Name: プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 41 s
Description: 学ぼう、プラズマ流中のアブレーション材料の応答特性評価と反応性境界層化学の解析手法。非侵襲的光学測定により材料後退を追跡し、熱防護システムの数値モデル開発と検証に貢献するデータを提供します。

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B. Helberの研究はフランダースの（＃111529を関係書類、IWT）​​科学技術によって革新庁のフェローシップでサポートされている、と欧州研究評議会によるTEマギンの研究はグラント＃259354開始されます。我々はプラズマトロンのオペレータとしての彼の貴重な助けのために氏P.コリンを認めます。我々は感謝して試験材料を提供するためのかつ有益サポートのためにジョージ法とスティーブンEllacottを認めます。

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

このプロトコルは、高エンタルピー流れの熱防護材を反応させる材料特性評価のための手順を説明し、炭素結合した炭素繊維（CBCF）前駆体を切除、非熱分解で得られた試​​料の結果を示します。 CBCF材料が提示された技術の究極の目標であり、そのようなPICAやAstermなどの低密度炭素 - フェノールablators、用硬質前駆体に非常に類似しています。コントロールのライセンスをエクスポートするために限定されるものではないので、CBCF材料の主な利点は、その低価格とオープン可用性です。これは、他の研究機関を簡単に生CBCF材料を得ることができるように著者のアプローチを提示するために選択しました。この公報では、著者らは、他の研究室との比較を容易にする、比較的簡単な標準手順の定義を想定しています。 コア技術は、トンの材料不況とプロービングを追跡するための非侵襲な方法であります発光分光法により反応性境界層中の彼は化学。高速撮像の適用は簡単な技術であるが、注意は、カメラシステムの整列と予想表面輝度で撮影する必要があります。数マイクロ秒程度の短い露光時間は、カメラセンサの飽和を回避するのに役立ちます。 アブレータ不況のためのいくつかの写真測量技術はLöhle ら 34によって例えば、文献に報告されています。彼らは、より高い解像度で全体アブレータ表面の撮像に私たちの技術に優れています。著者は、私たちの仕事に提示技術よりもほぼ1桁高い21ミクロンの解像度を、述べます。しかし、写真測量セットアップ、キャリブレーション、および後処理のインストールは時間がかかる（著者は1日/テストをレポート）、および2つの独立したカメラを使用する必要がある場合、2つの光ポートが必要です。高n個を必要とするテストキャンペーン試験サンプルのアンバーは、このアプリケーションは非常に高価にします。このプロトコルで提示された技術は、簡単にセットアップされ、後処理は、既存の数値のツールで行うことができます。私たちの技術は、 その場で表面不況を次の目標目的に会いました。我々の技術の精度をさらに高くカメラの解像度や光学系の高い焦点距離と共に増加することができます。材料分析は、表面細部の高い空間分解能を必要とする場合は、私たちは、写真測量技術の雇用を示唆しています。 注意は、光学発光分光法（OES）用の光学系の位置合わせ及び較正で撮影する必要があります。この技術は、視線測定に限定され、プロービングは、電子的に励起原子や分子に拘束されています。しかし、そのシンプルさと投資に対する高いリターンは、まだそのような場合の例レーザー誘起蛍光（LIF）分光法のための、より精巧な技術を渡って支配しますアブレーション解析中に表面近傍に行うことが難しいです。 LIFスペクトルが正常血漿自由流れ39,40における基底状態種集団の調査に適用されているが、境界層におけるLIF測定は比較的まれです。ホットたSiC試料の前でのSiOの測定はファイグル41によって報告されているが、表面を切除するため、まだ行われていません。アブレータの後退面が境界層に長い測定時間を禁止します。これとは別にによる特定のコンポーネントの数が多いと非常に高価なLIFシステムです。 アブレーション生成物の空間的および時間的な進化は、比較的簡単に発光分光法により行うことができる本書のために重要です。 3つの低分解能、広い範囲の分光計は、アブレーションテスト中に存在する複数の原子や分子を検出するのに役立ちました。光学診断ベンチは集光レンズで構成され、2ミラーS、三分光計のそれぞれについて1つの光ファイバ。これは、光が、レンズにより集光されたことを除いて、光ファイバに到達していないことを、光学セットアップのために重要でした。 熱分解材料が検討されている場合は、多数の炭化水素は、例えば水素（バルマーシリーズ、HαとHのβ）用として、燃焼炎中に偏在している材料によって排出され、C 2（スワンシステム）、CH、OH、 NH 42。これらは、この設定を用いて検出することができます。いくつかの研究グループは、最近の周りに切除熱遮蔽材19,22,43,44を形成する反応性の境界層を分析するために発光分光法を適用しています。マクドナルドらは 、誘導結合プラズマで22予め形成されたアブレーションテスト。セットアップは、私たちのセットアップに使用分析計によって提供さ解像度よりも低い1.16 nmでのスペクトル分解能と同様の低解像度の分光計で構成されていました。彼らの初期のTESテスト中の立ち上がりの表面温度によって示されるように、Tサンプル形状は、強いエッジのアブレーションが発生し、シリンダました。したがって、境界層の熱化学状態は、おそらく時間平均分析を複雑に、実験中に変更します。我々の分析のために使用される半球状の試験試料は、エッジ切除を経験し、30時にその形状を維持していなかった- 90秒の試験時間45。 ヘルマンら 44は、発光分光法を適用する電磁流体発電アークジェット施設における放射線アブレーションカップリング上の最初の結果を提供します。このトピックに関する長時間地上試験設備における多くの研究がなされていなかったので、これは科学界のために高い関心があります。残念ながら、熱分解材料の前に放射の時間的な挙動が報告されていません。茶によって、120 nmの波長のセグメントからの後処理中に完全なスペクトルに連結されたナノメートルの範囲300〜800におけるそれらのスペクトル使用する分光器の中心波長をnging。したがって、いくつかのスペクトルは、全スペクトル範囲をカバーするために経時的に採取しました。その場合のアブレーション材料、CBCFプリフォームとAstermは、一過性の熱分解ガスの噴出と表面アブレーションの両方によって引き起こされる強い時間的挙動を経験した場合、これは時間的に平均スペクトルを改ざんすることがあります。 私たちの仕事で提示分光器の一つの利点は、このように、通常、最も低い解像度で120nmの最大範囲という結果に、分光器のスリットと比較して広いスペクトル範囲（200-900 nm）です。一つの買収で観察広いスペクトル範囲は、このような水素含有種（OH、NH、CH、H）、炭素の貢献者（C、CN、Cなどのアブレーションと熱分解プロセスから生じる、境界層内の様々な種の観察を可能にします2）、および汚染物質（のNa、Ca、K）。単一種の遷移が重要である場合には、高解像度のスリット分光器は、APPLであってもよいですヘルマンらによって行われたように、さらに完全なラジアル発光プロファイルのスキャンを可能にする、IED 44 実験データのアプリケーションは、例えば、結合されたCFD材料レスポンスコードの検証です。アブレーション境界条件と停滞ラインコードは、最近VKIプラズマトロン46における球体のよどみ線に沿って流れ場の再生にVKIで開発されました。シミュレートされたプロファイルを有する実験的境界層の発光の予備的比較は、他の場所45に提示しました。 試験した試料のマイクロ分析は、空気、窒素プラズマ中の炭素繊維の異なる劣化現象を示しました。低圧（15ヘクトパスカル）でほぼ同一の景気後退速度によって示唆されたようにアブレーションされた繊維の観察つらら形態はさらに、拡散制御アブレーションの仮定を支持しました。また、ABSE内部材料の酸化のNCEは、多孔質の試験試料への流入またはホット境界層ガスの拡散に対して主張しています。このような内部酸化は、ウェンらによって数値的に研究した。PICA 47、破砕48,49の形で、例えば、材料の機械的な故障を引き起こし、弱い繊維構造につながる可能性があります。したがって、我々は非常に熱シールド用途のための多孔質炭素複合材料の高エンタルピー試験と共に一般的なマイクロスケール分析を示唆する。マイクロスケール解析の究極の目標は、炭素繊維固有の反応性の識別であろう。パネライら 50により行うように空間的に分解された画像は、マイクロトモグラフィーにより、例えば、そのような分析を進めることができました。材料コードは51 .Thisコードが新しいトールを利用したアブレーション複合材料の詳細な熱応答複合体をシミュレートするために、不連続ガラーキン離散化を使用してVKIで開発されましたウワーッ物理化学的ライブラリー変異++は 、有限速度気相化学および均質/異種のガス/ガス-固体の平衡化学52の両方の計算を含む、ガス混合物の熱及び輸送特性を与えます。私たちは、多孔質媒体のマイクロスケールの状態を表現することが可能である材料応答コード、に私たちの実験データの比較を想定しています。

2012年8月6日に、NASAのマーズ・サイエンス・ラボラトリー（MSL）のミッションが正常に火星の表面にローバーを上陸させました。このローバーは、すでに化学および鉱物学分析のための自動試料採取システムを含みます。長くないの後、2014年11月12日に、ロボット欧州宇宙機関着陸船フィラエは彗星の最初のソフトランディングを達成しました。これらの例は、次のステップは、同定することで開発し、かつ安全に地球に火星や小惑星のサンプルを返すために必要な技術を認定することを示しています。現在、アブレーション材料は、超高速の入力時に重度の加熱から宇宙船を遮蔽するようなサンプルリターンの熱保護システム（TPS）、のための唯一のオプションです。残りの固体材料は、車両下部構造1,2を絶縁しながら化学とablatorsの物理的な分解は、質量損失および不況に熱エネルギーを変換します。このプロトコルを通じて提示される方法で、我々は欲しいです設計の不確実性を低減し、新たな熱化学的アブレーションモデルを開発することにより、熱シールドの信頼性を向上させる継続的な努力に新たな実験データと寄与する。 惑星探査や宇宙船のアブレーション熱防御材料（TPM）のエンジニアの高い性能特性を達成するために複合材3,4の広い範囲を利用します。 TPMは、一般的にアブレーション、熱分解として機能するように、剛性の前駆体充填マトリックスで構成され、合理的な機械的特性を有する低重量での絶縁材料されています。フェノール樹脂を含浸させた炭素繊維プリフォームからなる高速エントリミッション用の多孔質軽量ablatorsの新しいファミリーの現在の例としては、NASA 5,6、および欧州アブレータのAsterm 7によって開発PICA（フェノール含浸炭素アブレータ）です。産業界と共同で宇宙機関に加えて、いくつかの研究グループは、学術レフで開始しました12 -例えば参照、新しい軽量ablatorsを製造し、特徴づけるelは2,8を参照します。 大気圏突入時には、衝撃加熱ガスからの熱流束の一部は、熱シールドの内側に転送され、バージン材は、次の2つのメカニズム以下の形質転換される：熱分解は、次第にの約50％を失って、低密度、多孔質炭にフェノール樹脂を炭化しますその質量は、蒸発により熱分解ガスを生成します。熱分解ガスは、拡散およびそれらの分解に起因する圧力上昇により材料から輸送されます。これらは、吹き付けによる熱交換のためのさらなる障壁を提供し、境界層の中に排出し、さらなる化学反応を受けます。マトリックスのためのこのようなフェノール樹脂のようなポリマーの使用は、それによって、エネルギーを吸収し、その吸熱分解性を利用して、他の成分のためのバインダーとして働きます。第2の変換現象炭化樹脂残りの炭素繊維からなる炭化層の切除です。これは、完全に材料の後退をもたらす、例えば破砕などの異種の化学反応、相変化、および機械的侵食によって促進されます。 材料モデリング13,14で利用可能なフライト過去の任務中に材料の性能に関するデータ、および努力にもかかわらず、宇宙船への熱流束の予測は重要な問題です。プラズマ風トンネル内の地上試験は、現在、熱保護材の資格のための唯一の手頃な価格のオプションです。さらに、新たなマルチスケール材料の応答モデルは、考慮材料15,16の新しいクラスの多孔質微細構造を取るために提案されています。これらのモデルは、それらの開発と検証のための大規模な実験データが必要です。 材料特性評価のために使用されている施設は、最も一般的にアーク加熱&lt;17であり/ SUP&gt; - 20または誘導は、大気再突入のシミュレーションのための理想的な試験ガスとして空気で高いガスエンタルピーを提供21,22松明を、結合されました。誘導結合プラズマ（ICP）結合亜音速1.2MW・フォン・カルマン研究所（VKI）でのプラズマトロン施設のトーチは、広範囲の圧力のためのテスト・オブジェクトのよどみ点境界層における大気中のエントリのaerothermodynamic環境を再現することができ、 25 -熱は23フラックス 。大規模な数値再建手続きは局所熱伝達シミュレーション（LHTS）コンセプト26,27に基づいて、実際の再突入飛行条件に地上試験データの境界層および外挿の詳細な特性を提供しています。 我々は、再突入飛行のよく特徴付けられたプラズマガス環境の代表で多孔質炭素繊維前駆体の材料特性評価のための手順を提示します。プラズマ自由流れcharacterizaションは、このプロトコルの一部ではありませんが、他の場所で28見つけることができます。侵入型および非侵入型技術の総合的な実験は、高温プラズマ流に暴露された材料のin-situでの分析のために統合されました。これらの切除実験の結果は、すでに発表され、広く別の参照28で議論されました。このプロトコルは、実験技術、施設で、インストール、およびデータ分析のための手順に関する詳細な情報を提供することを意味します。本書の対象ユーザーは多様である。一方では、この出版物は、材料コードの開発者および熱保護材料の技術者のための施設の特性の理解を改善するための実験方法と手順より深い洞察を提​​供することを意味します。一方、同様の設備を備えた研究室の実験者は、データ再生と比較のために取り組まれており、ablatのデータベースを拡張します広い熱流束と圧力範囲にアイブ材料応答。

<table><tbody><tr><td>炭素結合炭素繊維プリフォーム</td><td>MERSEN(CALCARB)</td><td>CBCF 18-2000</td><td>サンプル形状は25&nbspの半球でした。25&nbsp;mmシリンダー</td></tr><tr><td>UV-VIS-NIR 分光計</td><td>オーシャンオプティクス&nbsp;</td><td>HR4000</td><td></td></tr><tr><td>光ファイバー</td><td>オーシャンオプティクス</td><td>QP600-2-SR/BX、</td><td>固定用修正ファイバークラッディング</td></tr><tr><td>SpectraSuite</td><td>オーシャンオプティクス&nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>レンズ、平凸オーシャン</td><td>オプティクス</td><td>LA4745、750&nbsp;焦点距離</td><td></td></tr><tr><td>2色パイロメーター</td><td>Raytek</td><td>Marathon Series MR1SC</td><td></td></tr><tr><td>Digital Delay Generator</td><td>Stanford Research Systems</td><td>DG535</td><td></td></tr><tr><td>High-speed camera&nbsp;</td><td>ビジョンリサーチ&nbsp;</td><td>ビジョンリサーチファントム7.1</td><td></td></tr></tbody></table>

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

アブレーション熱防護システム(TPS)は、人類が初めて月から安全に地球に戻ることを可能にし、将来の高速再突入ミッションの唯一の解決策として今でも考えられています。しかし、アポロ計画以降の進歩にもかかわらず、熱流束の予測は依然として不完全な科学であり、エンジニアはTPSの厚さを決定するために安全率に頼っています。これは、搭載されたペイロードを犠牲にし、たとえばサンプルリターンミッションを妨げます。
プラズマ風洞での地上試験は、現在、材料適格性と材料応答コードの検証の両方において、唯一手頃な価格で可能な選択肢です。フォン・カルマン流体力学研究所の亜音速1.2MW誘導結合プラズマトロン施設は、さまざまな再突入環境を再現することができます。このプロトコルは、高エンタルピー流中のアブレーション材料上のガス/表面相互作用の研究手順を説明し、非熱分解、アブレーション炭素繊維前駆体のサンプル結果を示します。この出版物により、著者は標準的な手順の定義を想定しており、他のラボとの比較を容易にし、熱シールドの信頼性を向上させ、設計の不確実性を減らすための継続的な取り組みに貢献しています。
記載されているコア技術は、発光分光法によって調査される反応性境界層の化学的性質とともに、高速カメラで物質の後退を追跡する非侵入的な方法です。発光分光法は視線測定に限定されており、さらに電子的に励起された原子や分子に限定されていますが、その単純さと幅広い適用性により、反応性境界層の分析に最適な手法となっています。アブレーションサンプルの後退は、さらに、実験中、表面に対する測定位置の距離が常にわかっていることを必要とします。適用した3つの分光器の光学系を校正することで、定量的な比較が可能になりました。ファイバースケールでは、テスト後の顕微鏡分析の結果が表示されます。

公然と入手可能なバルク材料は、レーヨン（精製セルロースから作られたセルロース繊維）に由来する短繊維断熱材からなる、高度に多孔質の炭素に結合した炭素繊維プリフォーム（CBCF）でした。みじん切り、不連続バージンカーボン繊維をフェノール樹脂の炭化により生成行列に相互接続されています。このプロセスの間に繊維が志向となり、微細構造と性質が異方性です。材料を真空処理した2300 K以上の温度で、その温度安定性及びガス放出がないことを確保するためです。材料は、長さが50ミリメートルで、半径25ミリメートルの半球状（HS）試験サン​​プルを、社内で加工しました。サンプルは90％の初期空隙率約180キロ/ m 3での初期密度を有しています。 VKIプラズマトロン機能はエアロサームの再生のためのすべての実験に使用されています再突入プラズマフローodynamic環境、高エンタルピー、高度に解離亜音速ガス流を生じさせます。ガスは、高純度のプラズマ流を生成する、コイルを誘導によって加熱されます。試験室の概要とその場で切除測定のための実験器具の概略図が図1に見ることができます。図1（a）、（b）。このようなHSCイメージングおよび質量損失から得られた平均後退速度として実験的な試験条件と全体的な結果は、 表1に列挙されている。我々は（0.75から1.1μm）と、幅の狭い（0.95から1.1μm）を用いて、二色高温計を使用しました1 Hzの取得率（1,300-3,300 K）での温度決意のスペクトルバンド。 2つの狭い波長帯域を使用し、波長に依存しない放射率の仮定の下で、表面温度は、その放射率を知ることなく、推定することができます。高温計は指摘とsの停滞領域に集中していましたよどみ線に対して35°の角度で、厚さ1cmの石英窓を通して十分。機器は黒体源によって3300 Kまで較正しました。 表面の後退は、0.2mmの分解能でHSCによって測定しました。キャリパールール後退測定値が、一般に0.45〜0.9 mmの範囲の2つの方法の間の合計後退の差と、HSCイメージングによって実行されるものよりも大きな値をもたらしたことは明らかです。この測定のための最高の不確かさはキャリパールールに脆い炭化層を圧縮することによって導入されました。空気中の不況率は44.6および58.4ミクロン/秒の間で変化しました。空気プラズマ中のHSC-決定不況率はおそらく拡散制御アブレーション政権に、あまり差がなかったことはさらに明らかです。この領域では、表面温度は、完全な表面で利用可能な酸素の消費量、およびconseqを引き起こすのに十分に高いですuently、アブレーションが、境界層32,33を介して酸素の拡散によって制限されています。逆に、酸化反応の制御された環境において、酸素は、それが表面温度を有する表面とアブレーション増加で消費されるよりも、境界層を通ってより速く拡散します。高エンタルピー環境でCBCF材料の不況率もマクドナルドらによって報告されています。 ら （56ミクロン/秒）22とLöhle。 （50ミクロン/秒）34。これらの値は、マクドナルドらが、我々の測定の間にあります。円筒状の試験試料形状とLöhle らを使用した。水冷プローブに埋め込 ​​まれた試験サンプル。 3つの低分解能分光計は、気相の観察のために使用しました。 ablatに存在する複数の分子や原子の検出を可能にする - （1000nmで200）、この楽器の利点は、広いスペクトル範囲の高速スキャンでありますイオン分析。 統合されたCNの発光強度は、アブレーション表面のショーからの距離にわたって（ 図2）、互いに対して非常に良好な一致をプロットしました。データは、「近い &#39;&#39;ミドル」、および「遠い」と試料表面からそれぞれの位置に応じてラベル付けされています。 3分光計は、表面の前で同じ距離から一定の光路収集された光かつて同じCN紫色発光強度を測定しました。すべての3つの分光計の積分強度は、ほぼアブレーション面の前に3.4ミリメートルを一致しています。どちらの場合は、記録されたCNの紫色発光が境界層を介して減少する前に、ちょうど試験試料の前にピークに達したことを示します。これらの結果から、我々は全体の試験時間中に空気中の物質バーンオフは非常に安定していたことを推測し、記録された発光信号は、表面の5ミリメートルの正面以内に約90％下落していること。 CNバイオレット実験スペクトルは、次にガス温度を得るために、シミュレートされたスペクトルとの比較のために使用しました。合成スペクトルは、励起されたレベルのボルツマン分布を仮定し、SPECAIR 2.2を使用して取得し、最小二乗フィッティング手順を並進回転温度T 腐敗と振動電子温度T VIB推定するために適用された（図3）しました。 （a）は、低および高（b）の圧力で、二つの条件は、境界層に近い壁に取らスペクトルと、提示されています。推定温度が低い圧力で熱平衡から高い偏差を生じた（ 図3（a）参照 ）。同じ分析は、より良好な低圧の壁に近い熱平衡からの偏差を示し、表面から数の距離を行った（ 図4（A）、15ヘクトパスカル）、境界層を介して平衡化。検索された温度は、T rのための8200 Kの順でしたOTとTのための21000 K VIB壁に近く、境界層を介して8200 Kに向かって減少したT VIBと。これは、より高い圧力（ 図4（b）に、200ヘクトパスカル）での境界層を通じて平衡状態とは対照的です。温度範囲は、フィッティング手順のためにこれらの制限内で理論スペクトルの変化を可能にする、分光器の発光強度に対する10％の不確実性に基づいていました。 低い圧力で、分子間の励起移動を伴う境界層の縁に向かって平衡化効果を説明することができる、より少ない衝突、に低減されます。私たちは、CNの振動励起に続くCN生産に対する低プラズマエンタルピーにおける窒素分子の強い影響を、想定しています。高度に振動励起窒素の解離吸着はCNの生産につながる表面の反応部位を作成するために、想定されます。 Boubertそして、Vervischは、低圧35で窒素/二酸化炭素プラズマ中で、このプロセスを説明します。このプロセスは、過剰なエネルギーをもたらす発熱反応がCNの回転と振動励起に変換されて、表面の窒素原子のプールを作成することができます。 顕微鏡写真は、空気プラズマ中の炭素の酸化が約0.2mmの酸化深さのアブレーションされた繊維のつらら状につながったことを証明した（ 図5（a）参照 ）。 38 -によるアブレーションにつらら整形この種の広く、炭素-炭素複合材料36についての文献に報告されています。ツララ形状（開口角）は、多孔質材料の表面での反応拡散の競合に依存し、したがって、酸素拡散に応じて変化します。この長さは、酸素拡散の平均深さに対応するものとします。つらら形状は、さらに拡散制御アブレーションを確認します。対照的に、反応制限されたアブレーションは、酸素が炭素繊維のローカル食を製造する、より深い繊維構造に浮遊することを可能にします。 明るい火花が表面から離脱熱い繊維クラスターによって引き起こされる可能性のあるアブレーション試験（ 図5（B））の間に観察されました。窒素プラズマ中のアブレーションを窒化する （ 図5（c）参照 ）によって材料の遅い後退につながった、その表面に沿って高度に分解繊維をもたらしました。窒素に対する炭素の反応性は、酸素に比べてはるかに低いので、窒素は、全ファイバに沿って分解をもたらす、材料中に深く拡散することができます。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/53742/53742fig1.jpg" /> 図1. プラズマトロンと実験の概要。トン外の試験サンプルを示す（a）の VKIプラズマトロン試験室の概要彼保持システム、熱流束と圧力プローブ、および放射計、HSC、および分光計の光学系のための光学アクセス。 （b）は実験の概略を。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53742/53742fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="表1" src="/files/ftp_upload/53742/53742table1.jpg" /> 表1 プラズマトロン試験条件および炭素プレフォームサンプルの実験結果。テストケース基準、試験ガス、静圧P sを 、動的圧P D、発電電力P、コールドウォール熱流束QがCW、試験サンプルの露光時間τを意味意味表面温度T sを 、不況率r /τ、および質量損失率メートル/τ。 境界層図2.空間のCN紫色発光一定の光路はアブレーション面の前で同じ距離からの光を収集したときによく一致して空気中のプリフォームアブレーションの間に隣接する3つの分光計によって記録された発光プロファイル：安定した材料の焼失、表面（条件A1aと ）の反応性境界層サイズ〜5ミリメートルの正面。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53742/53742fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/53742/53742fig3.jpg" /> スペクトルフィッティング法から推定図3 CNバイオレット温度。並進・回転と振動・電子テンペ提供SPECAIR 2.2で計算CNバイオレットスペクトルの最高のフィッティングのための最小二乗法ratures Tの腐敗とT VIB：（a）の条件A1aと ：T 腐れ = 8240 K±400 K、TのVIB = 21600 K±1700 K、12600 K±500 K（平衡シミュレーションT LTEは比較のために示されている）= T LTE; （b）の条件A1aと ：T 腐れ = 6880 K±200 K、TのVIB = 7120 K±180 K. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53742/53742fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/53742/53742fig4.jpg" /> 境界層図4. CN紫色の温度プロファイル。シミュレートからVIBトランスレーショナル・回転と振動・電子温度T 腐敗とTは 、CNバイオレットスペクトルを装着しアブレーション面から4距離で放射線シミュレーションツールで計算200ヘクトパスカル（b）は境界層全体に15ヘクトパスカル（A）の低圧で壁に近い熱平衡状態が、本平衡からのずれを示唆しています。温度範囲[k]は、フィッティング手順のためにこれらの制限内で理論スペクトルの変化を可能にする、分光器の発光強度に対する10％の不確実性に基づくものであった。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53742/53742fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/53742/53742fig5.jpg" /> その場での写真（B）と窒素アブレーション（c）の後の顕微鏡写真を含むエアーアブレーション後の図5の走査電子顕微鏡写真（A）、（A）後のエアアブレーション顕微鏡写真で撮影しました近いファイバ先端から酸化による炭素繊維のポイント現在の間伐を停滞する前面には、つらら状につながる、酸素拡散の深さは200μm（拡散制限されたアブレーション）の近くに位置しています。 （b）は、筒状の試験試料（露光時間：1/200秒）のアブレーション試験中に撮影した写真は、明るい火花を示す図です。 （c）は強い腐食が全体の繊維長に沿って窒素中で観察された。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53742/53742fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

新しいアブレーション材料とその数値モデリングの開発には、広範な実験的調査が必要です。このプロトコルでは、プラズマ流における材料応答の特性評価の手順を説明しています。その中核となる手法は、発光分光法による反応性境界層の化学的性質とともに材料の後退を追跡する非侵入型手法です。

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

この実験手順の全体的な目的は、アブレーション熱防御材料の材料応答およびガス表面相互作用現象と、高NTP流を特性評価し、数値モデルの開発および検証のためのデータを提供することです。この手法は、材料がどのように分解するか、また反応結合層がどのような影響を受けるかなど、熱防御材料の地上試験分野における重要な疑問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、光学的手法のみを採用していることであり、これにより広範な情報が得られるとともに、材料分析のための標準化を比較的容易に行うことができます。一般的に、プラズマ風洞における地上試験の経験が浅い方は、計測技術の複雑さから困難に直面することがあります。視覚的なデモンストレーションがあれば、それは大きな助けとなるでしょう。本手法の応用範囲は、セラミック複合材料や、特に熱分解性カーボンフェノールなどの多くの耐熱シールド材料にまで及ぶことを意図しています。まず、垂直および水平ラインレーザーを使用して光学系を調整します。すべてのコンポーネントをテストサンプルと同じ高さにし、レンズをサンプルの停滞線に対して垂直に合わせます。レンズをテストサンプルから計算された距離に配置し、光ファイバー端をレンズから計算された距離に配置して、光路のフォーカスを合わせます。鉛筆型の水銀較正ランプでサンプルの停滞点を照射し、最も鮮明に結像される位置にファイバー端を配置します。レンズファイバーシステムの光軸調整が完了したら、分光計側のファイバー端からレーザー光を照射し、試料側の焦点に白い紙を置いて集光されたレーザーを確認し、テスト試料の前で正しい位置と焦点合わせができているかを確認します。黒いカードボードなどで光路を囲い、焦点以外からの放出光が光ファイバー端に入らないようにしてください。光ファイバーにレーザービームを通し、ファイバー端から放出された光がレンズに直接到達しないことを確認します。その後、高速カメラ（HSC）を用いて、サンプル表面に対して垂直にテストサンプルを観察します。サンプルレンズシステムのアクセス口を使用してカメラ光学系の水平および垂直方向の調整を行い、HSCの視野の中心がレンズの中心およびサンプルのよどみ点と一致するようにしてください。デジタル遅延発生器（DDG）を用いて、HSCと放出分光計を同期させます。DDGからの単一の電圧ピークでHSCの記録をトリガーし、所望の周波数で各スペクトル記録をトリガーします。放射測定については、試験室の石英窓と組み合わせて、2色温度計を用いて表面温度を観察します。HSCソフトウェアの設定では、実験前に試験サンプルを配置した状態でHSCの調整とフォーカスを行うため、高露光時間を90 millisecondsに設定し、事前テスト画像を撮影します。実験の露光時間を変更します。ポストトリガーを最大に設定し、実験全体をカバーするように適切な記録速度を設定します。初期F値を16に設定した後、分光計でスペクトルを記録する目的の繰り返し速度にDDGを設定します。次に、分光計のデータ収集ソフトウェアをセットアップします。光学系が正しく配置されていることを確認した後、各装置で背景画像を撮影し、保存してください。その後、プラズマ装置を起動し、目的の試験条件に調整します。次に、HDカメラの録画を開始します。続いて、放射温度計の記録を開始します。校正比較のため、すべての分光計で自由空間スペクトルを測定します。完了後、飽和を防ぐために積分時間を 200 milliseconds から 50 milliseconds に下げます。trig を押し、モードを external から internal に設定して、DDG を介して HSC および分光計をトリガーします。その後、テストサンプルをプラズマ流に注入します。テストが完了したら、DDGを停止します。HSC画像を保存した後、パイロメーターによるデータ取得を停止してください。その後、分光器側の光ファイバー端から分光器側に向けてレーザーポインターを照射します。HSCを用いてレーザーフォーカスを確認し、分光計の位置をマークするためにこの画像を保存します。各分光計で前述のステップを繰り返した後、テストサンプルの位置にチェスボードを配置し、キャリブレーション用にHSCで画像を記録します。テストサンプルを取り出した後、その重量を記録します。サンプルの撮影後、酸化した繊維で構成される脆い炭化層を保護するため、サンプル保存容器に保管します。この時点で、テストチャンバー内の各集光光学系の焦点にタングステンリボンランプを配置し、各光学系の強度校正を行います。校正ランプのスペクトルを記録してください。次に、正確な試験時間を推定するため、HSCビデオファイルでサンプルの注入および排出時間を確認します。また、HSCビデオファイルから注入時の試験サンプルのよどみ点のピクセル位置を確認します。 previously撮影した画像をエクスポートし、分光計のプローブ位置を画像上の輝点として探し、XおよびY座標を特定します。次に、校正済みスペクトルの波長ベクトルが含まれるファイルを開き、該当する波長に対応する行インデックスを特定します。各分光計のスペクトル積分発光強度を、表面からの分光計距離の関数としてプロットします。結果をより適切に解釈するために、データの多項式近似を行い、その結果をプロットしてください。SEM分析では、SEMシステムで観察可能な単一のウェル内の繊維を選択します。メーカーの指示に従い、SEMシステムソフトウェアに搭載されているツールを用いて、バージン炭素繊維の厚さと繊維長を測定します。また、メスを使用して脆性材料を切断してください。次に、アブレーションされたファイバーの厚さと未処理のファイバーの厚さを比較し、ファイバーが薄くなった深さを推定します。その結果、キャリパーロールによる後退量の測定は、一般的にHSCイメージングによる測定よりも大きな値を示すことがわかりました。空気プラズマにおけるHSCで測定した後退速度に大きな差がなかったのは、おそらく拡散制御のアブレーション領域であったためと考えられます。アブレーション表面からの距離に対してプロットした積分CN放射強度は、互いに良好な一致を示しました。ガス温度を算出するため、低圧および高圧におけるCNバイオレットの実験スペクトルをシミュレーションスペクトルと比較しました。推定された温度から、低圧において熱平衡から大きく逸脱していることが明らかになりました。低圧下で得られた温度は、壁面近傍で回転温度の翻訳として8200 Kelvin、振動電子温度として21,000 kelvinであり、後者は境界層を通じて減少していました。これは、より高い圧力において境界層全体で平衡状態となることとは対照的です。顕微鏡写真により、空気プラズマ中の炭素酸化によって、アブレーションされた繊維がつらら状になり、酸化深さが約0.2 millimetersに達することが示されました。一部のアブレーション試験において激しいスパークが観察されましたが、これは表面から脱落した高温のファイバークラスターが原因である可能性があります。窒素プラズマ中でのアブレーションでは、ファイバー表面に激しい劣化が生じ、窒化による材料の緩やかな後退が引き起こされました。こうした知見は有益ですが、得られたデータの理解には、プラズマジェットの実験的な検証と数値計算の両方が不可欠であることを念頭に置くことが重要です。この手法は、他の成分がどのように熱分解するか、放出ガスの量は時間とともにどのように変化するか、またその時間スケールが表面アブレーションプロセスとどのように異なるかといった追加の疑問を明らかにするために、熱分解材料に対しても容易に適用できます。この技術の開発後、航空宇宙工学の研究者が複合材料のアブレーションモデルを開発するための道が開かれました。これにより、気相における材料応答の実験データを利用することが可能になります。レーザーおよび炭素繊維材料を取り扱う際は危険が伴うため、本手順を実施する際は、白衣、手袋、保護メガネなどの予防措置を講じることを忘れないでください。

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