Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.
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 for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions.
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.
2012년 8월 6 일, NASA의 화성 과학 실험실 (MSL)의 임무는 성공적으로 화성 표면에 탐사선을 착륙했다. 이 로버 이미 화학 및 광물 분석을위한 자동화 된 샘플 수집 시스템을 포함한다. 긴 후 11 월 12 일 2014, 로봇 유럽 우주국 착륙선 필레는 혜성의 첫 번째 연착륙을 달성하지 않습니다. 이러한 예는 다음 단계가 지구로 안전하게 화성이나 소행성 샘플을 반환에 필요한 기술을 식별 개발하고 자격을하는 것입니다 나타냅니다. 현재, 절제 재료는 hypervelocity 항목 중 심한 난방에서 우주선 보호막 같은 샘플 리턴 미션의 열 보호 시스템 (TPS)에 대한 유일한 옵션이다. 잔류 고체 물질은 차량 하부의 1,2-을 절연하는 동안 화학 및 물리적 ablators 분해 질량 손실 침체에 열 에너지를 변환. 방법이 프로토콜을 통해 제공, 우리는 할설계 불확실성을 감소시키는 새로운 열 화학적 식각 모델을 개발하여 방열 장치의 신뢰성 향상을위한 지속적인 노력으로 새로운 실험 데이터에 기여한다.
유성 프로브 및 우주선의 융제 열 보호 재료 (TPM) 엔지니어의 높은 성능 특성을 달성하기 위해서는 복합 3,4- 광범위한 사용한다. TPM이 일반적으로 절제하고, 합리적인 기계적 특성과 낮은 무게에서 절연 재료로하는 열분해 역할을, 단단한 전구체 및 충전 매트릭스로 구성된다. 페놀 수지로 함침 된 탄소 섬유 프리폼 이루어지는 고속 엔트리 임무 용 다공질 경량 ablators의 새로운 패밀리의 현재 예로는 NASA 5,6- 의해 개발 PICA (페놀 함침 탄소 애블 레이터), 및 유럽 애블 레이터 Asterm 7이다. 업계와 공동으로 우주 기관뿐만 아니라, 여러 연구 그룹은 학술 레프 시작엘 제조 및 새로운 경량 ablators의 특성, 예 2,8 참조를 볼 수 – 12.
대기 엔트리 중에, 충격 가열 된 가스로부터 나오는 열 유동의 일부는 열 차폐 내부 전사 및 처녀 물질은 두 가지 메커니즘 다음 변환 : 열분해 점진적의 약 50 %을 잃고, 저밀도 다공성 숯불에 페놀 수지를 탄화 기화하여 열분해 가스를 생성하는 질량. 열분해 가스는 확산 및 분해로 인한 압력의 증가에 의한 재료로 수송된다. 이들은 부는 추가 화학 반응을 겪게하여 열 교환을위한 추가 배리어를 제공 경계층에 배기. 이러한 매트릭스 용 페놀 수지 등의 중합체의 사용함으로써 에너지를 흡수하고, 다른 구성 요소에 대한 바인더로서 기능하는 그 흡열 분해 특성을 이용한다. 두 번째 변화 현상탄화 수지 나머지 탄소 섬유로 구성된 숯 층의 절제이다. 이것은 모두 재료의 경기 침체로 이어지는 등의 파쇄와 같은 이기종 화학 반응, 상 변화 및 기계적 침식에 의해 촉진된다.
재료 모델링 13, 14에서 사용할 수있는 비행 과거의 임무 중 재료 성능에 대한 데이터 및 노력에도 불구하고, 우주선에 열유속의 예측은 중요한 문제로 남아있다. 플라즈마 바람 터널에서 지상 테스트는 현재 열 보호 재료의 자격에 대한 유일한 합리적인 선택이 될 것입니다. 또한, 새로운 멀티 스케일 재료 응답 모델은 계정에 자료 15, 16의 새로운 클래스의 다공성 미세 구조를 취하기 위해 제안된다. 그 모델은 개발 및 검증을위한 광범위한 실험 데이터가 필요합니다.
재료 특성에 대한 사용 시설은 가장 일반적으로 아크 가열 <17이다/ SUP> – 20 유도 대기 재진입의 시뮬레이션을위한 이상적인 시험 가스로 공기와 높은 가스의 엔탈피를 제공하는 21, 22 횃불을, 결합. 유도 결합 플라즈마 (ICP) 결합 아음속 1.2MW 본 울프 칼만 연구소 (VKI)에서 Plasmatron 설비 토치 압력의 넓은 범위에 대한 테스트 객체의 정체 점 경계층에서 대기 항목의 aerothermodynamic 환경을 재현 할 수 있으며 25 – 열 (23) 플럭스. 광범위한 수치 재건 절차는 경계 층과 현지 열전달 시뮬레이션을 기반으로 실제 재입국 비행 조건에 지상 테스트 데이터의 외삽의 상세한 특성 (LHTS) 개념 (26, 27)을 제공합니다.
우리는 재진입 비행 잘있어서 플라즈마 가스 환경 나타내는 다공질 탄소 섬유 전구체에 재 특성화하는 과정을 제시한다. 플라즈마 자유 류의 characteriza기이 프로토콜의 일부가 아니라 다른 곳에서 28 찾을 수 있습니다. 관입 비 침투 기술의 광범위한 실험 셋업은 고온 플라즈마 류에 노출 된 재료의 인시 튜 통합 분석 하였다. 이러한 박리 실험 결과가 이미 제시 널리 다른 기준 (28)에서 논의 하였다. 이 프로토콜은 상세한 실험 기술에 대한 정보는 설비에서 자신의 설치 및 데이터 분석을위한 방법을 제공하는 것을 의미한다. 이 책의 목표 관객은 다양하다 : 한편으로,이 책은 재료 코드 개발자 및 열 보호 재료의 엔지니어를위한 시설의 특성에 대한 이해를 향상시킬 수있는 실험 방법 및 절차에 대한 더 나은 통찰력을 제공하기위한 것입니다. 한편, 유사한 시설 실험실 experimentalists는 데이터 재생 및 비교를 해결하고, ablat의 데이터베이스를 확장넓은 열유속 및 압력 범위에 재료 응답을 필자.
이 프로토콜은 높은 엔탈피 흐름에 열 보호 물질을 반응의 재료 특성에 대한 절차를 설명하고 탄소 결합 탄소 섬유 (CBCF) 전구체를 절제, 비 열분해에 얻은 샘플 결과를 제공합니다. CBCF 재료 제시된 기술의 궁극적 인 목표이다 같은 PICA Asterm와 같은 저밀도의 탄소 – 페놀 ablators 대한 강성 전구체와 매우 유사하다. 이 제어 라이센스 수출 제한되지 않습니다 때문에 CBCF 물질의 주요 장점은 낮은 가격과 개방 가능하다. 그것은 다른 연구 기관이 쉽게 원시 CBCF 재료를 얻을 수있는 저자의 접근 방식의 프리젠 테이션을 위해 선택되었다. 이 공보에 의해, 작성자가 다른 실험실에 비해 용이 비교적 간단한 표준 절차의 정의를 직시.
핵심 기술은 비 간섭 물질 침체를 추적하는 방법 및 t 프로빙있다방출 분광법에 의한 반응 경계층에서 그는 화학. 고속 촬상을 적용하는 간단한 방법이지만 치료는 카메라 시스템의 정렬 및 예상 표면 윤기로 촬영해야한다. 수 마이크로 초 정도의 짧은 노출 시간은 카메라 센서의 포화를 방지 할 수 있습니다.
애블 레이터 후퇴를위한 약간 사진 측량 기법 Löhle 외. (34)에 의해, 예를 들면, 문헌에보고되어있다. 이들은 높은 해상도로 인해 전체 애블 레이터 표면의 촬상 우리의 기술보다 우수하다. 저자는 우리의 작업에 제시된 기술의보다 높은 크기의 거의 위해 21 ㎛의 해상도를 상태. 그러나, 사진 측량 셋업, 교정 및 후 처리의 설치는 시간 소모적 (저자 1 일 / 시험보고)이며, 두 개의 독립적 인 카메라를 사용하는 경우, 2 개의 광 포트가 요구된다. 높은 N을 필요로 테스트 캠페인시료의 암갈색이 응용 프로그램은 매우 비용이 많이 드는합니다. 이 프로토콜에 제시된 기술은 쉽게 설정 및 사후 처리는 기존의 수치 도구를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 우리의 기술은 현장에서 표면의 경기 침체를 다음의 대상 목표를 만났다. 우리의 기술의 정확도는 상기 광학 시스템의 높은 카메라 해상도 이상의 초점 거리와 함께 증가 될 수있다. 자료 분석은 표면 세부 사항의 높은 공간 해상도를 필요로하는 경우에는, 우리는 사진 측량 기술의 고용을 제안한다.
케어 광학 방출 분광법 (OES) 용 광학 시스템의 정렬 및 교정에주의가 필요하다. 이 기술은 가시선 측정 제한되며 프로빙 전자적으로 여기 된 원자 및 분자에 구속된다. 그러나 단순 투자에서 높은 수익은 여전히 예를 레이저 유도 형광 (LIF) 분광학에 대한 같은보다 정교한 기술을 통해 지배어려운 절제 분석 중에 표면 근처 실행합니다. LIF 분광법 성공적 플라즈마 자유 류 (39, 40)에서 바닥 상태 종의 집단에 대한 조사에 적용되었지만, 경계층의 LIF 측정은 비교적 드물다. 뜨거운 SiC를 샘플의 앞에 그런가의 측정 Feigl (41)에 의해보고 있지만, 표면을 절제 아직 수행되지 않았다. 애블 레이터의 후퇴 표면 경계층에서 긴 측정 시간을 금지합니다. 이 외에도에서 인해 특정 구성 요소의 높은 숫자에 매우 비싼 LIF 시스템이다.
박리 제품의 시공간적 발전은 비교적 간단하게 발광 분광법에 의해 수행 될 수있는 인쇄물에 대해 흥미 롭다. 세 낮은 해상도, 넓은 범위 분석기는 여러 원자와 절제 테스트 중에 존재하는 분자를 검출하기 위해 봉사했다. 광학 진단 벤치 집광 렌즈로 구성된 두 개의 거울S 및 세 분광계마다 한 광섬유. 그것은 렌즈에 의해 초점을 맞춘 것을 제외하고 빛이, 광섬유에 도달하지 않는 광 설치에 대한 중요했다.
열분해 물질이 검토되고있는 경우, 다양한 탄화수소, 예컨대 수소 (발머 계열, H의 α와 H의 β)에 관해서는, 연소 불꽃에 편재되는 재료에 의해 방출되는, C 2 (스완 시스템), CH, OH, NH 42. 이러한 설정이 검출 될 수있다. 여러 연구 그룹은 최근 주위 융제 열 차폐 재료 19,22,43,44 형성 반응성 경계층을 분석 발광 분광법을 적용한다. 맥도날드 등. 유도 결합 플라즈마 (22) 예비 성형 절제를 테스트합니다. 설치가 우리의 설정에 사용하는 분석 장치에 의해 제공되는 해상도보다 낮은 1.16 나노 미터의 스펙트럼 해상도 유사한 저해상도 분광기로 구성되었다. 초기 TES시험 중 상승 표면 온도에 의해 입증 된 바와 같이 t 샘플 모양, 강한 에지 절제가 발생, 실린더이었다. 따라서, 경계층 열화학 조건 아마 시간 평균 해석을 복잡 실험 동안 변경. 분석에 사용 된 반구형 시료 가장자리 박리가 발생하고, 30 일 동안 그 형태를 유지하지 않았다 – 90 초 시험 시간 45.
헤르만 등. (44)은 방출 분광법을 적용하는 magnetoplasmadynamic arcjet 시설에서 방사선 절제 커플 링에 처음으로 결과를 제공합니다. 이 주제에 장시간 지상 시험 시설에서 많은 조사가되지 않았습니다 이것은 과학계에 대한 높은 관심이다. 불행하게도, 열분해 물질의 앞에 배출의 더 시간적인 동작은보고되지 않습니다. 차에 의해, 120 nm 파장 세그먼트에서 후 처리하는 동안 전체 스펙트럼에 연결된되었다 nm의 범위 300 ~ 800에서 자신의 스펙트럼사용 된 분광기의 중심 파장을 플 레이어. 따라서, 여러 스펙트럼은 전체 스펙트럼 범위를 커버하는 시간을 점령 하였다. 융제 물질들은 경우 CBCF 프리폼 및 Asterm는 모두 과도 열분해 가스 토출 표면 박리에 의한 강한 시간적 동작을 경험하는 경우, 이는 시간적으로 평균 스펙트럼을 위조 할 수있다.
우리의 연구에서 제시된 분광기의 하나의 장점은 따라서 일반적으로 낮은 분해능에서 120 nm의 최대 범위 초래하는 분광기 슬릿에 비해 넓은 스펙트럼 범위 (200-900 ㎚)이다. 하나의 인수 관찰 넓은 스펙트럼 범위는 수소 함유 종 (OH, NH, CH, H), 탄소 참여자 (C, CN, C와 절제와 열분해 공정의 결과, 경계층에서 다양한 종의 관찰을 할 수 있습니다 2) 오염물 (NA, CA, K). 단일 종의 천이가 관심의 경우, 고해상도 슬릿 분광기 APPL 수있다더 헤르만 등에 의해 수행 된 같은 전체 반경 방출 프로파일의 스캔을 할 수 있습니다 IED. (44)
실험 데이터의 응용 예, 결합 CFD 및 재료 응답 코드의 검증을 위해입니다. 절제 경계 조건을 가진 정체 줄 코드는 최근 VKI Plasmatron (46)의 구형 체의 정체-라인을 따라 유동장의 재생에 대한 VKI에서 개발되었다. 시뮬레이션 정보와 실험 경계층 발광 예비 비교 다른 45 제시 하였다.
시험 샘플의 분석은 마이크로 공기 및 질소 플라즈마 내의 탄소 섬유의 다른 열화 현상을 나타내는이었다. 저압 (15 고전력 증폭기)에서 거의 동일 경기 침체 가격으로 제안되면서 절제된 섬유의 관찰 고드름 형태는 상기 확산 제어 절제의 가정을 지원했다. 또한, abse내부 재료의 산화 NCE 다공질 시료에 유입 또는 뜨거운 경계층 가스의 확산에 대해 주장한다. 이러한 내부 산화가 웽 의해 수치로 연구 등. PICA 47, 48, 49 파쇄의 형태, 예를 들어, 물질의 기계적 고장을 초래 약한 섬유 구조로 이어질 수있다. 따라서, 우리는 높은 열 차폐 애플리케이션을위한 다공성 탄소 복합 재료의 높은 엔탈피 테스트와 함께 일반 마이크로 분석을 제시한다. 미소 규모 분석의 궁극적 인 목적은 탄소 섬유 반응성 고유의 식별 될 것이다. 파네 라이 등. (50)에 의해 수행로 공간 분해 된 이미지는 마이크로 단층에 의해, 예를 들면 분석을 발전 할 수있다. 재료 (51) 코드는 코드 .This 새로운 토르 이용한다 융제 복합 재료의 심층 열적 응답 복잡한 시뮬레이션 불연속 갤러 이산화를 사용 VKI에서 개발깨닫지 못하고 있거나 남의 물리 화학적 돌연변이 라이브러리 ++은, 유한 레이트 기상 화학 균일 / 균질 가스 / 가스 – 고체 화학 평형 52 모두의 계산을 포함하여, 가스 혼합물의 열 수송 특성을 제공한다. 우리는 다공성 물질의 마이크로 상태를 나타낼 수있는 물질 응답 코드, 우리의 실험 결과의 비교를 직시.
The authors have nothing to disclose.
B. Helber의 연구는 (IWT # 111529을 서류) 과학 기술에 의한 혁신을위한 기관의 교제가 지원 플랑드르에서, 그리고 유럽 연구위원회에 의해 TE Magin의 연구 보조금 # 259354 시작된다. 우리는 Plasmatron 운영자로서 자신의 가치 도움 씨 P. 콜린을 인정합니다. 우리는 기꺼이 시험 자료를 제공하고 정보 지원 조지 법과 스티븐 Ellacott을 인정합니다.
Carbon-bonded carbon fiber | sample shape was a hemisphere of 25mm | ||
preform | MERSEN (CALCARB) | CBCF 18-2000 | radius attached to a 25mm cylinder |
UV-VIS-NIR Spectrometer | Ocean Optics | HR4000 | |
Optical fiber | Ocean Optics | QP600-2-SR/BX, | modified fiber cladding for fixation |
SpectraSuite | Ocean Optics | ||
Lens, plano-convex | Ocean Optics | LA4745, 750mm focal length | |
Two-color pyrometer | Raytek | Marathon Series MR1SC | |
Digital Delay Generator | Stanford Research Systems | DG535 | |
High-speed camera | Vision Research | Vision Research Phantom 7.1 |