Investigation de la couche d'émission spectroscopique Boundary au cours d'essai des matériaux ablatif dans Plasmatron

L’objectif global de cette procédure expérimentale est de caractériser la réponse matérielle et les phénomènes d’interaction de surface des gaz des matériaux de protection thermique ablative et des écoulements NTP élevés afin de fournir des données pour le développement et la validation de modèles numériques. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des essais au sol des matériaux de protection thermique, telles que la façon dont le matériau se décompose et comment la couche de liaison réactive est affectée. Le principal avantage de cette technique est que nous n’appliquons que des méthodes optiques, qui donnent un large spectre d’informations et qui peuvent être relativement facilement standardisées pour l’analyse des matériaux.

En général, les personnes novices dans les essais au sol en plasma ven-tun-ele auront du mal en raison de la complexité des techniques de mesure. Avec une démonstration visuelle, ce sera une aide. Les implications de cette technique sont destinées à être étendues à de nombreux matériaux de bouclier thermique tels que les composites céramiques, et en particulier les composés phénoliques de carbone pyrolysants.

Alignez d’abord le système optique à l’aide d’un laser à lignes verticales et horizontales en amenant tous les composants à la même hauteur que l’échantillon de test et en alignant la lentille perpendiculairement à la ligne de stagnation de l’échantillon. Focalisez le chemin optique en plaçant la lentille à la distance calculée de l’échantillon de test et les extrémités de la fibre optique à la distance calculée de la lentille. Illuminez le point de stagnation de l’échantillon à l’aide d’une lampe d’étalonnage au mercure de type crayon et positionnez les extrémités de la fibre à l’endroit de l’image la mieux focalisée.

Une fois le système de fibre de lentille aligné, envoyez un point laser à travers les extrémités de la fibre du côté du spectromètre et observez le laser focalisé du côté de l’échantillon avec une feuille de papier blanc pour confirmer la position correcte et la mise au point devant l’échantillon de test. Empêchez toute émission autre que celle du foyer de pénétrer dans les extrémités de la fibre optique en enroulant le chemin optique, par exemple avec du carton noir. Envoyez un faisceau laser à travers les fibres optiques pour vérifier qu’aucune lumière émise par l’extrémité de la fibre ne peut atteindre directement la lentille.

Ensuite, observez l’échantillon de test avec une caméra à grande vitesse ou un HSC perpendiculaire à la surface de l’échantillon. Utilisez l’accès au système de lentille d’échantillon pour l’alignement horizontal et vertical de l’optique de la caméra, en vous assurant que le centre du champ de vision du HSC coïncide avec le centre de la lentille et le point de stagnation de l’échantillon. Synchronisez les spectromètres HSC et d’émission avec un générateur de retard numérique ou DDG.

Déclenchez l’enregistrement HSC avec un seul pic de tension à partir du DDG et déclenchez chaque enregistrement de spectre avec la fréquence souhaitée. Pour la radiométrie, utilisez un pyromètre bicolore pour l’observation de la température de surface en combinaison avec une fenêtre en quartz au niveau de la chambre d’essai. Pour configurer le logiciel HSC, réglez le temps d’exposition élevé sur 90 millisecondes pour aligner et focaliser le HSC avant l’expérience avec l’échantillon de test en place et prendre une image de pré-test.

Modifiez le temps d’exposition de l’expérience. Réglez le post-déclenchement au maximum et réglez la fréquence d’enregistrement correcte pour couvrir l’ensemble de l’expérience. Après avoir réglé le nombre F initial sur 16, réglez le DDG sur le taux de répétition souhaité auquel les spectres doivent être enregistrés par les spectromètres.

Ensuite, configurez le logiciel d’acquisition du spectromètre. Après avoir vérifié que le système optique est correctement positionné, prenez une image d’arrière-plan avec chaque instrument et enregistrez-la. Ensuite, démarrez l’installation de plasma et amenez-la à l’état d’essai souhaité.

Lancez ensuite l’enregistrement de la caméra HD. Lancez ensuite l’enregistrement des pyromètres. Prenez un spectre à flux libre avec tous les spectromètres pour la comparaison de l’étalonnage.

Une fois terminé, réduisez le temps d’intégration de 200 millisecondes à 50 millisecondes pour éviter la saturation. Déclenchez le HSC et les spectromètres via le DDG en appuyant sur trig et en réglant le mode de l’externe à l’interne. Injectez ensuite l’échantillon de test dans le flux de plasma.

Une fois les tests terminés, arrêtez le DDG. Après avoir enregistré les images HSC, arrêtez l’acquisition du pyromètre. Ensuite, envoyez un point laser à travers le côté spectromètre de l’extrémité de la fibre optique du spectromètre.

Observez la focalisation laser avec HSC et enregistrez cette image pour marquer la position du spectromètre. Après avoir répété l’étape précédente avec chaque spectromètre, placez un échiquier à la position de l’échantillon de test et enregistrez l’image avec le HSC pour l’étalonnage. Une fois l’échantillon d’essai retiré, notez son poids.

Après avoir pris des photos de l’échantillon, rangez-le dans un entrepôt d’échantillons pour protéger la couche carbonisée cassante composée de fibres oxydées. À ce stade, effectuez un étalonnage d’intensité de chaque système optique en plaçant une lampe à ruban de tungstène au foyer de chaque optique de collecte à l’intérieur de la chambre d’essai. Enregistrez le spectre de la lampe d’étalonnage.

Observez ensuite les temps d’injection et d’éjection de l’échantillon sur le fichier vidéo HSC pour une estimation correcte du temps de test. Observez l’emplacement des pixels du point de stagnation de l’échantillon de test lors de l’injection à partir du fichier vidéo HSC. Exportez les images précédemment prises et trouvez les pixels des emplacements de sondage du spectromètre sous forme de points lumineux sur l’image indiquant les positions X et Y.

Ensuite, ouvrez le fichier contenant le vecteur de longueur d’onde des spectres calibrés et identifiez et identifiez les indices de ligne correspondant aux longueurs d’onde pertinentes. Tracez l’émission spectralement intégrée de chacun des spectromètres en fonction des distances du spectromètre par rapport à la surface. Pour une meilleure interprétation des résultats, effectuez un ajustement polynomial des données et tracez les résultats.

Pour l’analyse MEB, sélectionnez une seule fibre bien observable avec le système MEB. Estimez l’épaisseur et la longueur de la fibre de carbone vierge à l’aide des outils fournis par le logiciel du système SEM selon les instructions du fabricant. Coupez le matériau cassant à l’aide d’un scalpel.

Estimez ensuite la profondeur à laquelle les fibres sont amincies en comparant l’épaisseur des fibres ablatées à l’épaisseur de la fibre vierge. Les résultats montrent que la mesure de la récession du rouleau d’étrier a généralement donné des valeurs plus élevées que celles effectuées par l’imagerie HSC. Le HSC a déterminé que les taux de récession dans le plasma aérien ne différaient pas beaucoup, probablement en raison d’un régime d’ablation contrôlé par diffusion.

intensités d’admission du CN intégrées tracées en fonction de la distance de la surface d’ablation montrent une bonne concordance les unes par rapport aux autres. Les spectres expérimentaux du violet CN à basse et haute pression ont été comparés aux spectres simulés afin d’obtenir des températures de gaz. Les températures estimées ont donné un écart élevé par rapport à l’équilibre thermique à basse pression.

Les températures récupérées à basse pression étaient de 8200 Kelvin pour la traduction de la température de rotation et de 21 000 Kelvin pour la température électronique vibrationnelle près de la paroi, cette dernière diminuant à travers la couche limite. Cela contraste avec la condition d’équilibre dans toute la couche limite à une pression plus élevée. Des micrographies ont montré que l’oxydation du carbone dans le plasma d’air conduisait à une forme de glaçon des fibres ablatées avec une profondeur d’oxydation d’environ 0,2 millimètre.

Des étincelles brillantes ont été observées lors de certains tests d’ablation qui pourraient être causées par des amas de fibres chaudes se détachant de la surface. L’ablation dans le plasma d’azote a conduit à des fibres fortement dégradées le long de leur surface, ce qui a conduit à une lente récession du matériau par nitruration. Bien que la participation soit positive, il est important de se rappeler que les expériences sur le calcul numérique des jets de plasma sont toutes deux nécessaires à la compréhension des données acquises.

Cette méthode peut facilement être réalisée également sur des matériaux de pyrolyse afin de répondre à des questions supplémentaires : comme d’autres pyrolysages dren-sen, le dégazage varie dans le temps et en quoi son échelle de temps est différente des processus d’ablation de surface. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs en génie aérospatial pour développer des modèles d’ablation des matériaux composites. Utiliser des données expérimentales sur la réponse du matériau en phase gazeuse.

N’oubliez pas que travailler avec des lasers et des matériaux en fibre de carbone peut être dangereux et que des précautions telles que des blouses de laboratoire, des gants, des lunettes doivent être prises lors de l’exécution de cette procédure.