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Les planètes gazeuses extérieures Jupiter et Saturne et en particulier les géantes de glace extérieures Uranus et Neptune sont depuis longtemps reconnues comme des cibles pour une mission d'exploration hautement prioritaire. Ces corps froids et denses ne ressemblent à aucune autre planète trouvée dans notre système solaire, la dernière à être explorée et la moins comprise. Leur atmosphère est principalement constituée d'hydrogène (H2), d'hélium (He) et dans le cas de Neptune, de traces de méthane (CH4). Une mission vers un ou plusieurs de ces corps géants glacés apportera une contribution significative à l’avancement de notre compréhension de la formation et de l’évolution du système solaire et d’autres systèmes exoplanétaires. L'ESA prépare les technologies d'essais aérothermodynamiques pour des entrées à grande vitesse dans les planètes extérieures, géantes, de glace et de gaz pour de telles missions futures.

Le mérite scientifique des géants de glace a été recommandé à l’échelle internationale dans le cadre de l’enquête décennale des sciences planétaires 2023-2032 de la NASA et du programme Voyage 2050 de l’ESA. Une sonde atmosphérique dotée d'instruments in situ sur l'une des géantes de glace a été considérée comme une mission hautement prioritaire et pourrait être envisagée dans le cadre d'une mission scientifique de classe moyenne (M) de l'ESA.

Deux études CDF de l'ESA réalisées en 2019 ont examiné les contributions potentielles de l'ESA à une mission dirigée par la NASA vers Uranus ou Neptune et la géante gazeuse Saturne. À l’instar du partenariat pour la mission Cassini-Huygens, pour lequel l’ESA a fourni la sonde Huygens, la mission aurait un impact significatif pour la communauté européenne des sciences planétaires dans son ensemble. Il existe une opportunité potentielle de lancement au début des années 2030, où un passage de Jupiter permettrait d'accéder à plusieurs planètes. Récemment, des planétologues de la NASA ont également déclaré qu'une mission vers Uranus constituait une opportunité future prioritaire.

Avant qu’une mission puisse être envisagée, des recherches plus approfondies sont nécessaires pour comprendre l’environnement aérothermique d’une entrée géante de glace. Tout vaisseau spatial en descente serait soumis à un échauffement intense lorsqu'il plongerait dans l'atmosphère froide et dense à des vitesses d'entrée d'environ 23 km/s pour une mission Uranus ou Neptune, et d'environ 27 km/s pour Saturne. Le système de protection thermique du vaisseau spatial devrait protéger la précieuse charge utile des effets de chaleur extrêmes. Le taux de chauffage serait d’un ordre de grandeur supérieur à celui de n’importe quelle mission actuellement entreprise par l’ESA. « Le but de l'activité était d'adapter l'installation au sol actuelle pour simuler les conditions atmosphériques pertinentes H2/He/CH4 sur la sonde dans des installations d'essai au sol, qui n'étaient pas encore disponibles en Europe et aucune installation plasma n'existe pour simuler un H2/He. /Environnement CH4 », explique Louis Walpot, responsable technique de cette activité.

Grâce à une activité de réduction des risques financée par l'Allemagne, la Grande-Bretagne et l'ESA GSTP, le groupe de diagnostic des flux à haute enthalpie (HEFDiG) de l'Institut des systèmes spatiaux (IRS) de l'Université de Stuttgart et le groupe hypersonique de l'Université d'Oxford ont adapté leurs installations d'essais au sol respectives. .

Le tunnel Oxford T6 Stalker, situé à l'Université d'Oxford, a simulé la dynamique radiative aérothermodynamique des gaz à grande vitesse et a étudié les flux de chaleur convectifs dans un environnement représentatif H2/He/CH4. Il s'agit de l'installation de soufflerie la plus rapide d'Europe, offrant une installation d'essais hypersoniques, multimodes et aérothermodynamiques, basée sur la conception du regretté professeur Ray Stalker.

« Le tunnel est capable de mesurer à la fois la convection et le flux de chaleur radiative, et de fournir de manière critique les vitesses d'écoulement requises pour la réplication de l'entrée d'une géante de glace, avec des traces de CH4. Le tunnel lui-même fonctionne avec un entraînement à piston libre, qui peut être couplé à plusieurs composants différents en aval pour devenir un tube à choc, un tunnel à choc réfléchi ou un tube d'expansion. Cette adaptabilité permet une large gamme de tests, depuis les tests de modélisation à sous-échelle jusqu'à l'exploration des processus fondamentaux d'écoulement à grande vitesse », ajoute Louis Walpot.

De même, les interactions gaz-surface sur les ablateurs sont étudiées dans la soufflerie à plasma PWK1 de l'IRS. PWK1 est actuellement la seule installation plasma au monde dotée des capacités hydrogène requises pour étudier l'interaction de la pyrolyse et de l'ablation sur le système de protection thermique d'un vaisseau spatial.