz porteur est fixé en fonction de ia nature des particules, de sa distribution granulométrique mais aussi de la puissance dissipée dans le jet de plasma 3. Cependant ce débit reste très faible comparé au débit du jet de plasma 3 de sorte que !a perturbation générée par ia pénétration des particules est négligeable. A titre illustratif, pour un débit voiumique d'air compris entre 1500 et 8000 l/min, le débit volumique du gaz porteur est de moins de 20 l/min. Dans un mode de réalisation préférentiel, le dispositif comprend plusieurs injecteurs 5 distribués de manière homogène autour du jet de plasma 3. Le nombre d'injecteurs 5 est avantageusement compris entre 2 et 8.

L'injecteur 5 peut comprendre un régulateur de débit pour contrôler le flux du gaz porteur utilisé pour injecter les particules de manière à contrôler la quantité de mouvement moyenne de ces particules en sortie de l'injecteur 5. Un support 8 déplaçable dans deux directions permet de positionner axialement et radialement l'injecteur 5 par rapport à l'axe principal 2 de l'extrémité de la source de plasma 1 et des moyens d'inclinaison permettent de contrôler sa position angulaire par rapport à un axe perpendiculaire 7 à l'axe principal 2 (Figure 2). Le support 8 est, par exemple, un bras monté sur une table de déplacement dans un plan x-y parallèle à l'axe principal 2, II permet également d'ajuster la position de l'orifice de sortie 6 de cet injecteur 5 le long de l'axe perpendiculaire 7 à Taxe principal 2. Le déplacement de ce bras peut être motorisé ou non. Les moyens d'inclinaison de ['injecteur permettent d'incliner celui-ci d'un angle compris entre 0° et 90° vers l'extrémité de la source de plasma 1.

De préférence, la taille des particules est comprise entre environ 20 et 40 micromètres et leur concentration est comprise entre environ 0,001 et 40 pourcent en masse du jet de plasma. Pour simuler des jets propulsifs, la concentration de particules sera plutôt prise entre environ 20 et 40 pourcent en masse du jet de plasma.

Les particules sont avantageusement choisies dans le groupe comprenant AI ₂ O ₃ , SiO ₂ , FeOH, Fe ₃ O ₄ et des combinaisons de celles-ci. Les particules AI ₂ O ₃ et SiO ₂ sont préférées dans les simulations d'un propulseur à poudre, alors que les particules de FeOH, Fe ₃ O ₄ sont préférées pour des simulations d'une rentrée atmosphérique et, en particulier, d'une rentrée dans

l'atmosphère Martienne. D'autres particules pourraient être mises en œuvre pour simuler d'autres environnements.

Le dispositif comporte un premier détecteur optique 9, par exemple une caméra vidéo infrarouge et des moyens de visualisation tels qu'un écran pour détecter et visualiser la trajectoire moyenne des particules depuis l'orifice de sortie 6 de l'injecteur 5 et dans le jet de plasma 3.

De plus, le dispositif comprend des moyens pour déterminer ia vitesse moyenne desdites particules. Ces moyens comprennent avantageusement une source de lumière 10 générant des puises de lumière et un deuxième détecteur optique 11. Le deuxième détecteur optique 11 et la source de lumière 10 sont synchronisés. Préférentiellement, la source de lumière 10 est une source laser semi-conducteur et le deuxième détecteur optique 11 est une caméra rapide permettant l'enregistrement d'images à hautes vitesses. Cette caméra 11 est capable de détecter de faibles intensités lumineuses. Cette caméra 11 étant par exemple une caméra CCD ayant une matrice ligne- colonne de pixels, on affecte à chaque mesure au moins une coordonnée x représentant la distance de la particule le long de l'axe principal 2 par rapport à l'extrémité de la source de plasma 1 à un instant t.

On mesure la vitesse de chaque particule en illuminant les particules à au moins trois instants différents. La vitesse moyenne de chaque particule est alors obtenu en faisant le rapport entre la distance parcourue par la particule mesurée entre deux points de mesure par le délai séparant deux puises successifs de la source de lumière 10. La caméra CCD reste ouverte pendant les au moins trois expositions de manière à visualiser les trois positions au moins des particules sur une seule et même image par superposition.

Les informations recueillies par ce deuxième détecteur 11 sont avantageusement utilisées avec celles du premier détecteur pour déterminer Ia trajectoire moyenne des particules depuis la sortie du ou des injecteurs 5 et dans le jet de plasma 3. Le dispositif peut comprendre un porte-échantillon 12, lequel est incunable de sorte que la surface de cet échantillon 4 forme un angle compris entre 0° et 90° par rapport à i'axe principal 2 de l'extrémité de la source de plasma 1. De préférence, ce porte-échantillon 12 est apte à recevoir des échantillons 4 de taille standard, c'est-à-dire d'une taille représentative des éléments mis en œuvre comme éléments structuraux d'un revêtement

thermique d'un engin spatial par exemple. La présente invention se prête ainsi aux essais dits en "planche inclinée", représentatifs des cotés des véhicules de rentrée ou des propulseurs quand le flux thermique est en partie tangentiel à la surface des matériaux. En "planche inclinée", on utilise de manière standard, un échantillon carré dont les dimensions minimales sont de 300 mm par 300 mm, et en "point d'arrêt", un échantillon d'un diamètre minimal de 25 mm.

La Figure 2 montre un dispositif de l'invention selon un autre mode de réalisation. Les éléments ayant les mêmes références qu'à la Figure 1 représentent les mêmes objets. Ce dispositif diffère de celui de la Figure 1 , par le fait que l'extrémité de la source de plasma 1 est reliée à une enceinte sous vide 13 dans laquelle est dirigé le jet de plasma 3. Cette enceinte 13 est pompée par une unité de pompage. Cette unité de pompage comporte par exemple au moins une pompe primaire à haut débit. Sur l'enceinte 13 est montée au moins une vanne de dosage 14 reliée à un dispositif de dosage pompée par exemple par une pompe primaire, et une jauge de pression pour introduire un gaz dans cette enceinte 13 au moyen de la vanne de dosage 14 et du dispositif de dosage. Ce gaz est par exemple du CO ₂ . Ce dispositif comporte également un diffuseur 15 pour évacuer le jet de plasma 3. Enfin, l'injecteur 5 est positionné de façon à injecter les particules du bas vers le haut.

L'invention concerne également un procédé pour générer un flux thermique chargé de particules, les particules étant au moins partiellement dirigées sur un objet 4. Selon ce procédé, on injecte un gaz porteur et des particules à partir d'au moins un injecteur de particules 5 ayant au moins un orifice de sortie 6 dans un jet de plasma 3. Ce jet de plasma 3 est dirigé depuis l'extrémité d'une source de plasma 1 vers l'extérieur le long d'un axe principal 2. Ce jet de plasma 3 a un cœur.

On ajuste ensuite les positions axiale et radiale de cet injecteur de particules 5 par rapport à l'axe principal 2 et l'inclinaison de cet injecteur 5 par rapport à un axe perpendiculaire 7 audit axe principal 2 et on contrôle la quantité de mouvement moyenne des particules à l'orifice de sortie 6 de l'injecteur 5 pour entraîner de manière homogène les particules dans le cœur du jet de plasma 3. Dans un mode de réalisation, on positionne l'orifice de sortie 6 de Tinjecteur 5 dans le jet de plasma 3, la température du jet de

plasma 3 étant inférieure à la température de fusion du matériau constitutif de l'injecteur 5. Afin d'ajuster les positions et l'inclinaison de l'injecteur et pour ajuster la quantité de mouvement moyenne desdites particules à la sortie de cet injecteur 5, on détermine la trajectoire moyenne des particules de l'orifice de sortie 6 de i'injecteur 5 et dans le jet de plasma 3 en utilisant un premier détecteur optique 9, par exemple une caméra vidéo infrarouge.

Les particules acquièrent à une distance variable D de l'extrémité de la source de plasma 1 une vitesse moyenne maximale. On détermine alors la distance D de l'extrémité de la source de plasma 1 et on positionne l'objet 4 à caractériser à cette distance D. L'objet à caractériser peut également être positionné jusqu'à une position D' le iong de l'axe principal 2, à partir de cette position D, la position D' étant telle que les particules présentent encore une vitesse approximativement égale à au moins 90% de la vitesse moyenne maximale des particules déterminée. Avantageusement, on mesure cette vitesse moyenne maximale et on ajuste la vitesse du jet de piasma à une valeur de vitesse déterminée. Cet ajustement de la vitesse du jet de plasma 3 peut être réalisée en ajoutant une tuyère à l'extrémité de la source de plasma 1 , ou en augmentant la puissance électrique de fonctionnement de la source de plasma 1 , ou encore en adaptant la composition du gaz porteur générant le plasma. Dans ce dernier cas, on utilise un gaz choisi dans le groupe comprenant H ₂ , CO ₂ et N ₂ .

La Figure 3 montre un mode de mise en oeuvre de l'invention pour des poudres d'alumine avec une torche plasma. L'orifice de sortie 6 de l'injecteur 5 est placé à une distance h de 14 mm de l'extrémité de la torche plasma 1 le long de l'axe principal 2 et à une hauteur I ₂ de 24 mm le long d'un axe perpendiculaire 7 à cet axe principal 2. L'injecteur 5 n'est pas incliné par rapport à cet axe perpendiculaire 7 à l'axe principal 2. Cette figure 2 montre les trajectoires moyennes des particules depuis la sortie de l'injecteur et dans le jet de plasma pour un gaz porteur de 6 L/min, en fonction du courant d'arc (A) mis en œuvre pour générer la torche piasma associé à un débit volumique d'air de la torche piasma (l/min). La première courbe C-i (croix) est obtenue pour un couple 450 A-7700 i/min, ia deuxième courbe C ₂ (triangle plein) est obtenue pour un couple 310 A-3400 l/min et ia troisième courbe C ₃ (cercie) est obtenue pour un couple 180 A-1700 l/min. Il ressort de ces courbes que les particules ne pénètrent pas au cœur du jet de plasma pour la première

courbe C-i, contrairement aux deux autres courbes C ₂ et C ₃ pour lesquelles les trajectoires moyennes coupent l'axe principal 2 à environ 100 mm de l'extrémité de la source de plasma 1. La quantité de mouvement du jet est trop importante comparée à celle liée à l'écoulement radial en sortie de l'injecteur.

On observe donc que pour entraîner de manière homogène les particules au cœur de i'écoulement plasma, c'est-à-dire s'assurer que l'ensemble des particules soient effectivement entraînées au centre de l'écoulement du jet de plasma, ii est nécessaire non seulement d'ajuster les positions axiale et radiale de l'injecteur par rapport audit axe principal et son inclinaison par rapport à un axe perpendiculaire audit axe principal mais également de contrôler la quantité de mouvement moyenne de ces particules à l'orifice de sortie de cet injecteur.

La Figure 4 montre dans un mode de mise en œuvre particulier la distribution des vitesses moyennes des particules le long de l'axe principal en fonction du courant d'Arc (A). L'axe des abscisses 16 qui représente la position des particules le long de l'axe principai (mm), a pour point d'origine 17 l'extrémité de la source à plasma et l'axe des ordonnées 18 représente la vitesse moyenne des particules (m/s). Les poudres utilisées sont des particules d'alumine et la source à plasma est une torche plasma AQTIL. La première courbe Si (losange) est obtenue pour un courant d'Arc de 450 A, la deuxième courbe S ₂ (rectangle) est obtenue pour un courant d'Arc de 310 A et la troisième courbe S ₃ (triangle) est obtenue pour un courant d'Arc de 180 A. Il ressort de ces courbes que les particules présentent des phases d'accélération et de décélération et que la position axiale 19 du maximum de la vitesse moyenne des particules pour un courant d'Arc donné se déplace vers l'aval de la torche avec l'augmentation du courant d'arc. La distance D de l'extrémité de la source de plasma à laquelle les particules acquièrent une vitesse moyenne maximale est donc bien variable en fonction du courant d'arc appliqué. Il est nécessaire de déterminer cette position pour la caractérisation des échantillons dans des conditions aussi réelles que possible. On observe également que la vitesse moyenne maximale des particules est approximativement quatre fois plus éievée à 450 A (420 +/- 45 m/s) qu'à 180 A (125 +/- 15 m/s). On peut donc ajuster la vitesse moyenne maximaie des

particules en ajustant la vitesse du jet de plasma par augmentation de la puissance électrique de fonctionnement de la source de plasma.

Avantageusement, l'invention peut être mise en œuvre comme dispositif de pulvérisation thermique de particules pour le dépôt de revêtements, par exemple métalliques, sur une surface.