Choix d'un matériau pour un bouclier thermique. Bac S Asie 2014

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Après avoir résumé le principe et l'intérêt de la protection thermique des engins spatiaux, vous justifierez le choix d'utiliser le PICA comme matériau pour un bouclier thermique.
Le bouclier thermique d'un engin spatial a pour but d'assurer la survie du vaisseau et des occupants éventuels. Pour atteindre ce but il faut maitriser les échanges de chaleur internes et avec l'environnement.
Lors de la rentrée dans l'atmosphère, freinée par les forces de frottement, l'énergie cinétique est transformée en énergie thermique. Les parties externes de l'engin peuvent être portées à plus de 1500°C. Une protection thermique est donc indispensable. Celle-ci peut être assurée par un matériau ablatif ( ce dernier élimine la chaleur en se décomposant couche par couche ) ou par un matériau isolant qui renvoie la chaleur ( pour un engin réutilisable).
Sans bouclier thermique :
L'engin serait exposé à un flux thermique F1 mettant en jeu environ 20 % de la variation de son énergie cinétique.
Energie cinétique à l'entrée dans l'atmosphère : 5,03 1010 J.
Energie cinétique à l'ouverture des parachutes : 0,03 1010 J.
Variation de cette énergie : -
5,0 1010 J.
Energie thermique :
0,20 *5,0 1010 = 1,0 1010 J.
La durée de la décélération dure 200 s.
Flux thermique :
F1 =1,0 1010 /200 =5 107 W.
Surface exposée aux frottements : 20 m2.
Flux thermique par unité de surface :
5 107 / 20 = 2,5 106 W m-2.
Avec un bouclier thermique :
Transfert thermique par conduction à travers le bouclier :
F = DT l / e avec DT ~2000 K ; l = 0,1 W m-1 K-1 ; e = 0,10 m.
F =2000*0,1 / 0,1 = 2 103 W m-2.
 La présence d'un bouclier thermique divise ce flux thermique par 1000.



Choix du PICA.
Dans la zone d'ablation la résine phénolique est pyrolysée, les fibres de carbone sont sublimées : ces transformations absorbent une partie de l'énergie thermique.
Les gaz issus de la pyrolyse rejettent une partie du flux thermique incident par convection.
La couche de carbone  dissipe une partie de ce flux thermique par radiation du fait de sa forte émissivité.
Pour une durée d'ablation de 200 s, la diminution d'épaisseur du matériau est d'environ 0,02 *200 = 4 mm. Il en reste donc encore 6 mm.

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