Dynamic stability of the HUYGENS probe at Mach 2.5

Atmospheric re-entry is a critical phase for space vehicles. Dynamic stability issues play a crucial role for the success of their mission. In the context of the HUYGENS probe entry into Titan's atmosphere, dynamic wind tunnel tests were achieved to address its behaviour. The probe is placed at an initial angle of attack of 4° in the wind tunnel and its spontaneous movement towards a possible equilibrium angle is measured. The unsteady flow simulations presented below intend to obtain a reliable prediction of dynamic stability for future re-entry vehicles. The FLUSEPA code was used to perform these numerical simulations.At first, an inviscid flow simulation has been performed at a Mach number of M=2.5, where the amplitude of the oscillations decreases although the probe should be dynamically stable. The frequency of the experimentally obtained oscillations is well predicted, however no damping has been found. So, the simulation was improved by the modelling of the turbulent effects. It enabled a proper prediction of the damping. Finally, the influence of the wind tunnel sting on the probe stability was numerically investigated.These results emphasize the importance of viscosity and turbulence effects for the prediction of dynamic stability or more generally for wake flows.

RésuméLa rentrée atmosphérique est une phase critique pour les véhicules spatiaux. Les problèmes de stabilité dynamique jouent un rôle crucial quant à la réussite de leur mission. Pour la rentrée de la sonde Huygens dans l'atmosphère de Titan, des essais en soufflerie (oscillations libres) ont été réalisés afin de caractériser son comportement dynamique. La sonde est placée à une incidence initiale de l'ordre de 4° dans la veine de la soufflerie et son mouvement spontané vers une éventuelle incidence d'équilibre est mesuré. Les simulations numériques instationnaires présentées ci-après cherchent à obtenir une prédiction fiable de la stabilité dynamique des véhicules spatiaux de rentrée futurs. Elles sont menées grâce au code de calcul FLUSEPA.Une première simulation de type Euler (écoulements non visqueux) a été réalisée à Mach 2,5, cas où la sonde revient naturellement à incidence nulle (sonde dynamiquement stable). La fréquence des oscillations observées en essai est bien reproduite par ce calcul, cependant aucun amortissement de ces oscillations n'est obtenu. Par la suite, les travaux ont donc été consacrés à la simulation du problème en tenant compte de la modélisation de la turbulence de l'écoulement, ce qui permet d'obtenir des résultats plus probants en ce qui concerne l'amortissement des oscillations. Enfin, l'influence de la présence du dard de soufflerie sur la stabilité de la sonde a été étudiée numériquement.Les résultats de ces travaux mettent en lumière l'importance de la modélisation de la viscosité et de la turbulence pour les problèmes de stabilité dynamique et plus généralement pour la simulation des écoulements de culot.