Emissie spectroscopische Boundary Layer Investigation tijdens Ablatief materiaaltestreactoren in Plasmatron

Samenvatting

De ontwikkeling van nieuwe ablatieve materialen en hun numerieke modellering vereist uitgebreid experimenteel onderzoek. Dit protocol beschrijft procedures voor de karakterisering van de materiaalrespons in plasmastromingen, waarbij de kerntechnieken niet-invasieve methoden zijn om de materiaalverkleining te volgen, samen met de chemie in de reactieve grenslaag door emissiespectroscopie.

Samenvatting

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) maakten het voor de eerste mensen mogelijk om veilig terug te keren naar de aarde van de maan en worden nog steeds beschouwd als de enige oplossing voor toekomstige hogesnelheidsre-entry missies. Maar ondanks de vooruitgang die sinds Apollo is geboekt, blijft de voorspelling van warmtestroom een onvolmaakte wetenschap en nemen ingenieurs hun toevlucht tot veiligheidsfactoren om de dikte van het TPS te bepalen. Dit gaat ten koste van de meegevoerde lading, wat bijvoorbeeld monsterretourmissies belemmert.

Grondtesten in plasmawindtunnels is momenteel de enige betaalbare mogelijkheid voor zowel materiaalkwalificatie als validatie van materiaalresponscodes. De subsonische 1,2 MW Inductief Gekoppelde Plasmatron-faciliteit in het von Karman Institute for Fluid Dynamics is in staat om een breed scala aan re-entry-omgevingen te reproduceren. Dit protocol beschrijft een procedure voor de studie van de gas/oppervlakinteractie op ablatieve materialen in hoge enthalpiestromingen en presenteert voorbeeldresultaten van een niet-pyrolyserende, ablaterende koolstofvezelvoorloper. Met deze publicatie beogen de auteurs de definitie van een standaardprocedure, die vergelijking met andere laboratoria vergemakkelijkt en bijdraagt aan de voortdurende inspanningen om de betrouwbaarheid van de hitteschilden te verbeteren en ontwerponzekerheden te verminderen.

De beschreven kerntechnieken zijn niet-invasieve methoden om de materiaalrecessie te volgen met een hogesnelheidscamera, samen met de chemie in de reactieve grenslaag, onderzocht door emissiespectroscopie. Hoewel optische emissiespectroscopie beperkt is tot zichtlijnmetingen en verder beperkt is tot elektronisch geëxciteerde atomen en moleculen, maken de eenvoud en brede toepasbaarheid ervan het nog steeds de techniek bij uitstek voor de analyse van de reactieve grenslaag. De recessie van het ablatieve monster vereist verder dat de afstand van de meetlocatie ten opzichte van het oppervlak te allen tijde tijdens het experiment bekend is. Kalibratie van het optische systeem van de toegepaste drie spectrometers maakte een kwantitatieve vergelijking mogelijk. Op vezelschaal worden resultaten van een post-test microscopieanalyse gepresenteerd.

Inleiding

Op 6 augustus 2012, NASA's Mars Science Laboratory (MSL) missie met succes een rover landde op het oppervlak van Mars. Deze rover bevat al een geautomatiseerd monstername systeem voor de chemie en mineralogie analyse. Niet lang daarna, op 12 november 2014 de robot European Space Agency lander Philae behaalde de eerste zachte landing op een komeet. Deze voorbeelden geven aan dat de volgende stap zal zijn om te identificeren, ontwikkelen, en in aanmerking komen vereiste technologieën voor de terugkeer van Mars of asteroïde monsters veilig naar de aarde. Op dit moment, ablatieve materialen zijn de enige optie voor de Thermal Protection System (TPS) van dergelijke sample return missies, die het ruimtevaartuig van de strenge verwarming afschermt tijdens hypervelocity binnenkomst. De chemische en fysische afbraak van ablators transformeren de thermische energie in massa verlies en recessie, terwijl de resterende vaste materiaal isoleert het voertuig onderbouw ^1,2. Met de methoden in dit protocol gepresenteerd, willen weeen bijdrage te leveren met nieuwe experimentele gegevens naar de voortdurende inspanningen van de verbetering van het hitteschild betrouwbaarheid door het verminderen van het ontwerp onzekerheden en het ontwikkelen van nieuwe thermo-chemische ablatie modellen.

Om hoge prestatie-eigenschappen van de ablatieve Thermal Protection Material (TPM) ingenieurs van de planetaire sondes en ruimtevaartuigen te bereiken gebruik maken van een breed scala van composieten ^3,4. TPM's bestaan ​​meestal uit een stijf precursor en een vulling matrix, om als pyrolyseren, ablateren en isolatiemateriaal bij een laag gewicht met redelijke mechanische eigenschappen. Actuele voorbeelden van een nieuwe familie van poreuze lichtgewicht ablators voor snelle toegang missies, gemaakt van een koolstofvezel voorvorm geïmpregneerd met fenolhars, zijn PICA (fenol geïmpregneerd koolstof- ablator) ontwikkeld door NASA ^5,6, en de Europese ablator Asterm ^7. Naast de ruimtevaartorganisaties in samenwerking met de industrie, verschillende onderzoeksgroepen gestart op academisch level te vervaardigen en karakteriseren van nieuwe lichtgewicht ablators, zie bijvoorbeeld referenties ^{2,8 - 12.}

Binnenkomen van de atmosfeer, wordt een deel van de warmtestroom vanuit de schok verwarmd gas overgebracht binnen het hitteschild en de nieuw materiaal wordt omgezet volgende twee mechanismen: Pyrolyse geleidelijk verkoolt de fenolhars in een lage dichtheid, poreuze char, het verliezen van ongeveer 50% van zijn massa productie van pyrolyse-gassen door verdamping. De pyrolyse-gassen uit het vervoerde materiaal door diffusie en de druktoename veroorzaakt door de afbraak. Ze putten in de grenslaag, en biedt het een barrière voor de warmte-uitwisseling door te blazen en aanvullende chemische reacties te ondergaan. Het gebruik van polymeren zoals fenolharsen van de matrix maakt hiervan de endotherme aard afbraak, waardoor energie absorberen, en dient als bindmiddel voor de andere componenten. De tweede transformatie fenomeenis de ablatie van het residu laag, bestaande uit verkoolde hars en de resterende koolstofvezels. Dit wordt bevorderd door heterogene chemische reacties, faseverandering en mechanische erosie, zoals afsplitsingsdoel, geheel leidt tot recessie van het materiaal.

Ondanks beschikbare vlucht gegevens over het materiaal prestaties tijdens de afgelopen missies, en de inspanningen in materiaal modellering ^13,14, voorspelling van de warmtestroom naar het ruimtevaartuig blijft een kritiek probleem. Ground testen in plasma wind-tunnels is momenteel de enige betaalbare optie voor de kwalificatie van de thermische beveiliging materiaal. Daarnaast worden nieuwe meerschalige materiaal responsmodellen voorgesteld om rekening te houden met de poreuze microstructuur van de nieuwe klasse van materialen ^15,16. Die modellen vereisen uitgebreide experimentele gegevens voor hun ontwikkeling en validatie.

De faciliteiten in gebruik materiaalkarakterisering zijn meest arc-verwarmde ^{17 <}/ sup> ^{- 20} of inductie gekoppelde ^21,22 fakkels, die hoge gas enthalpie te voorzien van lucht als proefgas, ideaal voor de simulatie van atmosferische terugkeer. Subsonisch 1,2 MW inductief gekoppeld plasma (ICP) van de toorts Plasmatron faciliteit in de Von Karman Instituut (VKI) kan de aerothermodynamic milieu atmosferische inschrijving in het stuwpunt grenslaag van een testobject reproduceren voor een breed drukbereik en warmtefluxen ^23-25. Een uitgebreide numerieke verbouwing procedure biedt een gedetailleerde karakterisering van de grenslaag en de extrapolatie van de grond-testgegevens om echte re-entry flight omstandigheden op basis van de lokale Heat Transfer Simulation (LHTS) -concept ^26,27.

We presenteren een procedure voor materiaalkarakterisering op een poreus koolstofvezel precursor in een goed gekarakteriseerde plasmagas omgeving die representatief opnieuw toelatingsvliegtest. Het plasma Freestream characterizatie maakt geen deel uit van dit protocol, maar kan elders ²⁸ worden gevonden. Een uitgebreide experimentele opstelling indringende en niet-intrusieve technieken geïntegreerd in situ-analyse van het materiaal blootgesteld aan de hete plasmastroom. De resultaten van deze ablatie experimenten werden reeds voorgesteld en uitvoerig besproken in andere referentie ^28. Dit protocol is bedoeld om gedetailleerde informatie over de experimentele technieken, de installatie bij de faciliteit, en de procedures voor data-analyse. Doelgroepen van deze publicatie zijn legio: aan de ene kant is deze publicatie bedoeld om een ​​beter inzicht in de experimentele methoden en procedures om het begrip van de kenmerken van de faciliteit voor materiaal code ontwikkelaars en engineers van thermische beveiliging materialen te verbeteren. Anderzijds worden experimentalists laboratoria met gelijke voorzieningen gericht voor data reproductie en vergelijking, en de gegevensbank van ablat verlengenive materiaal reactie op een breder warmte-flux en de druk bereik.

Protocol

1. Facility Voorbereiding

1. Definieer probe en sample-houder opdracht op basis van beschikbaarheid en facility specificaties (3 probe houders in dit werk) tot beste uitzicht op de monster van buiten de inrichting voor optische metingen tijdens het experiment te verkrijgen.
2. Als een pyrolyseren materiaal wordt gebruikt, plaatst u het monster in een gekoelde omgeving (T <200 ° C) voorafgaand aan het testen beginnen met vroege degradatie en ontgassing voorkomen.
3. Gebruik beschikbare probe houders voor warmtestroom metingen en drukmetingen van de plasma flow, details over warmtestroom en Pitot drukmetingen in de Plasmatron faciliteit kan worden gevonden in referentie ^24.

2. Meettechnieken Setup

1. Emissie spectrometer setup & alignment
   1. Identificeer de gewenste spectrometer, afhankelijk van de doelstellingen test en de beschikbare apparatuur: Mogelijke opstellingen bestaan ​​uit verschillende kleine, maar brede spectral afstand spectrometers voor puntmetingen of hoge-resolutie spectrografen verbonden met een 2D CCD-array waardoor ruimtelijk opgeloste metingen (bijvoorbeeld langs de middellijn of de straal van de plasmastraal voor de testmonsters).
   2. Afhankelijk van de gekozen configuratie spectrometer, bepalen de vergroting die wordt opgevraagd en kies de juiste lens zoals hieronder beschreven:
      1. Observeren drie locaties binnen 4 mm (expected grenslaagdikte) voor het monster van de spectrometers derhalve stappen van 2 mm. Dit leidt tot een vergroting van m = 3 voor het optische systeem als gevolg van de minimale afstand tussen elk van de vezels wordt beperkt tot 6 mm van de vezel bekleding (4 mm op 12 mm waarbij m = 3).
      2. Bepaal de benodigde brandpuntsafstand van het objectief door de vergroting en dunne lens vergelijking:
         m = s _i / _o s met s _i s en _{o zijn de afstanden van de lens om het beeld en het object, respectievelijk; 1 / s o + 1 / s i = 1 / f, met f zijnde de brandpuntsafstand van de lens.
         Let op: In dit protocol: s i = m x s o = 3 x 1000 mm = 3000 mm, waardoor f = 750 mm.}
      3. Gebruik spiegels als de afstand tussen de lens en het object is onpraktisch groot (hier 3000 mm).
   3. Verwijder mantel van de optische vezels zodat deze zo dicht mogelijk bij elkaar handig montagesysteem brengen en te ontwerpen. Gebruik bijvoorbeeld een simpele druk fit montage met de vezels lag naast elkaar.
   4. Lijn het optische systeem (bestaande uit lenzen, spiegels, optische vezeluiteinden) met een verticale en horizontale lijnlaser: Breng alle componenten op dezelfde hoogte (als het testmonster) en uitlijnen lens loodrecht op het monster stagnatie lijn (regio front van de neus van het monster op de as van het monster).
   5. Stel het optische pad door het plaatsen van de lens op afstand s _o van het testmonster en de optische vezel eindigt op afstand _si van de lens. Verlicht het monster stuwpunt met een lamp en plaats de vezeluiteinden ter plaatse van de best gefocusseerde afbeelding.
      Let op: Het creëren van het imago van een potlood stijl Mercury kalibratie lamp geplaatst in de voorkant van het monster kan helpen: sluit een spectrometer op een optische vezel en zet het beweegbare fiber einde waar de sterkste kwikemissie optreedt.
   6. Zodra de lens-vezel wordt afgestemd, om een ​​laserspot door de vezeluiteinden (spectrometer kant) en observeer de gefocusseerde laser aan de monsterzijde met een wit papiervel om een ​​juiste positionering en gericht voor het testmonster te bevestigen (vóór elke test run).
   7. Voorkom dat de emissie, behalve dat van het brandpunt van het invoeren van de optische vezel eindigt ensluiten van het optische pad met zwart karton. Crosscheck met een laserstraal geen licht behalve dat gefocusseerd door de lens en gereflecteerd door de spiegels bereikt de vezeluiteinden in het gesloten systeem. Om dit te doen, stuur dan een laserstraal door de optische vezels (spectrometer kant) en controleer dat er geen licht uitgezonden door de vezel einde is in staat om de lens direct te bereiken.
2. High-Speed ​​Camera (HSC)
   1. Gebruik een high-speed camera voor oppervlakte observatie indien beschikbaar om voor korte belichtingstijden voor-un verzadigde beelden van de hete, ablatie van het oppervlak.
   2. Let op het monster met de HSC loodrecht op het oppervlak van het monster. Gebruik het monster - lenssysteem as voor horizontale en verticale uitlijning van de camera optiek. Controleer het centrum van gezichtsveld van de HSC samenvalt met het midden van de lens en het monster stagnatiepunt.
   3. Synchroniseer HSC en emissie spectrometers met een Digital Delay Generator (DDG). Leiden tot de HSC-opname met eenenkele spanningspiek van de DDG en leiden elk spectrum opname met de gewenste frequentie (2 Hz) tijdens de experimenten (deel 3).
3. radiometrie
   1. Gebruik een tweekleurige pyrometer voor observatie van de oppervlaktetemperatuur in combinatie met een kwartsvenster naar de testkamer.
      Opmerking: Bij zeer hoge temperaturen doel verwacht, boven het meetbereik van de inrichting, beschouwen verminderen van de meetbare straling met een geschikt filter of venster lagere doorlaatbaarheid.

3. Experimentele Testen

1. Neem foto's met een conventionele DSLR camera, het meten van de afmetingen (met behulp van een kaliber regel) en het gewicht van de maagd proefmonster voor de installatie in de testkamer.
2. Setup HSC software:
   1. Hoog belichtingstijd (90 msec) om af te stemmen en de focus van de HSC voorafgaand aan het experiment met het monster op zijn plaats en neem een ​​pre-test afbeelding (post-Trigger = 1).
   2. Veranderingbelichtingstijd voor experiment (2-10 psec) en stel na de trigger om maximum (alle frames op te slaan), zet de juiste opnamesnelheid (fps) ter dekking van de volledige experiment (hier 30-90 sec bij 100 fps).
   3. Stel de eerste f-getal tot f / 16.
3. Stel de DDG op de gewenste herhaling snelheid waarmee spectra worden geregistreerd door de spectrometers (hier: 2 Hz). De eerste trekker puls zal de HSC overname te starten.
4. Stel de spectrometer acquisitie software (integratie tijd τ _exp: afhankelijk van de emissie-intensiteit, hier: 20-150 msec, aan te passen tijdens het experiment, indien nodig, de gemiddelde = 1).
   1. Zorg ervoor dat het optische systeem is nog steeds de juiste positie voorafgaand aan het experiment met het monster op zijn plaats (zie stap 2.1.6).
   2. Neem achtergrondafbeelding S _bg met elkaar spectrometer en opslaan.
   3. Verander de trigger om 'externe software', afhankelijk van de software (bijv SpectraSuite) (andere options zijn: 'externe' en 'synchroniseren', met verschillende doeleinden).
   4. Sla elk spectrum bij het ontvangen van een trigger puls.
5. Installeer een high definition (HD) camera op elk optische toegang indien gewenst.
6. Het monster wordt in het systeem voor de bescherming en het stofzuigen van de testkamer met een groep van drie roterende vacuümpompen en een roots pomp.
7. Start de plasma-faciliteit en breng het naar de gewenste test toestand in termen van warmtestroom en de druk door het aanpassen van het elektrisch opgenomen vermogen en de vacuümpompen. Gebruik warmtestroom probe en de pitot sonde (stap 1,3) om de bereikte condities die (1 MW / ^m2 en 3 MW / ^m2 bij 15 hPa en 200 hPa).
8. Start de opname van HD-camera en pyrometers.
9. Neem een ​​gratis-stream spectrum met alle spectrometers beschikbaar (voor de kalibratie vergelijking), dan lagere integratie tijd om te voorkomen dat verzadiging (van 200 msec tot 50 msec).
10. Trigger HSC en spectrometers via DDG (zie stap 3.2 voor setup) door te drukken 'trig' en het instellen van de stand van 'externe' naar 'interne'.
11. Injecteer het monster in het plasma flow. Hier wordt een pneumatisch mechanisme gebruikt om het monster te injecteren.
12. Pas integratie tijd van spectrometers indien nodig tot verzadiging te voorkomen (idealiter, elke wijziging van de setup configuratie moet nu worden vermeden).
13. Pas diafragma van HSC indien nodig sensor verzadiging te voorkomen.
14. Verwijder monster na gewenste test tijd (30 sec of 90 sec) in het sample systeem voor de bescherming en afsluiten plasma flow.
15. Stop DDG en spectrometer overname, sparen HSC afbeeldingen en stoppen pyrometer acquisitie.
    Opmerking: Laat pyrometer te lopen als een materiaal met een hoge thermische capaciteit wordt getest om cool-off fase monitor (niet noodzakelijk zijn voor CBCF voorvormen).
16. Stuur laser punt door middel van optische vezel uiteinden (spectrometer kant) en observeren laser focus met HSC, Sla deze afbeelding om de positie van de spectrometer te markeren.Herhaal deze stap voor elke spectrometer / optische vezel.
    LET OP: Zorg ervoor dat de laser is niet te sterk aan de CCD-array van de camera beschadigen. Een afvoerinrichting voorkeur. Als alternatief kan een beeld van de laser wijzen op een vel papier in de voorkant van het onderzochte monster worden genomen.
17. Plaats een schaakbord ter plaatse van de verslagbeeld testmonster en HSC kalibratie.
18. Verwijder monster (bijvoorbeeld door hydraulische uitwerpen), neemt het gewicht, foto's nemen, en op te slaan in de steekproef van opslag naar de broze char laag bestaat uit geoxideerde vezels (niet de frontale monster oppervlak niet aanraken) te beschermen.

4. Spectrometer Calibration

1. Spectral kalibratie
   1. Plaats een spectrale kalibratie lamp in het brandpunt van de lens (bijvoorbeeld een potlood stijl kwiklamp) aan de golflengtekalibratie en de volledige breedte-half-maximum (FWHM) van het optische systeem te bepalen, kunnen details over deze maatregelen worden gevonden in de literatuur ^29.
2. intensiteit kalibratie
   1. Voer een intensiteit kalibratie van elk optisch systeem, bestaande uit de licht verzamelmechanisme (lens) en spectrometer efficiëntie van W / (m ² sr · · nm) tussen 350 nm en 900 nm. Doe dit door het plaatsen van een wolfraam-lint lamp (OSRAM WI 17G) in het brandpunt van elke collectie optiek binnen de testkamer. Noteer de kalibratie lamp spectrum S _{cal, exp} en het verkrijgen van de kalibratiefactor C door:
      C = S _{cal, th} / (S _{cal, exp} - S _{bg, cal)} x τ _cal,
      de theoretische spectrale respons van de kalibratie lamp (die door de fabrikant) S _{cal, th,} het gemeten signaal van de kalibratie lamp S _{cal, exp,} de achtergrond S _{bg, cal} en de integratietijd tijdens de ijkmeting τ _cal </ Em>.

5. Data Processing

1. Surface recessie beoordelen en spectrometer indringende locatie (s):
   1. Observeren monster injectie en uitwerpen keer op de HSC videobestand voor de correcte testtijd schatting.
   2. Observeer pixel locatie van het monster stuwpunt bij de injectie van het HSC videobestand.
   3. Kalibreren HSC vergroting door de uitvoer van beeld dat in stap 3.17 (bijvoorbeeld .tiff formaat) en het tellen van de pixels in het meetgebied over meerdere schaakbord pleinen. Bereken de correlatie pixels: mm (een gedetailleerde karakterisering van de intrinsieke en extrinsieke parameters met de camera camerakalibratie toolbox in MATLAB verkrijgen indien gewenst).
   4. Exporteer de afbeelding (en) die in stap 3.16 (bijvoorbeeld .tiff formaat) en vind de pixels van de spectrometer indringende locatie (s) als heldere vlekken op de afbeelding, met vermelding van x- en y-positie.
   5. Export HSC beelden (bijv Multitiff-fOrmat) en het uitvoeren van randdetectie (bijvoorbeeld met behulp van Matlab ingebouwde functie 'edge') naar de stagnatie punt locatie op elk tijdstip stap i (x _i en y _i) te definiëren.
   6. Trek de positie van het oppervlak (stap 5.1.5) vanaf de positie van de spectrometer sonderen locatie (s) (stap 5.1.4) voor elke tijdstap om hun afstanden d (t) te verkrijgen van het oppervlak.
2. Emissiespectra materialen (een nabewerking kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd in Matlab).
   1. Exporteer alle opgenomen spectrum bestanden (golflengte versus intensiteit) en het ijken van de intensiteit reactie van elke opgenomen spectrum door:
      S _{exp, cal} = (S _exp - S _bg) / τ _exp x C,
      met de experimenteel verkregen spectrum S _exp, de achtergrond bestand S _bg (stap 3.4.2), de experimentele integratie tijd64; _exp en de kalibratiefactor C bepaald tijdens stap 4.2.1.
   2. Als er meerdere spectrometers gebruikt worden, beoordeelt de geldigheid van de kalibratiecoëfficiënt C met behulp van de Freestream spectra genomen tijdens stap 3.9. Plot alle geijkte vrije stroom spectra samen; hun reacties moeten nagenoeg gelijk zijn omdat de spectrometer collectie delen in de plasma stroom zeer dicht bij elkaar.
   3. Open het bestand met de golflengte vector van de geijkte spectra (bijv, dubbelklik op het .mat bestand in MATLAB) en identificeren van de rij indices overeenkomt met golflengten λ ₁ = 370 nm en λ ₂ = 390 nm (U kunt ook de "vinden "commando in Matlab).
      Opmerking: Bij het ​​pyrolyseren ablators fenol afkomstig species zijn ook beschikbaar, zoals C _2, CH, H, NH, OH.
   4. Integreer de emissie signaal van belang (hier CN violet emissie, 370-390 nm) tussen de twee indices (λ ₁ en λ ₂₎ uit stap 5.2.3 voor elke tijdstap (I _{A 1- λ 2} (t)).
   5. Plot software naar keuze spectraal geïntegreerde emissie (I _{X 1- λ 2} (t)) van elke spectrometer (stap 5.2.4) als functie van de spectrometer afstanden van het oppervlak (stap 5.1.6) (Figuur 2) ( bijvoorbeeld, plot (d (:, 1: 3), I (:, 1: 3), 'x')).
   6. Voor een betere interpretatie van de resultaten, het uitvoeren van de kromme van de gegevens en plot van de resultaten (bijvoorbeeld met behulp van MATLAB's polyfit commando:
      [P, ErrorEst] = polyfit (d (:, 1: 3), I (: 1: 3,9);
      [Fit, delta] = polyval (p, d (:, 1: 3), ErrorEst); plot (d, fit))
      Opmerking: Afhankelijk van de locatie en de resolutie van de opgenomen spectra, kan de aangeslagen toestanden temperatuur van moleculen worden bepaald. Gebruik een straling simultaanatie hulpmiddel om numerieke spectra passen experimentele spectra van de GN-violet en _C2 zwaan-systemen. Verschillende online tools omvatten spectrale fitting tools waarmee translatie, rotatie, vibratie te verkrijgen, en elektronische temperaturen ^30.

6. Post-testexemplaar Inspectie

1. Scanning Electron Microscopy (SEM) om de koolstofvezels en char laag afbraak bestuderen
   Let op: Als gevolg van de hoge elektrische geleidbaarheid, die nodig zijn in het geval van volledig verkoolde carbon monsters geen verdere behandeling is. Opladen en vervorming van de beelden zal optreden als maagd fenolhars aanwezig in het monster is.
   1. Indien mogelijk, plaats de volledige test sample in de vacuümkamer van de SEM apparaat om de char laag vermijden vernietiging van het oppervlak te onderzoeken.
      Opmerking: Een gedetailleerde beschrijving van SEM en X-stralen micro toegepast op composietmaterialen wordt in de literatuur en ³¹ niet hiertoe pROTOCOL.
   2. Gebruik een maagd (niet getest) materiaal monster als een verwijzing naar de koolstofvezel afmetingen te bestuderen:
      1. Selecteer één enkele, goed waarneembaar vezel met de SEM-systeem.
      2. Schat de maagd carbon fiber dikte en vezellengte met de tools die door de SEM systeemsoftware volgens de instructies van de fabrikant. Bijvoorbeeld, zoeken in de werkbalk voor "waardering" en selecteer "Ruler", tik op het begin en eindpunt van het doel object (bijvoorbeeld de begin- en eindpunten van een enkele vezel).
         Let op: Dit levert een verbindingslijn segment en de afstand wordt weergegeven. Achtereenvolgens voeren deze operatie nodig.
   3. Identificeer de vezel degradatie van de geteste monster, bijvoorbeeld een naaldvorm, suggereert een zuurstof diffusie beperkt ablatie regime ^28, terwijl putjes van de vezels en lokale aanvallen kan worden veroorzaakt door een reactie gecontroleerde regime en / of lokale active plaatsen door onzuiverheden van het materiaal.
   4. Snijd het brosse materiaal met behulp van een scalpel. Onderzoek naar de afbraak in-diepte en een schatting van de diepte waarin de vezels worden uitgedund door het vergelijken van de dikte van geablateerd vezels aan de maagd vezeldikte (stap 6.1.2.2).
   5. Zoek mogelijke roetvorming en koolstofafzetting op het oppervlak pyrolyseren ablators, kan deze worden verbeterd indien het monster werd getest in een zuurstofarme atmosfeer (bijvoorbeeld stikstof of argon).
   6. Energieverbruik-dispersieve röntgenanalyse (EDX) ³¹ samen met de SEM te detecteren en identificeren van verontreinigingen van het materiaal dat kan leiden tot verhoogde reactiviteit (bijvoorbeeld calcium en kalium).

Resultaten

De vrij beschikbaar stortgoed een zeer poreuze koolstof-gebonden koolstof vezel voorvorm (CBCF), bestaande uit een korte vezelisolatie afkomstig uit rayon (cellulosevezel uit gezuiverde cellulose). De gesneden, discontinue maagdelijke koolstofvezels zijn verbonden in een matrix verkregen door verkoling van fenolhars. Tijdens dit proces worden de vezels georiënteerd en de microstructuur en eigenschappen zijn anisotroop. Het materiaal wordt onder vacuüm behandeld bij temperaturen boven 2300 K zijn temperatuurstabiliteit en de afwezigheid van uitgassing waarborgen. Het materiaal werd bewerkt in huis om hemisferische (HS) testmonsters straal 25 mm en 50 mm. De monsters een initiële dichtheid van ongeveer 180 kg / m ³ met een initiële porositeit van 90%.

VKI Plasmatron inrichting is gebruikt voor alle experimenten voor de reproductie van de aero-thermodynamic omgeving van de re-entry plasma stromen, het creëren van een high-enthalpie, zeer los subsonische gasstroom. Het gas wordt verwarmd door inductie via een spiraal, waardoor een hoge zuiverheid plasmastroom. Een overzicht van de testkamer en een schema van de experimentele instrumenten voor in situ metingen ablatie te vinden in Fig. 1 (a) en 1 (b). Experimentele testomstandigheden en algemene resultaten, zoals gemiddelde recessie verkre- gen uit HSC beeldvorming en massaverlies staan ​​in tabel 1. We gebruikten een tweekleurige pyrometer, waarbij een breed (0,75-1,1 urn) en smal (0,95-1,1 urn) spectrale band voor de temperatuur bepalen bij 1 Hz overname rate (1,300-3,300 K). Met behulp van twee smalle golflengtebanden en onder de aanname van een emissie is onafhankelijk van de golflengte, kan de oppervlaktetemperatuur worden geschat zonder kennis van de emissie. De pyrometer werd gewezen en gericht op de stagnatie gebied van de svoldoende door een 1 cm dikke kwartsvenster, onder een hoek van 35 ° ten opzichte van de stagnatie lijn. Het instrument werd gekalibreerd tot 3300 K door een zwart lichaam bron.

De recessie oppervlak werd gemeten met de HSC met een resolutie van 0,2 mm. Het is duidelijk dat schuifmaat regel recessie metingen algemeen geleid tot grotere waarden dan uitgevoerd door HSC beeldvorming, met een verschil in de totale recessie tussen beide methoden variërend 0,45-0,9 mm. De hoogste onzekerheid voor deze meting werd geïntroduceerd door het comprimeren van de broze char laag met de remklauw regel. Recessie prijzen in de lucht varieerde tussen 44,6 en 58,4 um / sec. Het is verder duidelijk dat HSC bepaald recessie prijzen luchtplasma niet veel verschilden, waarschijnlijk door een diffusiegecontroleerd ablatie regime. In dit regime, de temperatuur hoog genoeg is om volledig verbruik van de zuurstof aan het oppervlak, en conseq veroorzakenuently, wordt ablatie beperkt door de diffusie van zuurstof door de grenslaag ^32,33. Omgekeerd zal een oxidatiereactie gecontroleerde omgeving, zuurstof diffundeert sneller door een grenslaag dan wordt verbruikt op het oppervlak ablatie toe met temperatuur. Recessie tarieven van de CBCF materiaal in high-enthalpie omgevingen zijn ook gemeld door MacDonald et al. (56 um / sec) ²² en Lohle et al. (50 um / sec) ^34. Deze waarden liggen tussen onze metingen, hoewel MacDonald et al. gebruikt een cilindervormig testmonster shape and Lohle et al. een monster ingebed in een watergekoelde probe.

Drie lage resolutie spectrometers werden gebruikt voor observatie van de gasfase. Voordeel van dit instrument is een snelle scan van een breed spectrum (200 - 1000 nm) dat zorgt voor detectie van meerdere moleculen en atomen, aanwezig in ablation analyse.

Geïntegreerde CN emissie-intensiteiten, uitgezet over afstand van de ablatie van oppervlakte-show zeer goed overeen met ten opzichte van elkaar (fig. 2). De gegevens worden geëtiketteerd volgens hun standpunten uit het monster oppervlak met 'close', 'midden' en 'verre'. De drie spectrometers meten dezelfde GN violette emissie-intensiteit als de vaste optische weg verzamelde licht van dezelfde afstand voor het oppervlak. De geïntegreerde intensiteiten van alle drie spectrometers samen bijna 3,4 mm vóór het ablateren oppervlak. In beide gevallen blijkt dat de opgenomen GN-violet-uitstoot een piek vlak voor het monster, voordat het verlagen door middel van de grenslaag. Uit deze resultaten afleiden we dat het materiaal burn-off in lucht gedurende de gehele testduur was erg stabiel, en dat de opgenomen emissiesignaal daalde ongeveer 90% binnen 5 mm frontaal van het oppervlak. CN violetexperimentele spectra werden daarna gebruikt ter vergelijking met gesimuleerde spectra om gastemperaturen verkrijgen. De synthetische spectra werden verkregen met SPECAIR 2,2, uitgaande van een Boltzmann verdeling van opgewonden niveaus en een kleinste kwadraten werkwijze werd toegepast voor translatie-rotatie temperaturen schatten T _rot en vibratie-elektronische temperaturen T _VIB (fig. 3). Twee voorwaarden, bij lage (a) en hoge (b) druk worden, met de spectra genomen in de buurt van de wand in de grenslaag. De geschatte temperaturen leverde een grote afwijking van thermisch evenwicht bij lage druk (fig. 3 (a)). Dezelfde analyse werd uitgevoerd voor verschillende afstanden van het oppervlak, de afwijking van thermisch evenwicht dicht bij de wand bij lage druk beter illustreren (fig. 4 (a), 15 hPa) tot evenwicht met de grenslaag. De opgehaalde temperaturen waren in de orde van 8200 K _Trot en 21.000 K voor T _VIB dicht bij de wand, met T _vib dalende richting K 8200 door de grenslaag. Dit in tegenstelling tot de evenwichtstoestand gedurende de grenslaag bij hogere druk (fig. 4 (b), 200 hPa). De temperatuur grenzen waren gebaseerd op een onzekerheid van 10% op de spectrometer emissie-intensiteit, zodat een theoretisch spectrum variatie binnen deze grenzen voor de aanpassingsprocedure.

Bij lage druk, is excitatie transfer van moleculen verminderd door minder botsingen, waarbij het evenwicht effect naar de grenslaag rand kan verklaren. We gaan uit van een sterke invloed van moleculaire stikstof bij lage plasma enthalpie op CN productie, gevolgd door vibratie excitatie van CN. Dissociatieve adsorptie van zeer vibrationeel aangeslagen stikstof wordt aangenomen dat reactieve plaatsen aan het oppervlak die leiden tot CN productie te creëren. Bouberten Vervisch beschrijven deze werkwijze in een stikstof / kooldioxide plasma bij lage druk ^35. Dit proces kan een pool van stikstofatomen maken aan de oppervlakte, met exotherme reacties die leiden tot overtollige energie wordt omgezet in rotatie en vibrationele excitatie van CN.

Micrografische aangetoond dat koolstof oxidatie in lucht plasma leidde tot een icicle vorm van de ablatie vezels met een oxidatie diepte van ongeveer 0,2 mm (fig. 5 (a)). Dit soort ijspegel vormgeving als gevolg van ablatie wordt breed uitgemeten in de literatuur voor koolstof-koolstof composiet materialen ^36-38. De ijskegel vorm (openingshoek) afhankelijk van de reactie-diffusie concurrentie op het oppervlak van het poreuze materiaal, en dus varieert met zuurstof diffusie. Deze lengte wordt verondersteld overeen te komen met de gemiddelde diepte van zuurstofdiffusie. De ijspegel vorm bevestigt bovendien diffusie-gecontroleerde ablatie. Daarentegen reactiebeperkte ablatie zou zuurstofdoor zweven in de diepere vezelstructuur, produceren lokale putjes van de koolstofvezels.

Heldere vonken waargenomen tijdens sommige ablatie testen (fig. 5 (b)), wat kan worden veroorzaakt door hete vezel clusters loskomen van het oppervlak. Ablation stikstofplasma tot sterk afgebroken vezels langs hun oppervlak, wat leidde tot een langzame recessie van het materiaal door nitreren (fig. 5 (c)). Aangezien de reactiviteit van koolstof tot stikstof is veel lager dan die van zuurstof, stikstof kan diffunderen dieper in het materiaal, wat leidt tot verslechtering over de gehele vezel.

Figuur 1. Plasmatron en experimentele opstelling overzicht. (A) VKI Plasmatron testkamer overzicht aangeeft proefmonster buiten tHij bevestigingssysteem, warmtestroom en druk sondes en optische toegangen voor radiometers, HSC en spectrometer optica. (B) Schematische voorstelling van de experimentele opstelling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Tabel 1. Plasmatron testomstandigheden en experimentele resultaten van koolstof voorvormen monsters. Test zaaknummer, testgas, statische druk p _s, dynamische druk p _d, generator vermogen P, bedoel muur koude warmtestroom q _cw, monster belichtingstijd τ, betekenen oppervlaktetemperatuur T _s, recessie snelheid r / τ en massaverlies rate m / τ.

Figuur 2. Ruimtelijke CN violet emissie in grenslaag emissieprofielen opgenomen door drie aangrenzende spectrometers voorvorm tijdens ablatie in lucht samenvallen wanneer het vaste optische paden licht verzamelen waren uit dezelfde afstand voor de ablatie oppervlak. Stabiel materiaal burn-off, en reactieve grenslaag grootte ~ 5 mm frontaal van het oppervlak (conditie A1a). klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. CN violet temperaturen geschat op basis van spectrale fitting methode. Kleinste kwadraten methode voor de beste montage van GN-violet spectra berekend met SPECAIR 2,2 mits translatie-rotatie en vibratie-elektronische temperatures T _rot en T _VIB: (a) Toestand A1a: T _rot = 8240 K ± 400 K, T _vib = 21.600 K ± 1700 K, T _LTE = 12.600 K ± 500 K (evenwicht simulatie T _LTE geïndiceerd ter vergelijking); (B) Staat A1a: T _rot = 6880 K ± 200 K, T _vib = 7120 K ± 180 K. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4. CN violet temperatuur profielen in grenslaag. Translationeel-rotatie en vibratie-elektronische temperaturen T _rot en T _vib van gesimuleerde, voorzien CN violet spectraberekend met een straling simulatieprogramma vier afstanden van het ablatie oppervlak suggereren afwijking van een thermisch evenwicht toestand dicht bij de wand bij een lage druk van 15 hPa (a) maar komen voor evenwicht gedurende de grenslaag bij 200 hPa (b). De temperatuur bounds [K] waren gebaseerd op een onzekerheid van 10% op de spectrometer emissie-intensiteit, zodat een theoretisch spectrum variatie binnen deze grenzen voor de montage procedure. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5. Rasterelektronenmicrografieën hulplucht ablatie (a), waaronder in-situ foto (b) en microfoto van stikstof ablatie (c). (A) Voeg air-ablatie microfoto genomenfrontale oppervlak dicht bij punt huidige dunner worden van koolstofvezels stagnatie als gevolg van oxidatie van fiber tip, die leidt tot ijspegel vorm, de diepte van zuurstof diffusie ligt dicht bij 200 micrometer (diffusie beperkte ablatie); (B) Foto genomen tijdens ablatie test van een cilindrisch monster (belichtingstijd: 1/200 sec) illustreert heldere vonken; (C) Sterke corrosie werd waargenomen in stikstof langs gehele vezellengte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Dit protocol beschrijft procedures voor materiaalkarakterisering reageren thermische beschermingsmaterialen hoge enthalpie stromen en weer steekproefresultaten verkregen op een niet-pyrolyseren, ablatie-koolstof gebonden koolstofvezel (CBCF) precursor. Het CBCF materiaal is zeer vergelijkbaar met de starre precursor voor low-density koolstof-fenolische ablators zoals PICA en Asterm, die de uiteindelijke doelstellingen van de gepresenteerde technieken. De belangrijkste voordelen van de CBCF materiaal zijn lage prijs en beschikbaarheid openen, aangezien deze niet beperkt controle uitvoercertificaten. Er werd gekozen voor de presentatie van de aanpak van de auteurs en andere onderzoeksinstellingen makkelijk ruwe CBCF materiaal kan verkrijgen. Met deze publicatie de auteurs voorzien in de definitie van een relatief eenvoudige standaardprocedure vergemakkelijkt vergelijking met andere laboratoria.

De kern technieken zijn een niet-intrusieve methode om het materiaal recessie volgen en indringende van thij chemie in de reactieve grenslaag door emissiespectroscopie. Toepassing van high-speed beeldvorming is een eenvoudige techniek, maar zorg moet worden genomen met aanpassing van het camerasysteem en de verwachte oppervlakte glans. Een korte tijd in de orde van enkele microseconden helpt verzadiging van de camerasensor voorkomen.

Enkele fotogrammetrische technieken ablator recessie in de literatuur, bijvoorbeeld door Lohle et al. ^34. Ze superieur aan onze techniek door beeldvorming van het gehele oppervlak ablator hogere resolutie. De auteurs stellen een resolutie van 21 urn, wat bijna een orde van grootte hoger dan die van de in ons werk techniek. Echter, de installatie van de fotogrammetrische opstart, kalibratie en nabewerking tijdrovend (vermelden de auteurs 1 dag / test) en twee optische poorten vereist als twee afzonderlijke camera's worden gebruikt. Test campagnes die een hoge n vereisenumber van de monsters maken deze applicatie zeer kostbaar. De techniek die in dit protocol is eenvoudig op te zetten en post-processing kan worden gedaan met de bestaande numerieke gereedschappen. Onze techniek met het streefdoel van het volgen van de recessie oppervlak in situ. De nauwkeurigheid van onze techniek kan worden vergroot met een hogere resolutie camera of hoger brandpuntafstand van het optische systeem. Echter, als het materiaal analyse vereist een hoge ruimtelijke resolutie van het oppervlak gegevens, raden wij de tewerkstelling van fotogrammetrische technieken.

Zorg moet worden genomen met de uitlijning en kalibratie van het optische systeem voor optische emissie spectroscopie (OES). Deze techniek is beperkt tot line-of-sight metingen en de indringende wordt beperkt tot elektronisch aangeslagen atomen en moleculen. Maar de eenvoud en hoog rendement regelt niettemin via ingewikkelder technieken zoals bijvoorbeeld laser geïnduceerde fluorescentie (LIF) spectroscopie, hetgeenmoeilijk uit de buurt van het oppervlak te dragen tijdens ablatie analyse. Hoewel LIF spectroscopie met succes is toegepast op het onderzoek van grondtoestand populaties in het plasma Freestream ^39,40, LIF metingen in de grenslaag zijn relatief zeldzaam. Metingen van SiO voor een warme SiC monster worden gerapporteerd door Feigl ⁴¹ maar nog niet uitgevoerd ablateren oppervlakken. Het terugtrekkende oppervlak van de ablator verbiedt lange meettijden in de grenslaag. Naast deze zijn LIF systemen erg duur vanwege het grote aantal specifieke componenten.

De ruimtelijke en temporele evolutie van ablatie produkten van interesse voor deze publicatie, die kan worden relatief eenvoudig door emissie spectroscopie. Drie lage resolutie, brede waaier spectrometers diende om meerdere atomen en moleculen tijdens ablatie testen aanwezig te detecteren. De optische diagnostische bank bestond uit een licht verzamelen lens, twee spiegels, en een optische vezel voor elk van de drie spectrometers. Het was belangrijk dat de optische opstelling die geen licht, behalve dat gefocusseerd door de lens, bereikte de optische vezels.

Als een pyrolyseren materiaal bestudeerd worden talrijke koolwaterstoffen uitgestoten door het materiaal, die doordrongen verbrandingsvlammen zijn, zoals bijvoorbeeld waterstof (balmerreeks, H _α en H _β), C ₂ (Swan-systeem), CH, OH, NH ^42. Deze kunnen worden gedetecteerd met deze opstelling. Verschillende onderzoeksgroepen zijn recent aanbrengen van emissie-spectroscopie om de reactieve grenslaag analyseren vormen rond ablatieve hitteschild materialen ^19,22,43,44. MacDonald et al. ²² voorgevormde ablatie testen in een inductief gekoppeld plasma. De opstelling bestond uit een soortgelijke lage-resolutie spectrometer met een spectrale resolutie van 1,16 nm, wat lager is dan de resolutie door de spectrometer voor onze opstelling. Hun initiële test steekproef vorm was een cilinder, een sterke rand ablatie, zoals blijkt uit de stijgende oppervlaktetemperatuur tijdens de test. Vandaar dat de grenslaag thermochemische toestand waarschijnlijk veranderde tijdens het experiment complicerende een tijdsgemiddelde analyse. De halfronde monster gebruikt voor onze analyse niet de ervaring rand ablatie en onderhouden zijn vorm tijdens de 30-90 sec testtijd ^45.

Hermann et al. ⁴⁴ te verstrekken eerste resultaten over straling-ablatie koppeling in een magnetoplasmadynamic arcjet faciliteit toepassing van emissie-spectroscopie. Dit is van groot belang voor de wetenschappelijke gemeenschap als er niet veel onderzoek in de lange duur van de grond-testfaciliteiten over dit onderwerp geweest. Helaas is er geen tijdelijke gedrag van de emissie voor het pyrolyseren materiaal gerapporteerd. Hun spectra in het gebied van 300-800 nm om een ​​volledig spectrum werden samengevoegd tijdens post-processing van 120 nm golflengte segmenten, door changing het centrum-golflengte van het gebruikte spectrograaf. Daarom werden verschillende spectra genomen tijd om het volledige spectrum bestrijken. Als de ablatief materiaal, CBCF voorvormen en Asterm in hun geval, kende een sterke temporele gedrag veroorzaakt door zowel transiënte pyrolyse gas uitwerpen en oppervlakte-ablatie, kan dit de tijdelijk gemiddelde spectrum vervalsen.

Een voordeel van de spectrograaf die in ons werk is dus het brede spectrum (200-900 nm) ten opzichte spectrografen spleet, die meestal leiden tot een maximaal bereik van 120 nm bij de laagste resolutie. Het brede spectrum waargenomen met een enkele acquisitie maakt waarneming van verschillende soorten in de grenslaag ten gevolge van de verdamping en pyrolyse processen, zoals waterstof bevattende species (OH, NH, CH, H), koolstof medewerkers (C, CN, C _2), en contaminanten (Na, Ca, K). Indien slechts een enkele soort overgang plaats, een hoge-resolutie spleetvormige spectrograaf kan worden applied, die verder stuurt documenten van de volledige radiale emissieprofiel zoals werd uitgevoerd door Hermann et al. ⁴⁴

Toepassingen van de experimentele gegevens, bijvoorbeeld validatie van gekoppelde CFD en materiaal responscodes. Een stagnatie-lijn code met ablatief randvoorwaarde is onlangs ontwikkeld op het VKI voor de voortplanting van het veld stroming langs de stagnatie-lijn van bolvormige lichamen in de VKI Plasmatron ^46. Een eerste vergelijking van de experimentele grenslaag emissie met gesimuleerde profielen werd elders ⁴⁵ gepresenteerd.

Microschaal analyse van de geteste monsters wees op verschillende degradatieverschijnselen van de koolstofvezels in de lucht en stikstof plasma. De waargenomen ijspegel morfologie van geablateerd vezels verder ondersteund de aanname van diffusie gecontroleerde ablatie, zoals door de bijna identieke recessie tarieven bij lage druk (15 hPa) werd gesuggereerd. Bovendien is de absenvu van de interne materiaal oxidatie pleit tegen de instroom of de verspreiding van hete grenslaag gassen in de poreuze monster. Dergelijke interne oxidatie, zoals numeriek bestudeerd door Weng et al. Voor PICA ⁴⁷ kan leiden tot een zwakkere vezelstructuur, waardoor mechanisch falen van het materiaal, bijvoorbeeld in de vorm van spallatie ^48,49. Daarom zeer raden we een algemene microschaal analyse, samen met high-enthalpie testen van poreuze koolstof-composietmaterialen voor hitteschild toepassingen. Het uiteindelijke doel van microschaal analyse zou de identificatie van de koolstofvezel intrinsieke reactiviteiten zijn. Ruimtelijk opgeloste beelden kon een dergelijke analyse te bevorderen, bijvoorbeeld door micro-tomografie zoals uitgevoerd door Panerai et al. ⁵⁰ uitgevoerd. Een materiaalcode ontwikkeld aan de VKI via discontinue Galerkin discretisatie de complexe simuleren grondige thermische responsie van ablatieve composietmaterialen ⁵¹ .Het code maakt gebruik van de nieuwe thordoorgedreven fysisch-chemische bibliotheek Mutation ^++, het verstrekken van de thermische en transport eigenschappen van gasmengsels, inclusief de berekening van zowel de eindige-rate gasfase chemie en homogeen / heterogeen gas / gas-vast evenwicht chemie ^52. We voorzien vergelijking van experimentele gegevens aan het materiaal antwoordcode, die in staat is microschaal toestand van het poreuze medium vertegenwoordigen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Carbon-bonded carbon fiber preform	MERSEN (CALCARB)	CBCF 18-2000	sample shape was a hemisphere of 25 mm radius attached to a 25 mm 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, 750 mm 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