Emissionsspektroskopische Grenzschichtuntersuchung während ablative Materialprüfung in Plasmatron

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Verfahrens ist es, die Materialreaktion und die Wechselwirkungsphänomene der Gasoberfläche von ablativen Wärmeschutzmaterialien und hohen NTP-Strömungen zu charakterisieren, um Daten für die numerische Modellentwicklung und -validierung bereitzustellen. Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Bereich der Bodenprüfung von Wärmeschutzmaterialien zu beantworten, z. B. wie sich das Material zersetzt und wie die reaktive Bindungsschicht beeinflusst wird. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir nur optische Methoden anwenden, die ein breites Spektrum an Informationen liefern und die für die Materialanalyse relativ einfach standardisiert werden können.

Im Allgemeinen werden Personen, die neu auf dem Boden sind, aufgrund der Komplexität der Messtechniken Schwierigkeiten haben, Tests im Plasma-Ven-Tun-Ele durchzuführen. Mit einer visuellen Demonstration wird es eine Hilfe sein. Die Auswirkungen dieser Technik sollen auf viele Hitzeschildmaterialien wie keramische Verbundwerkstoffe und insbesondere pyrolysierende Kohlenstoffphenole ausgeweitet werden.

Richten Sie zunächst das optische System mit einem vertikalen und horizontalen Linienlaser aus, indem Sie alle Komponenten auf die gleiche Höhe wie das Prüfmuster bringen und die Linse senkrecht zur Stagnationslinie der Probe ausrichten. Fokussieren Sie den Strahlengang, indem Sie die Linse im berechneten Abstand zum Prüfmuster platzieren und die optische Faser im berechneten Abstand zur Linse endet. Beleuchten Sie den Stagnationspunkt der Probe mit einer bleistiftartigen Quecksilber-Kalibrierlampe und positionieren Sie die Faserenden an der Stelle des am besten fokussierten Bildes.

Sobald das Linsenfasersystem ausgerichtet ist, senden Sie einen Laserpunkt durch die spektrometerseitigen Faserenden und beobachten Sie den fokussierten Laser auf der Probenseite mit einem weißen Papierblatt, um die korrekte Position und Fokussierung vor der Testprobe zu bestätigen. Verhindern Sie, dass jede Emission, außer derjenigen aus dem Brennpunkt, in die optischen Faserenden eindringt, indem Sie den Strahlengang z. B. mit schwarzer Pappe umschließen. Senden Sie einen Laserstrahl durch die optischen Fasern, um zu überprüfen, ob kein vom Faserende emittiertes Licht die Linse direkt erreichen kann.

Beobachten Sie anschließend die Prüfprobe mit einer Hochgeschwindigkeitskamera oder HSC senkrecht zur Probenoberfläche. Verwenden Sie den Zugang zum Probenobjektivsystem für die horizontale und vertikale Ausrichtung der Kameraoptik und stellen Sie sicher, dass die Mitte des Sichtfelds des HSC mit der Mitte des Objektivs und dem Stagnationspunkt der Probe übereinstimmt. Synchronisieren Sie das HSC und die Emissionsspektrometer mit einem digitalen Verzögerungsgenerator oder DDG.

Triggern Sie die HSC-Aufnahme mit einer einzelnen Spannungsspitze aus dem DDG und triggern Sie jede Spektrumaufnahme mit der gewünschten Frequenz. Für die Radiometrie ist ein Zweifarben-Pyrometer zur Beobachtung der Oberflächentemperatur in Kombination mit einem Quarzfenster an der Prüfkammer zu verwenden. Um die HSC-Software einzurichten, stellen Sie die hohe Belichtungszeit auf 90 Millisekunden ein, um den HSC vor dem Experiment mit der Testprobe an Ort und Stelle auszurichten und zu fokussieren und ein Vortestbild aufzunehmen.

Ändern Sie die Belichtungszeit für das Experiment. Stellen Sie den Nachauslöser auf Maximum und stellen Sie die richtige Aufzeichnungsrate ein, um das gesamte Experiment abzudecken. Nachdem Sie die anfängliche Blendenzahl auf 16 eingestellt haben, stellen Sie den DDG auf die gewünschte Wiederholrate ein, mit der die Spektren von den Spektrometern aufgezeichnet werden sollen.

Richten Sie als Nächstes die Spektrometer-Erfassungssoftware ein. Nachdem Sie sich vergewissert haben, dass das optische System richtig positioniert ist, nehmen Sie mit jedem Instrument ein Hintergrundbild auf und speichern Sie es. Starten Sie anschließend die Plasmaanlage und bringen Sie sie in den gewünschten Testzustand.

Starten Sie dann die Aufnahme der HD-Kamera. Starten Sie dann die Aufnahme der Pyrometer. Nehmen Sie mit allen Spektrometern ein kostenloses Stromspektrum für den Kalibrierungsvergleich.

Wenn Sie fertig sind, verringern Sie die Integrationszeit von 200 Millisekunden auf 50 Millisekunden, um eine Sättigung zu vermeiden. Triggern Sie das HSC und die Spektrometer über das DDG, indem Sie den Trig drücken und den Modus von extern auf intern einstellen. Anschließend injizieren Sie die Testprobe in den Plasmastrom.

Sobald der Test abgeschlossen ist, stoppen Sie die DDG. Stoppen Sie nach dem Speichern der HSC-Bilder die Erfassung des Pyrometers. Senden Sie anschließend einen Laserpunkt durch die Spektrometerseite des spektrometerseitigen Glasfaserendes.

Beobachten Sie den Laserfokus mit HSC und speichern Sie dieses Bild, um die Position des Spektrometers zu markieren. Nachdem Sie den vorherigen Schritt mit jedem Spektrometer wiederholt haben, platzieren Sie ein Schachbrett an der Position der Testprobe und zeichnen Sie das Bild mit dem HSC zur Kalibrierung auf. Nachdem die Probe entnommen wurde, notieren Sie ihr Gewicht.

Nachdem Sie Fotos von der Probe gemacht haben, lagern Sie sie im Probenlager, um die spröde, verkohlte Schicht aus oxidierten Fasern zu schützen. Führen Sie an dieser Stelle eine Intensitätskalibrierung jedes optischen Systems durch, indem Sie eine Wolframbandlampe im Fokus jeder Sammeloptik in der Prüfkammer platzieren. Nehmen Sie das Spektrum der Kalibrierlampe auf.

Beobachten Sie als Nächstes die Injektions- und Auswurfzeiten der Probe in der HSC-Videodatei, um eine korrekte Schätzung der Testzeit zu gewährleisten. Beobachten Sie die Pixelposition des Stagnationspunkts des Prüfmusters bei der Injektion aus der HSC-Videodatei. Exportieren Sie die zuvor aufgenommenen Bilder und suchen Sie die Pixel des Spektrometers, die die Sondierungspositionen als helle Flecken auf dem Bild anzeigen, die die X- und Y-Positionen anzeigen.

Öffnen Sie anschließend die Datei mit dem Wellenlängenvektor der kalibrierten Spektren und identifizieren und identifizieren Sie die Zeilenindizes, die den relevanten Wellenlängen entsprechen. Plotten Sie die spektral integrierte Emission jedes Spektrometers als Funktion der Spektrometerentfernungen von der Oberfläche. Um die Ergebnisse besser interpretieren zu können, führen Sie eine polynomiale Anpassung der Daten durch, und stellen Sie die Ergebnisse grafisch dar.

Wählen Sie für die REM-Analyse eine einzelne Well-Observable-Faser mit dem REM-System aus. Schätzen Sie die Dicke und Länge der Frischkohlefaser mit den von der REM-Systemsoftware bereitgestellten Werkzeugen gemäß den Anweisungen des Herstellers. Schneiden Sie das spröde Material mit einem Skalpell ab.

Schätzen Sie dann die Tiefe, in der die Fasern verdünnt werden, indem Sie die Dicke der abgetragenen Fasern mit der Dicke der Frischfaser vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Messung der Messschieberrollenrezession in der Regel zu höheren Werten führte als die HSC-Bildgebung. Die HSC-ermittelten Rezessionsraten im Luftplasma unterschieden sich nicht wesentlich, was wahrscheinlich auf ein diffusionskontrolliertes Ablationsregime zurückzuführen ist.

Die integrierten CN-Aufnahmeintensitäten, die über die Entfernung von der Ablationsfläche aufgetragen werden, zeigen eine gute Übereinstimmung zueinander. Die experimentellen Spektren von CN-Violett bei niedrigem und hohem Druck wurden mit simulierten Spektren verglichen, um die Gastemperaturen zu erhalten. Die geschätzten Temperaturen ergaben eine hohe Abweichung vom thermischen Gleichgewicht bei niedrigem Druck.

Die ermittelten Temperaturen bei niedrigem Druck betrugen 8200 Kelvin für die Translation der Rotationstemperatur und 21.000 Kelvin für die Schwingungstemperatur in Wandnähe, wobei letztere durch die Grenzschicht abnimmt. Dies steht im Gegensatz zum Gleichgewichtszustand in der gesamten Grenzschicht bei höherem Druck. Mikroaufnahmen zeigten, dass die Kohlenstoffoxidation im Luftplasma zu einer Eiszapfenform der abgetragenen Fasern mit einer Oxidationstiefe von etwa 0,2 Millimetern führte.

Bei einigen Ablationstests wurde eine helle Funkenbildung beobachtet, die durch heiße Fasercluster verursacht werden könnte, die sich von der Oberfläche lösen. Die Ablation im Stickstoffplasma führte zu einem starken Abbau der Fasern entlang ihrer Oberfläche, was zu einer langsamen Rezession des Materials durch Nitridierung führte. Obwohl die Teilnahme positiv ist, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass sowohl experimentelle als auch numerische Berechnungen der Plasmajets für das Verständnis der aufgenommenen Daten notwendig sind.

Diese Methode kann problemlos auch an pyrolysierenden Materialien durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten: Wie bei anderen dren-sen Pyrolysen variiert die Ausgasung im Laufe der Zeit und wie sich ihre Zeitskala von Oberflächenablationsprozessen unterscheidet. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik Forschern in der Luft- und Raumfahrttechnik den Weg, Modelle für den Abtrag von Verbundwerkstoffen zu entwickeln. Verwenden Sie experimentelle Daten zur Materialreaktion in der Gasphase.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern und Kohlefasermaterialien gefährlich sein kann und bei der Durchführung dieses Verfahrens Vorsichtsmaßnahmen wie Laborkittel, Handschuhe und Brillen getroffen werden müssen.