Thèse Simulation Numérique et Modélisation des Instabilités de Combustion dans les Moteurs-Fusées de Nouvelle Génération H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
Direction de la thèse : Sébastien DUCRUIX ORCID 0000000239349176
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

Ce projet doctoral aborde un défi scientifique crucial pour la propulsion spatiale : les instabilités de combustion dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Ces instabilités, caractérisées par des oscillations de pression à haute fréquence (20 à 30 % de la pression moyenne), résultent du couplage entre les modes acoustiques de la chambre de combustion et la libération instationnaire de chaleur. Elles engendrent des contraintes mécaniques et thermiques excessives, risquant de compromettre la mission. Leur maîtrise est donc essentielle pour concevoir des moteurs plus performants et fiables, en phase avec les exigences des lanceurs actuels et futurs.

L'originalité du projet réside dans son approche intégrée, combinant simulation haute-fidélité, exploitation de données expérimentales et modélisation d'ordre réduit. L'objectif est d'intégrer les mécanismes physiques des instabilités dans le code StaHF, développé conjointement par le CNRS, le CNES et ArianeGroup. Ce code, validé par des simulations aux grandes échelles et des données expérimentales issues de bancs cryotechniques, permet aujourd'hui à ArianeGroup une prédiction robuste des instabilités en phase de conception.

Le programme de travail se structure en trois axes. Le premier consiste en une analyse critique des mécanismes de couplage acoustique/flamme et d'amortissement, comparés à des simulations haute-fidélité. Le deuxième axe vise à poursuivre le développement de cette méthodologie d'ordre réduit pour prédire les instabilités dans des moteurs réels, validée par des données de la littérature. Enfin, le troisième axe évaluera la robustesse et la sensibilité de l'outil, en analysant ses incertitudes pour une utilisation en ingénierie.

Le doctorant bénéficiera d'un environnement pluridisciplinaire, acquérant des compétences en modélisation physique, validation expérimentale et développement d'outils numériques. Ces compétences, essentielles pour le secteur spatial, seront valorisées par des publications dans des revues internationales et des communications lors de conférences majeures (AIAA, EUCASS, Space Propulsion).

Le projet s'appuiera sur des ressources de calcul haute performance, des données expérimentales et un encadrement conjoint de Sébastien Ducruix et Thomas Schmitt, Chargé de Recherche au CNRS. Un cofinancement a été demandé à l'Académie Spatiale d'Ile-de-France lors de son dernier appel, complété par un soutien du CNES et d'ArianeGroup.

La dynamique de la combustion constitue un verrou scientifique majeur pour la propulsion spatiale, en particulier dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Lors de la conception de nouvelles chambres de combustion, des instabilités peuvent apparaître sous la forme d'oscillations de pression dues à l'interaction non linéaire entre les modes de résonance acoustique du moteur et le dégagement de chaleur instationnaire de la combustion. Ces instabilités, dites à haute-fréquence (HF) dans le cas des moteurs-fusées, peuvent atteindre 20 à 30 % de la pression moyenne de la chambre, induisant des sollicitations mécaniques et thermiques excessives sur les parois et les injecteurs. Elles dégradent le fonctionnement du moteur et peuvent conduire, dans des cas extrêmes, à des défaillances critiques et à l'échec de la mission. La maîtrise des instabilités de combustion est un enjeu central pour le développement de moteurs plus performants, plus sûrs et compatibles avec les exigences des lanceurs actuels et futurs.Par ses liens avec le lanceur Ariane et les thématiques d'observation de la terre associées, ce projet doctoral s'inscrit directement dans la thématique prioritaire relative au climat, à l'énergie et à la mobilité.

Cette thèse a pour but d'étudier et de modérer les instabilités de combustion à haute fréquence dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Elle vise à valider et améliorer les mécanismes de couplage acoustique/flamme en comparant le code StaHF avec des simulations haute-fidélité et des données expérimentales. L'objectif est de participer au développement d'un outil prédictif robuste pour optimiser la conception des moteurs spatiaux, en garantissant leur performance et leur sécurité.