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

この実験手順の全体的な目標は、アブレーション熱防護材料と高NTPフローの材料応答とガス表面相互作用現象を特徴付けて、数値モデルの開発と検証のためのデータを提供することです。この方法は、材料がどのように分解するか、反応性結合層がどのように影響を受けるかなど、熱保護材料接地試験の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、幅広い情報を提供し、材料分析のために比較的簡単に標準化できる光学的方法のみを適用することです。

一般的に、プラズマven-tun-eleの地上試験に不慣れな人は、測定技術の複雑さに苦労するでしょう。視覚的なデモンストレーションがあれば、それは助けになります。この技術の意味は、セラミック複合材料、特に熱分解炭素フェノール類などの多くの熱シールド材料に拡張されることを目的としています。

まず、垂直および水平ラインレーザーを使用して、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よどみ線に対して垂直に位置合わせすることにより、光学システムを位置合わせします。レンズを試験サンプルから計算された距離に配置し、光ファイバーの端をレンズから計算された距離に置いて、光路の焦点を合わせます。ペンシルスタイルのMercuryキャリブレーションランプでサンプルの停滞点を照らし、ファイバーの端を最も焦点の合った画像の位置に配置します。

レンズファイバーシステムが整列したら、分光器側のファイバー端にレーザーポイントを送り、白い紙シートでサンプル側の集光レーザーを観察して、テストサンプルの前で正しい位置と焦点を合わせていることを確認します。焦点からの放射以外の放射が光ファイバーの端に入るのを防ぐには、光路を黒い段ボールなどで囲みます。光ファイバーにレーザービームを送り、ファイバー端から放出された光がレンズに直接到達できないことを確認します。

その後、サンプル表面に対して垂直なハイスピードカメラまたはHSCでテストサンプルを観察します。サンプルレンズシステムへのアクセスを使用して、カメラ光学系の水平および垂直位置合わせを行い、HSCの視野の中心がレンズの中心とサンプルの停滞点と一致することを確認します。HSCと発光分光器をデジタル遅延発生器またはDDGと同期させます。

DDGからの単一の電圧ピークでHSC録音をトリガーし、各スペクトル録音を目的の周波数でトリガーします。放射測定には、表面温度の観察に2色高温計を使用し、試験チャンバーの石英窓と組み合わせて使用します。HSCソフトウェアをセットアップするには、高露光時間を90ミリ秒に設定して、試験サンプルを所定の位置に設置して実験を行う前にHSCを位置合わせして焦点を合わせ、試験前の画像を撮影します。

実験の露出時間を変更します。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正しい記録レートを設定します。初期F値を16に設定した後、DDGを、分光計がスペクトルを記録する目的の繰り返し率に設定します。

次に、分光器取得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ら、各機器で背景画像を撮影して保存します。これに続いて、プラズマ施設を開始し、希望の試験条件に持っていきます。

次に、HDカメラの録画を開始します。次に、パイロメーターの記録を開始します。キャリブレーションの比較のために、すべての分光計でフリーストリームスペクトルを取ります。

終了したら、積分時間を 200 ミリ秒から 50 ミリ秒に減らして、飽和を防ぎます。DDGを介してHSCと分光計をトリガーするには、trigを押し、モードを外部から内部に設定します。次に、テストサンプルをプラズマフローに注入します。

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、パイロメーターの取り込みを停止します。これに続いて、分光器側の光ファイバー端の分光器側にレーザーポイントを送ります。

HSCでレーザーの焦点を観察し、この画像を保存して分光器の位置をマークします。各分光器で前の手順を繰り返した後、テストサンプルの位置にチェス盤を置き、HSCで画像を記録してキャリブレーションします。テストサンプルを取り出したら、その重量を記録します。

サンプルの写真を撮った後、酸化繊維で構成された脆い焦げた層を保護するために、サンプルストレージに保管してください。この時点で、テストチャンバー内の各収集光学系の焦点にタングステンリボンランプを配置して、各光学系の強度校正を実行します。キャリブレーションランプのスペクトルを記録します。

次に、HSCビデオファイルでサンプルの注入時間と排出時間を観察し、正しい試験時間の推定を行います。HSC ビデオ ファイルから、注入時のテスト サンプルのよどみ点のピクセル位置を観察します。以前に撮影した画像をエクスポートし、X位置とY位置を示す画像上の明るいスポットとして、分光器のプローブ位置のピクセルを見つけます。

これに続いて、キャリブレーションされたスペクトルの波長ベクトルを含むファイルを開き、関連する波長に対応する行インデックスを特定して特定します。各分光器のスペクトル積分放出を、表面からの分光器の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には、データの多項式近似を実行し、結果をプロットします。

SEM分析では、SEMシステムでウェル観察可能なファイバーを1つ選択します。メーカーの指示に従って、SEMシステムソフトウェアが提供するツールを使用して、バージンカーボン繊維の厚さと繊維の長さを推定します。もろい材料をメスで切ります。

次に、アブレーションされた繊維の厚さとバージン繊維の厚さを比較することにより、繊維が細くなる深さを推定します。その結果、キャリパーロールの後退測定は、一般的にHSCイメージングで行われたものよりも大きな値になったことが示されています。HSCが決定した空気プラズマの後退率は、おそらく拡散制御されたアブレーション体制によるもので、あまり差がありませんでした。

アブレーション面からの距離にわたってプロットされた積分CNアドインメント強度は、互いに良好な一致を示しています。低圧と高圧でのCNバイオレット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て、ガス温度を求めました。推定された温度は、低圧での熱平衡から大きな偏差をもたらしました。

低圧で回収された温度は、回転温度の並進で8200ケルビン、壁に近い振動電子温度で21, 000ケルビンであり、後者は境界層を通じて減少しました。これは、より高い圧力での境界層全体の平衡状態とは対照的です。マイクログラフは、空気プラズマ中の炭素酸化が、約0.2ミリメートルの酸化深さでアブレーションされた繊維のつらら形につながることを示しました。

一部のアブレーションテストでは、表面から剥離する高温のファイバークラスターが原因である可能性のある明るいスパークが観察されました。窒素プラズマ中でのアブレーションは、その表面に沿って繊維を高度に劣化させ、窒化による材料のゆっくりとした後退をもたらしました。参加することは肯定的ですが、取得したデータを理解するためには、プラズマジェットの数値計算に関する実験が必要であることを覚えておくことが重要です。

この方法は、他のドレンセン熱分解のような追加の質問に答えるために、熱分解材料でも容易に実行することができ、ガス放出は時間とともに変化し、その時間スケールは表面アブレーションプロセスとどのように異なるか。開発後、この技術は、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道を開きました。気相における材料応答に関する実験データを使用します。

レーザーや炭素繊維材料の取り扱いは危険な場合があり、この手順を実行する際には白衣、手袋、眼鏡などの予防措置を講じる必要があることを忘れないでください。