Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Emission Spektroskopiska Boundary Layer Undersökning under ablativ Material Testing Plasma

Published: June 9, 2016 doi: 10.3791/53742
Automatic Translation
1,2, 1, 2, 1
1Aeronautics and Aerospace Department, von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2Research Group Electrochemical and Surface Engineering, Vrije Universiteit Brussel

Introduction

Den 6 augusti 2012, NASA: s Mars Science Laboratory (MSL) uppdrag framgångsrikt landat en rover på Mars yta. Detta rover innehåller redan en automatiserad provuppsamlingssystem för kemi och mineralogi analys. Inte långt efter, den 12 november 2014 robot ESA lander Philae uppnått den första mjuklandning på en komet. Dessa exempel visar att nästa steg blir att identifiera, utveckla och kvalificera nödvändiga tekniker för att återföra Mars eller asteroid prover säkert till jorden. För närvarande, ablativa material är det enda alternativet för Thermal Protection System (TPS) sådana uppdrag provretur, som skyddar rymdfarkosten från den allvarliga uppvärmning under hyper inträde. Kemisk och fysikalisk nedbrytning av ablators omvandla värmeenergi till massförlust och recession, medan resterande fasta materialet isolerar fordonskonstruktionen 1,2. Med de metoder som presenteras i hela detta protokoll, vi villatt bidra med nya experimentella data till det pågående arbetet för att förbättra värmeskyddet tillförlitlighet genom att minska konstruktions osäkerhet och utveckla nya termokemiska ablation modeller.

För att uppnå höga prestanda för ablativ Thermal Protection Material (TPM) ingenjörer av planet prober och rymdfarkoster att använda sig av ett stort antal olika kompositer 3,4. TPM består i allmänhet av ett styvt prekursor och en fyllningsmatris, för att tjäna som en pyrolysera, ablation, och isolerande material vid låg vikt med rimliga mekaniska egenskaper. Aktuella exempel på en ny familj av porösa lätta ablators för höghastighetsinträdes uppdrag, gjorda av en kolfiberförform impregnerade med fenolharts, är PICA (fenolimpregnerat kol ablatom) som utvecklats av NASA 5,6, och den europeiska ablatom Asterm 7. Förutom de rymdorganisationer i samarbete med industrin, flera forskargrupper började en akademisk level att tillverka och karakterisera nya lättvikts ablators, se till exempel refererar 2,8 - 12.

Under atmosfär posten, är en del av värmeflödet som kommer från chocken uppvärmd gas överförs i värmeskölden och jungfruligt material omvandlas efter två mekanismer: Pyrolys carbonizes successivt fenolhartset i en låg densitet, porös röding, förlorar cirka 50% av dess massproducera pyrolysgaser genom förångning. Pyrolysgaserna transporteras ut ur materialet genom diffusion och tryckökningen som orsakas av deras sönderdelning. De avgaser i gränsskiktet, vilket ger en ytterligare barriär för värmeväxling genom att blåsa och genomgå ytterligare kemiska reaktioner. Användningen av polymerer, såsom fenoliska hartser för matrisen drar fördel av deras endotermiska nedbrytningen natur, och därigenom absorberar energi, och som tjänstgör som ett bindemedel för de andra komponenterna. Den andra transformationen fenomenär ablationen av träkolet skiktet, som består av den karboniserade hartset och de återstående kolfibrer. Detta främjas av heterogena kemiska reaktioner, fasändring och mekanisk erosion, såsom spallation, helt och hållet leder till recession av materialet.

Trots tillgängliga flygdata på materialet prestanda under tidigare uppdrag och insatser i materialmodellering 13,14, förblir förutsägelse av värmeflödet till rymdfarkosten ett kritiskt problem. Testområde i plasma vindtunnlar är för närvarande den enda prisvärt alternativ för kvalificering av värmeskydd material. Dessutom är nya multi-skala material responsmodeller föreslås för att ta hänsyn till de porösa mikrostruktur i den nya klass av material 15,16. Dessa modeller kräver omfattande experimentella data för deras utveckling och validering.

Anläggningarna som används för materialkarakterisering är vanligast arc-uppvärmd 17 </ sup> - 20 eller induktion kopplade 21,22 facklor, som ger höga gast entalpier med luft som testgas, perfekt för simulering av återinträde i atmosfären. Subsoniskt 1.2MW induktivt kopplad plasma (ICP) fackla av Plasma anläggningen vid von Karman Institute (VKI) är kunna återge aerotermo miljö atmosfärisk inträde i stagnationspunkten gränsskiktet av ett testobjekt för ett brett spektrum av tryck och värmeflöden 23-25. En omfattande ombyggnad förfarande numerisk erbjuder en detaljerad karakterisering av gränsskiktet och extrapolering av mark testdata verkliga återinträde flygförhållanden som grundar sig på den lokala Heat Transfer Simulering (LHTS) koncept 26,27.

Vi presenterar ett förfarande för materialkarakterisering på ett poröst kolfiber prekursor i en väl karakteriserad plasmagas förhållanden som är representativa återinträde flygning. Plasmat freestream characterizaning är inte en del av detta protokoll men kan hittas någon annanstans 28. En omfattande experimentuppställning av påträngande och icke störande tekniker integrerades i situ analys av materialet utsätts för den heta plasmaflödet. Resultaten av dessa ablation experiment redan lagt fram och diskuterats i en annan referens 28. Detta protokoll är tänkt att ge detaljerad information om de experimentella tekniker, deras installation vid anläggningen, och förfarandena för dataanalys. Målgrupper i denna publikation är många: å ena sidan, är denna publikation avsedd att ge en bättre insikt i de experimentella metoder och förfaranden för att förbättra förståelsen av anläggningens egenskaper för material kod utvecklare och ingenjörer av termiska skyddsmaterial. Å andra sidan, är experimental av laboratorier med liknande anläggningar adresseras för datareproduktion och jämförelser, och att utvidga databasen över ablative material svar på en bredare värmeflöde och tryckintervall.

Protocol

1. Anläggning Framställning

  1. Definiera sond och provhållaren tilldelning baserat på tillgänglighet och anläggnings specifikationer (3 sondhållare i detta arbete) för att få bästa utsikten på prov från utanför anläggningen för optiska mätningar under försöket.
  2. Om en pyrolysera material används, placera provet i en kyld miljö (T <200 ° C) innan proven börja förebygga tidig nedbrytning och avgasning.
  3. Använda tillgängliga sondhållare för värmeflödesmätningar och tryckmätningar av plasmaflödet, uppgifter om värmeflödet och Pitot tryckmätningar i Plasma anläggningen kan hittas i 24 referens.

2. mätteknik Setup

  1. Emission spektrometer installation och anpassning
    1. Identifiera den önskade spektrometer beroende på testmålen och den tillgängliga apparaten: Möjliga inställningar består av flera små, men bred spectral-range spektrometrar för punktmätningar, eller hög upplösning spektrografer som är anslutna till en 2D-CCD-matris möjliggör spatialt upplösta mätningar (till exempel längs centrumlinjen eller radien av plasmastrålen framför testproven).
    2. Beroende på den valda spektrometer konfigurationen bestämma förstoringen som kommer att krävas och välja lämplig lins enligt nedan:
      1. Observera tre platser inom 4 mm (förväntat gränsskiktets tjocklek) framför testprovet av spektrometrar, därav, steg om 2 mm. Detta resulterar i en förstoring av m = 3 för det optiska systemet på grund av den minimala avståndet mellan var och en av fibrerna att vara begränsad till 6 mm av fibermantel (4 mm på 12 mm, vilket gav m = 3).
      2. Bestäm krävs objektivets brännvidd av förstoringen och tunn lins ekvation:
        m = s I / S o, med Si och s s o + 1 / s i = 1 / f, med f att vara fokallängden hos linsen.
        Obs: I detta protokoll: si = m x s o = 3 x 1000 mm = 3000 mm, vilket resulterar i f = 750 mm.
      3. Använd speglar om avståndet mellan linsen och objektet är opraktiskt stor (här 3000 mm).
    3. Ta mantling av optiska fibrer för att föra dem så nära varandra som möjligt och utforma ett bekvämt monteringssystem. Använd till exempel en enkel presspassning montering med fibrerna liggande bredvid varandra.
    4. Rikta det optiska systemet (bestående av lins, speglar, optiska fiberändarna) med en vertikal och horisontell linjelaser: Ta alla komponenter på samma höjd (som provet) och rikta linsen vinkelrät mot provets stagnationslinje (region i front av provet näsa på axeln av provet).
    5. Fokusera den optiska banan genom att placera linsen på ett avstånd s o från testprovet och den optiska fibern slutar vid avstånd Sj från linsen. Belysa provet stagnationspunkten med en lampa och placera fiberändarna vid läget för den bästa fokuserade bilden.
      Obs: Skapa bilden av en penna stil Mercury kalibreringslampa placerad framför provet kan hjälpa: anslut en spektrometer till en optisk fiber och placera den rörliga fiberänden där den starkaste utsläpp av kvicksilver sker.
    6. När linsfibersystemet är i linje, skicka en laserpunkt genom fiberändarna (spektrometer sidan) och observera fokuserade lasers på provsidan med ett vitt pappersark för att bekräfta rätt position och fokusering framför provet (före varje testkörning).
    7. Förhindra eventuella utsläpp förutom att från brännpunkten från att komma in den optiska fibern avslutas med enstänga den optiska banan med svart kartong. Dubbelkontrollera med en laserstråle att inget ljus med undantag för att fokuseras av linsen och reflekteras av speglarna når fiberändarna inuti det slutna systemet. För att göra detta, skicka en laserstråle genom de optiska fibrerna (spektrometer sidan) och kontrollera att inget ljus som avges av fiberänden kan nå linsen direkt.
  2. Höghastighetskamera (HSC)
    1. Använd en höghastighetskamera för utanpåliggande observation om sådana finns för att möjliggöra korta exponeringstider för un-mättade bilder av den varma, ablation yta.
    2. Observera provet med HSC vinkelrät mot provets yta. Använd provet - linssystem axel för horisontell och vertikal inriktning av kameraoptik. Se till centrum av synfältet för HSC sammanfaller med mitten av linsen och provet stagnationspunkten.
    3. Synkronisera HSC och utsläpps spektrometrar med en digital fördröjningsgenerator (DDG). Trigger HSC inspelning med enenda spänningstopp från DDG och utlösa varje spektrum inspelning med önskad frekvens (2Hz) under experimenten (avsnitt 3).
  3. radiometri
    1. Använda en två-färgpyrometer för observation av yttemperaturen i kombination med ett kvartsfönster på testkammaren.
      Obs: Om mycket höga måltemperaturer förväntas, överskrider mätområdet hos anordningen, överväga att minska mätbart radians med ett lämpligt filter eller ett fönster av lägre transmittans.

3. Experimentell testning

  1. Ta fotografier med en konventionell DSLR-kamera, mäta dimensioner (med en kaliber regel) och vikten av det jungfruliga prov före installation i testkammaren.
  2. Inställning HSC programvara:
    1. Ställ högt exponeringstiden (90 msek) för att rikta och fokusera HSC före experimentet med provet på plats och ta en pre-testbild (post-trigger = 1).
    2. Bytaexponeringstid för experiment (2-10 ^ sek), och ange post-trigger till maximum (för att lagra alla ramar), ställa rätt inspelningshastighet (fps) för att täcka hela experimentet (här 30-90 sek vid 100 fps).
    3. Ställ initial f-nummer till f / 16.
  3. Ställ DDG till den önskade repetitionsfrekvensen vid vilken spektra skall registreras av spektrometrar (här: 2 Hz). Den första triggerpulsen startar HSC förvärvet.
  4. Ställ in spektrometern förvärv programvara (integrationstiden τ exp: beroende på emissionsintensitet, här: 20-150 msek, anpassa under experimentet vid behov genomsnitt = 1).
    1. Se till det optiska systemet är fortfarande rätt placerad före experimentet med provet på plats (se steg 2.1.6).
    2. Ta bakgrundsbild S bg med varje spektrometer och spara den.
    3. Ändra avtryckaren för att "extern programvara", beroende på vilken programvara (t.ex. SpectraSuite) (andra options är: "yttre" och "synkronisera", med olika syften).
    4. Spara varje spektrum när du tar emot en triggerpuls.
  5. Installera en high definition (HD) kamera vid varje optisk access om så önskas.
  6. Placera provet i skyddssystemet och vakuum testkammaren med hjälp av en grupp av tre vakuumpumpar med roterande skov och en rötter pump.
  7. Starta plasmaanläggningen och föra den till den önskade testvillkoret i termer av värmeflöde och tryck genom att justera den elektriska ineffekten och vakuumpumparna. Använd värmeflödessonden och pilotsond (steg 1,3) för att observera de uppnådda villkor (1 MW / m 2 och 3 MW / m 2 vid 15 hPa och 200 hPa).
  8. Starta inspelning av HD-kamera och pyrometrar.
  9. Ta en fri ström spektrum med alla spektrometrar tillgängliga (för kalibrering jämförelse) då lägre integrationstiden för att förhindra mättnad (från 200 msek till 50 msek).
  10. Trigger HSC och spektrometrar via DDG (se steg 3,2 för inställning) genom att trycka på "trig" och ställa in läget från "yttre" till "intern".
  11. Injicera provet i plasmaflödet. Här används en pneumatisk mekanism som används för att injicera provet.
  12. Justera integrationstiden av spektrometrar vid behov för att undvika mättnad (helst någon förändring av installationen ska nu undvikas).
  13. Justera öppning av HSC vid behov för att förhindra sensor mättnad.
  14. Ta prov efter önskad testtid (30 sek eller 90 sek) i provskyddssystemet och stänga plasmaflöde.
  15. Stoppa DDG och spektrometer förvärv, spara HSC bilder och stoppa pyrometer förvärv.
    Obs: Lämna pyrometer kör om ett material med hög värmekapacitet testas för att övervaka cool-off fas (inte nödvändigt för CBCF förform).
  16. Skicka laserpunkt genom optiska fiberändar (spektrometer sida) och observera laserfokus med HSC, sparar bilden för att markera position spektrometern.Upprepa detta steg med varje spektrometer / optisk fiber.
    OBS: Se till att lasern är inte alltför stark för att skada CCD rad kameran. En avtappningsanordning är att föredra. Alternativt kan en bild av laser pekar på ett pappersark framför det testade provet tas.
  17. Placera ett schackbräde vid läget för testprovet och spela in bilden med HSC för kalibrering.
  18. Ta prov (t.ex. genom hydraulisk utstötning), ta vikt, ta fotografier, och lagra i prov lagring för att skydda den sköra röding skikt bestående av oxiderade fibrer (vidrör inte den främre provytan).

4. Spektrometer Kalibrering

  1. spektral kalibrering
    1. Placera en spektral kalibrering lampa i fokus för linsen (t.ex. en penna stil kvicksilverlampa) för att bestämma våglängdskalibrering och full bredd halv-maximum (FWHM) av det optiska systemet, kan information om dessa åtgärder finns i literature 29.
  2. intensitet kalibrering
    1. Utför en intensitet kalibrering av varje optiskt system bestående av ljusuppsamlingsmekanismen (lins) och spektrometer effektivitet i W / (m 2 · sr · nm) mellan 350 nm och 900 nm. Gör detta genom att placera en volfram-band lampa (OSRAM WI 17G) i fokus för varje samling optik inuti testkammaren. Spela kalibrerings lampans spektrum S cal, exp och få kalibreringsfaktorn C genom:
      C = S cal, th / (S cal, exp - S bg, cal) x τ cal,
      med den teoretiska spektrala känslighet av kalibreringslampa (tillhandahålls av tillverkaren) S cal, th, den uppmätta signalen från kalibreringslampa S cal, exp, bakgrunds S BG, cal, och integrationstiden under kalibreringsmätningen τ cal </ Em>.

5. Data Processing

  1. Yta recession hastighet och spektrometer sondering plats (er):
    1. Observera provinjektion och utstötnings gånger på HSC videofiler för korrekt testtid uppskattning.
    2. Observera pixel placering av provet stagnationspunkten vid injektions från HSC videofil.
    3. Kalibrera HSC förstoring genom att exportera bilden tagen i steg 3,17 (till exempel, Tiff format) och räkna pixlarna i mätområdet som spänner över flera schackbräde torg. Beräkna korrelationspunkter: mm (få en mer detaljerad beskrivning av de inre och yttre kameraparametrar med kameran kalibreringsverktygslåda i MATLAB om så önskas).
    4. Exportera bilden (s) tas i steg 3,16 (till exempel, Tiff format) och hitta pixlarna i spektrometern sondera plats (er) som ljusa fläckar på bilden, vilket indikerar x- och y-läge.
    5. Export HSC bilder (t.ex. Multitiff-fOrmat) och utför flankdetektering (t ex med hjälp av Matlab bygga in funktionen "kant") för att definiera stagnationspunkten plats vid varje tidssteg i (xi och yi).
    6. Subtrahera position ytan (steg 5.1.5) från position spektrometern sondering plats (er) (steg 5.1.4) för varje tidssteg för att få deras avstånd d (t) från ytan.
  2. Emissionsspektra bearbetning (all efterbearbetning kan exempelvis utföras inom Matlab).
    1. Exportera alla inspelade spektrum filer (våglängd vs. intensitet) och kalibrera intensitetssvaret för varje inspelad spektrum av:
      S exp, cal = (S exp - S bg) / τ exp x C,
      med experimentellt erhållna spektrumet S exp, bakgrunds fil S BG (steg 3.4.2), den experimentella integrationstiden64; exp och kalibreringsfaktorn C bestäms under steg 4.2.1.
    2. Om flera spektrometrar används bedöma giltigheten av kalibreringskoefficienten C med hjälp av freestream spektra som tagits under steg 3,9. Rita alla kalibrerade fri-stream spektra tillsammans; deras svar bör vara nästan identiska eftersom spektrometer insamlingsvolymerna i plasmaflödet är mycket nära varandra.
    3. Öppna filen som innehåller våglängds vektor den kalibrerade spektra (t.ex. dubbelklicka på .mat filen i MATLAB) och identifiera rad- index motsvarar våglängder λ 1 = 370 nm och λ 2 = 390 nm (Alternativt kan du använda "hitta "kommandot i Matlab).
      Obs! Pyrolys ablators fenol ursprung arter finns också, såsom C2, CH, H, NH, OH.
    4. Integrera utsläpp signalen av intresse (här CN violett utsläpp, 370-390 nm) mellan de två indices (X 1 och λ 2) från steg 5.2.3 för varje tidssteg (I X 1- λ 2 (t)).
    5. Tomt med programvara val den spektralt integrerade utsläpp (I X 1- λ 2 (t)) för varje spektrometer (steg 5.2.4) som en funktion av spektrometern avstånd från ytan (steg 5.1.6) (Figur 2) ( till exempel, tomt (d (:, 1: 3), I (:, 1: 3), "x")).
    6. För bättre tolkning av resultaten, utföra en polynomanpassning av data och plotta resultatet (t.ex. med hjälp av MATLAB s polyfit kommando:
      [P, ErrorEst] = polyfit (d (:, 1: 3), I (: 1: 3,9);
      [Passar, delta] = polyval (p, d (:, 1: 3), ErrorEst); plot (d, passform))
      Obs: Beroende på platsen och upplösning av det inspelade spektra, kan exciterade tillstånd temperatur av molekyler bestämmas. Använda en strålnings simulation verktyg för att passa numerisk spektra experimentell spektra av KN violett och C 2 svan system. Flera online-verktyg inkluderar spektrala passande verktyg för att få translationell, roterande, vibrerande och elektroniska temperaturer 30.

6. Post-testet Prov

  1. Svepelektronmikroskopi (SEM) för att studera kolfibrer & char skiktet nedbrytning
    Obs: På grund av sin höga elektriska ledningsförmåga, är nödvändig i fallet med helt förkolnade kol prover ingen ytterligare behandling. Laddning och snedvridning av bilderna kommer att ske om jungfru fenolhartset är närvarande i testprovet.
    1. Om det är möjligt att placera hela provet i vakuumkammare SEM-enheten att undersöka char skiktet undvika förstörelse av ytan.
      Anm: En utförlig beskrivning av SEM och X-Ray Mikroanalys tillämpas på kompositmaterial ges i litteraturen 31 och ingår inte i denna protocol.
    2. Använd en jungfru (inte testat) materialprov som referens för att studera kolfiber dimensioner:
      1. Välj en enda, väl observerbara fibrer med SEM-systemet.
      2. Uppskatta jungfrulig kolfiber tjocklek och fiberlängd med de verktyg som tillhandahålls av SEM systemprogramvaran enligt tillverkarens anvisningar. Till exempel söker i verktygsfältet för "Measurement" och välj "Ruler" och tryck sedan på start- och slutpunkterna för målobjektet (t.ex. start- och slutpunkter i en enda fiber).
        Notera: Detta producerar en förbindelselinjesegmentet och avståndet visas. Successivt genomföra denna operation vid behov.
    3. Identifiera nedbrytningsfibermekanismer på det testade provet, exempelvis en nål form, föreslår en syrediffusion begränsad ablation ordning 28, medan pitting av fibrerna och lokala attacker kan bero på att en reaktion kontrollerad regim och / eller lokal active platser på grund av föroreningar i materialet.
    4. Skär sprött material med hjälp av en skalpell. Undersök djupgående nedbrytning och uppskatta djupet där fibrerna förtunnas genom att jämföra tjockleken av tyreoidektomerade fibrer till nyfiber tjocklek (steg 6.1.2.2).
    5. Upptäcka eventuella sotbildning och kolavsättning vid ytan på pyrolys ablators kan detta ökas om provet testades i en syrefattig atmosfär (t.ex. kväve eller argon).
    6. Använd energiröntgenanalys (EDX) 31 tillsammans med SEM för att upptäcka och identifiera föroreningar av materialet som kan leda till ökad reaktivitet (t.ex. kalcium och kalium).

Representative Results

Den öppet tillgänglig bulkmaterial var en mycket porös kolbunden kolfiber förformen (CBCF), bestående av en kort fiberisolering som härrör från rayon (cellulosa fiber framställd från renad cellulosa). De hackade, diskontinuerliga jungfru kolfibrer är sammankopplade i en matris framställs genom pyrolys av fenolhartset. Under denna process fibrerna blir orienterade och mikro och egenskaper är anisotropiska. Materialet sedan vakuum behandlas vid temperaturer över 2300 K för att säkerställa dess temperaturstabilitet och frånvaro av avgasning. Materialet bearbetades internt till halvsfäriska (HS) prover av radien 25 mm med 50 mm i längd. Proverna har en initial densitet av ca 180 kg / m 3 med en initial porositet av 90%.

VKI Plasma anläggningen har använts för samtliga experiment för reproduktion av aero-Thermodynamic miljö återinträde plasmaflöden, vilket skapar en hög entalpi, mycket dissocierade ljuds gasflöde. Gasen upphettas genom induktion genom en spole, vilket skapar en hög renhet plasmaflödet. En översikt över testkammaren och en schematisk bild av den experimentella instrument för in situ mätningar ablation kan hittas i Fig. 1 (a) och 1 (b). Experimentella testbetingelser och de övergripande resultaten, såsom medelvärdes recession hastighet erhållen från HSC avbildning och massförlust är listade i tabell 1. Vi använde en två-färg pyrometer, som använder en bred (0,75-1,1 | im) och smala (0,95-1,1 | im) spektralband för temperaturbestämning vid 1 Hz anskaffningsfrekvens (1,300-3,300 K). Med hjälp av två smala våglängdsband och under antagande om en emissions är oberoende av våglängden, kan yttemperaturen uppskattas utan kunskap om dess emissions. Pyrometern framhölls och fokuserade i stagnation området för sriklig genom ett 1 cm tjockt kvartsfönster, med en vinkel på 35 ° med avseende på stagnationslinje. Instrumentet kalibrerades upp till 3300 K genom en svart kropp källa.

Ytan recession mättes genom HSC med en upplösning på 0,2 mm. Det är uppenbart att bromsok regel recession mätningar i allmänhet resulterat i större värden än de som utförs av HSC avbildning, med en skillnad i total recession mellan de två metoderna som sträcker sig från 0,45 till 0,9 mm. Den högsta osäkerhet för denna mätning infördes genom att komprimera spröda röding lager med bromsoket regeln. Recession priser i luft varierade mellan 44,6 och 58,4 pm / sek. Det är dessutom uppenbart att HSC bestämda recession priser i luft plasma inte skiljer sig mycket, troligen på grund av en diffusion styrd ablation regim. I denna regim är ytan tillräckligt hög temperatur för att orsaka fullständig förbrukning av det tillgängliga syret vid ytan, och consequently är ablation begränsas av diffusion av syre genom gränsskiktet 32,33. Omvänt, i en oxidationsreaktion kontrollerad miljö, diffunderar syre snabbare genom ett gränsskikt än den förbrukas vid ytan och ablation ökar med yttemperaturen. Recession kurser för CBCF material i hög entalpi miljöer också rapporterats av MacDonald et al. (56 ^ m / sek) 22 och Löhle et al. (50 pm / sek) 34. Dessa värden ligger mellan våra mätningar, men MacDonald et al. används ett cylindriskt testprov form och Löhle et al. ett testprov inbäddat i en vattenkyld sond.

Tre lågupplösta spektrometrar användes för observation av den gas-fasen. Fördelen med detta instrument är en snabb scanning av ett brett spektralområde (200 - 1000 nm) som gör det möjligt för detektion av flera molekyler och atomer, som föreligger i ablation-analys.

Integrerad CN utsläppsnivåer, avsatt över avstånd från ablation ytan visar mycket god överensstämmelse med avseende på varandra (Fig. 2). Uppgifterna är märkta i enlighet med deras respektive ståndpunkter från provytan med "nära", "mitten" och "långt". De tre spektrometrar mätte samma KN violett utsläppsintensitet när den fasta optiska banan samlas ljuset från samma avstånd framför ytan. De integrerade intensiteten hos alla tre spektrometrar nästan sammanfaller 3.4 mm innan ablation ytan. Båda fallen visar att den inspelade CN violett utsläpp nådde en topp precis framför provet, för att sedan minska genom gränsskiktet. Från dessa resultat härleda vi att materialet avbränning i luft under hela provperioden var mycket stabil, och att den inspelade emissionssignalen sjunkit ca 90% inom 5 mm frontal av ytan. CN violettexperimentella spektra sedan används för jämförelse med simulerade spektra för att erhålla gastemperaturer. De syntetiska spektra erhölls med användning av SPECAIR 2,2, förutsatt en Boltzmann fördelning av exciterade nivåer och en minsta kvadratpassningsförfarande tillämpades för att beräkna translation-roterande temperaturer T röta och vibrations-elektroniska temperaturer T vib (Fig. 3). Två förhållanden vid låg (a) och hög (b) tryck presenteras, med spektra tas nära väggen i gränsskiktet. De uppskattade temperaturerna gav en hög avvikelse från termisk jämvikt vid lågt tryck (Fig. 3 (a)). Samma analys utfördes för flera avstånd från ytan, bättre illustrera avvikelsen från termisk jämvikt nära väggen vid lågt tryck (Fig. 4 (a), 15 hPa), ekvilibrering genom gränsskiktet. De hämtade temperaturerna var i storleksordningen 8200 K för TrOT och 21.000 K för T vib nära väggen, med T vib avtar mot 8200 K genom gränsskiktet. Detta står i kontrast till den jämvikts skick under hela gränsskiktet vid högre tryck (Fig. 4 (b), 200 hPa). Temperatur gränser baserades på en osäkerhet på 10% på intensiteten spektrometer utsläpp, vilket gör att en teoretisk spektrum variation inom dessa gränser för montering förfarande.

Vid lågt tryck, är exciteringsöverföring mellan molekyler reduceras på grund av färre kollisioner, vilket kan förklara den utjämnande effekten mot gränsskiktet kanten. Vi antar en stark påverkan av molekylärt kväve vid låga plasma entalpier på CN produktion, följt av vibrationsexcitering av CN. Dissociativ adsorption av starkt vibrations glada kväve antas skapa reaktiva ställen på ytan som leder till CN produktion. Boubertoch Vervisch beskriva denna process i en kväve / koldioxid plasma vid lågt tryck 35. Denna process kan skapa en pool av kväveatomer vid ytan, med exoterma reaktioner som leder till överskottsenergin omvandlas till roterande och vibrationsexcitering av CN.

Mikrofotografier visade att kol oxidation i luft plasma ledde till en istapp formen hos tyreoidektomerade fibrerna med en oxideringsdjup på omkring 0,2 mm (fig. 5 (a)). Denna typ av istapp formning på grund av ablation är allmänt rapporterats i litteraturen för kol-kol-kompositmaterial 36 - 38. Istappen form (öppningsvinkel) beror på reaktions diffusion konkurrens på ytan av det porösa materialet, och därmed varierar med syrediffusion. Denna längd antas motsvara till medeldjup på syrediffusion. Istappen form bekräftar dessutom diffusion-kontrollerade ablation. I kontrast, reaktionbegränsad ablation skulle tillåta syre att flyta in i den djupare fiberstrukturen, som producerar lokal punktkorrosion av kolfibrerna.

Ljusa gnistor observerades under några ablation tester (Fig. 5 (b)), som kan orsakas av heta fiberkluster lossnar från ytan. Ablation i kväve plasma ledde till mycket nedbrutna fibrerna utmed sin yta, vilket ledde till en långsam nedgång av materialet genom nitridation (Fig. 5 (c)). Som reaktiviteten av kol till kväve är mycket lägre än den för syre, är kväve kan diffundera djupare in i materialet, vilket leder till nedbrytning längs hela fibern.

Figur 1
Figur 1. Plasma och experimentuppställning översikt. (A) VKI Plasmatestkammaren översikt indikerar prov utanför than retentionssystem, värmeflödes och tryckgivare, och optiska accesser för radiometrar, HSC och spektrometer optik. (B) Schematisk bild av försöksuppställningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Bord 1
Tabell 1. Plasmatestförhållanden och experimentella resultat av kol förform prover. Testfall referens, provgaser, statiskt tryck p s, dynamiskt tryck p d, generatoreffekt P, menar kalla vägg värmeflödes q cw, prov exponeringstid τ, menar yttemperatur Ts, recession hastighet r / τ, och förbränningshastigheten m / τ.


Figur 2. Spatial CN violett utsläpp i gränsskiktet Utsläpps profiler som registrerats av tre intilliggande spektrometrar under förform ablation i luften sammanfaller väl när de fasta optiska banor samlades in ljus från samma avstånd framför ablation ytan. Stabilt material avbränning, och reaktiv gränsskikts storlek ~ 5 mm frontal av ytan (villkor A1a). klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. CN violetta temperaturer beräknade från spektral passande metod. Minstakvadratmetoden för bästa montering av KN violett spektra beräknas med SPECAIR 2,2 förutsatt translationell-roterande och vibrerande elektronisk temperer T röta och T vib: (a) Tillstånd A1a: T röta = 8240 K ± 400 K, T vib = 21.600 K ± 1700 K, T LTE = 12.600 K ± 500 K (jämvikts simulering T LTE anges för jämförelse); (B) Tillstånd A1a: T röta = 6880 K ± 200 K, T vib = 7120 K ± 180 K. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. KN violett temperaturprofiler i gränsskiktet. Translational-rotations- och vibrationselektroniska temperaturer T röta och T vib från simulerade monterad, CN violett spektraberäknas med ett verktyg strålningssimulerings vid fyra avstånd från abiadering ytan tyder på avvikelse från en termisk jämviktstillstånd nära väggen vid ett lågt tryck av 15 hPa (a) men föreliggande jämvikten i hela gränsskiktet vid 200 hPa (b). Temperatur gränser [K] baserades på en osäkerhet på 10% på intensiteten spektrometer utsläpp, vilket gör att en teoretisk spektrum variation inom dessa gränser för montering förfarande. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. svepelektronmikro efter luft ablation (a), inklusive in situ fotografi (b) och mikrofotografier efter kväve ablation (c). (A) Post luft ablation mikrofotografier togs vidfrontyta nära stagnationspunkten föreliggande förtunning av kolfibrer till följd av oxidation från fiberspetsen, vilket leder till icicle form, är djupet av syrediffusion nära 200 ^ m (diffusion begränsad ablation); (B) Fotografera taget under ablation test av ett cylindriskt prov (exponeringstid: 1/200 sek) illustrerar ljus gnistbildning; (C) Kraftig korrosion observerades i kväve utefter hela fiberlängd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Detta protokoll beskriver förfaranden för materialkarakterisering reagera termiska skyddsmaterial i hög entalpi flöden och presenterar provresultat som erhållits på ett icke-pyrolysera, ablation kol bundna kolfiber (CBCF) föregångare. Den CBCF material är mycket lik den stela prekursor för låg densitet kol fenol ablators såsom PICA och Asterm, som är den ultimata mål för de presenterade teknikerna. De främsta fördelarna med den CBCF material är dess låga pris och öppen tillgänglighet, eftersom den inte är begränsad till exportkontroll licenser. Det valdes för presentation av författarnas tillvägagångssätt som andra forskningsinstitutioner lätt kan få rå CBCF material. Med denna publikation författarna tänka sig definitionen av en relativt enkel standardförfarande, vilket underlättar jämförelse med andra laboratorier.

Kärn tekniker är en icke störande metod att spåra material recession och sondering av than kemi i den reaktiva gränsskiktet av emissionsspektroskopi. Tillämpning av höghastighets avbildning är en enkel teknik men man måste tas med anpassningen av kamerasystemet och den förväntade ytan utstrålning. En kort exponeringstid av storleksordningen några få mikrosekunder hjälper till att undvika mättning av kamerans sensor.

Några fotogrammetriska tekniker för ablatom recession rapporteras i litteraturen, t ex genom Löhle et al. 34. De är överlägsna vår teknik på grund av att avbildning av hela ablatom ytan vid högre upplösning. Författarna anger en upplösning på 21 ^ m, vilket är nästan en storleksordning högre än den för den teknik som presenteras i vårt arbete. Men installation av foto installation, kalibrering och efterbearbetning är tidskrävande (författarna rapporterar en dag / test), och två optiska portar krävs om två oberoende kameror måste användas. Testerna som kräver en hög numbra av proverna göra denna ansökan mycket kostsamt. Tekniken som presenteras i detta protokoll enkelt ställa in och efterbearbetning kan göras med befintliga numeriska verktyg. Vår teknik träffade målet målet att följa ytan recession in situ. Riktigheten i vår teknik skulle kunna ökas ytterligare med en högre kamera upplösning eller högre brännvidd av det optiska systemet. Men om materialet analys kräver hög rumslig upplösning av ytan detaljer, föreslår vi att anställa fotogrammet tekniker.

Man måste tas med inriktningen och kalibrering av det optiska systemet för optisk emissionsspektroskopi (OES). Denna teknik är begränsad till line-of-sight mätningar och sonder är begränsad till elektroniskt exciterade atomer och molekyler. Men dess enkelhet och hög avkastning på investeringen fortfarande styr över mer avancerade tekniker såsom exempelvis laserinducerad fluorescens (LIF) spektroskopi, vilket ärsvårt att utföra nära ytan under ablation analys. Även LIF-spektroskopi har framgångsrikt använts för utredningen av grundtillståndet artpopulationer i plasma freestream 39,40, LIF mätningar i gränsskiktet är relativt sällsynta. Mätningar av SiO framför en varm SiC prov rapporteras av Feigl 41 men har inte utförts ännu för ablation ytor. Vikande ytan av ablatom förbjuder långa mättider i gränsskiktet. Bortsett från detta är LIF system mycket dyra på grund av det stora antalet specifika komponenter.

Den rumsliga och tidsmässiga utvecklingen av ablation produkter är av intresse för denna publikation, som kan relativt enkelt utföras av emissionsspektroskopi. Tre låg upplösning, bred spektrometrar avstånds tjänade till att upptäcka om flera atomer och molekyler närvarande under ablation testning. Den optiska diagnostiska bänk bestod av en ljusmottagande lins, två spegels, och en optisk fiber för var och en av de tre spektrometrar. Det var viktigt för den optiska konfigurationen att inget ljus, med undantag för att fokuseras av linsen, nådde de optiska fibrerna.

Om en pyrolysera materialet som studeras, är talrika kolväten kastas ut av det material, som är allestädes närvarande i förbrännings lågor, såsom exempelvis Väte (balmerserien, H α och H β), C 2 (Swan-system), CH, OH, NH 42. Dessa kan detekteras med denna inställning. Flera forskargrupper nyligen tillämpa emissionsspektroskopi för att analysera det reaktiva gränsskiktet bildas runt ablativa värmeskölden material 19,22,43,44. MacDonald et al. 22 förformade ablation tester i en induktivt kopplad plasma. Installationen bestod av en liknande lågupplöst spektrometer med en spektral upplösning av 1,16 nm, vilket är lägre än upplösningen som tillhandahålls av spektrometern används för vår setup. Deras första test provform var en cylinder, under stark kant ablation, vilket framgår av den stigande yttemperatur under provningen. Därför gränsskiktet termo tillstånd förändrats förmodligen under försöket, vilket komplicerar en tidsmedelvärdes analys. Den halvsfäriska prov som används vid vår analys testet inte uppleva kant ablation och behållit sin form under 30-90 sek testtid 45.

Hermann et al. 44 ger första resultat på strålnings ablation koppling i en magnetoplasmadynamic arcjet anläggning gäller emissionsspektroskopi. Detta är av stort intresse för det vetenskapliga samfundet eftersom det inte har varit mycket utredning i långvariga marktestanläggningar om detta ämne. Olyckligtvis är ingen tidsbeteendet av utsläpp framför pyrolysera materialet rapporteras. Deras spektra i intervallet 300-800 nm sammanfogas till ett fullt spektrum under efterbehandling från 120 nm våglängd segment av changing centrum våglängd av den använda spektrograf. Hence, togs flera spektra tas över tiden för att täcka hela spektralområdet. Om förstörbart material, CBCF förformen och Asterm i deras fall, upplevde en stark tids beteende som orsakas av både övergående pyrolys gas utstötning och yta ablation, kan detta förfalska tidsmässigt genomsnitt spektrum.

En fördel med spektrografen presenteras i vårt arbete är därför det breda spektralområdet (200-900 nm) jämfört med slit spektrografer, vilket brukar resultera i en maximal räckvidd på 120 nm vid lägsta upplösningen. Det breda spektralområdet observeras med ett enda förvärv möjliggör observation av olika arter i gränsskiktet, till följd av de ablation och pyrolys processer, såsom väteinnehållande ämnen (OH, NH, CH, H), kol bidrags (C, CN, C 2), och föroreningar (Na, Ca, K). Men om bara en enda art övergång är av intresse, kan en hög upplösning spalt spektrografen vara Applied, vilket ytterligare tillåter skanning av hela radiella utsläppsprofil som utfördes av Hermann et al. 44

Tillämpningar av de experimentella data är exempelvis, validering av kopplade CFD och materialsvarskoder. En stagnation-linjekoden med ablativ randvillkor har nyligen utvecklats på VKI för reproduktion av flödesfältet längs stagnationslinje sfäriska kroppar i VKI Plasma 46. En preliminär jämförelse av försöks utsläpp med simulerade profiler gränsskikt presenterades på annat håll 45.

Den mikro analys av testade proverna var ett tecken på olika nedbrytningsfenomen av kolfibrer i luft och kväve plasma. Den observerade icicle morfologi tyreoidektomerade fibrer stödjas ytterligare antagandet om diffusionskontrollerad ablation, vilket föreslogs av de nästan identiska recession priserna på lågt tryck (15 hPa). Vidare Abseiou av internt material oxidation argumenterar mot inflödet eller spridning av heta gränsskiktsgaser i den porösa testprov. En sådan intern oxidation, som studerat numeriskt av Weng et al. För PICA 47, skulle kunna leda till en svagare fiberstruktur, vilket mekaniskt fel av materialet, till exempel i form av spallation 48,49. Därför föreslår vi starkt en allmän mikroanalys tillsammans med hög entalpi testning av porösa kol-kompositmaterial för värmeskölden applikationer. Det yttersta målet för en mikroanalys skulle vara identifieringen av kolfiber inneboende reaktiviteter. Rumsligt upplösta bilder kan avancera sådan analys, exempelvis genom mikro tomografi som utförs av Panerai et al. 50. Ett material kod utvecklades i VKI använder diskontinuerliga Galerkins diskretisering att simulera komplexa djupgående termisk respons av ablativa kompositmaterial 51 .Denna kod utnyttjar den nya thorgrundlig fysikalisk-kemiska bibliotek Mutation ++, som ger de termiska och transportegenskaper gasblandningar, inklusive beräkning av både ändliga ränta gasfas kemi och homogen / heterogen gas / gas-fast jämvikt kemi 52. Vi förutser jämförelse av våra experimentella data till materialet svarskod, som är i stånd att representera mikroskala tillståndet hos det porösa mediet.

Acknowledgments

Forskningen av B. Helber stöds av en gemenskap för byrån för innovation genom vetenskap och teknik (IWT, dossier # 111.529) i Flandern, och forskning TE Magin av Europeiska forskningsrådet Starting Grant # 259.354. Vi erkänner Mr P. Collin för hans värdefulla hjälp som Plasma operatör. Vi tackar George Law och Stephen Ellacott för att ge testmaterialet och informativ stöd.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sutton, G. W. The Initial Development of Ablation Heat Protection: An Historical Perspective. J. Spacecraft Rock. 19 (1), 3-11 (1982).
  2. Torre, L., Kenny, J. M., Maffezzoli, A. M. Degradation behaviour of a composite material for thermal protection systems Part I - Experimental characterization. J. Mater. Sci. 33, 3137-3143 (1998).
  3. Duffa, G. Ablative Thermal Protection Systems Modeling. Amer Inst of Aeronautics. , (2013).
  4. Laub, B., Venkatapathy, E. Thermal Protection System Technology and Facility Needs for Demanding Future Planetary Missions. International Workshop on Planetary Probe Atmospheric Entry and Descent Trajectory Analysis and Science. , Lisbon (Portugal). 239-247 (2003).
  5. Tran, H. K. Development of Lightweight Ceramic Ablators and Arc Jet Test Results. NASA. , (1994).
  6. Tran, H. K., et al. Phenolic Impregnated Carbon Ablators (PICA) as Thermal Protection Systems for Discovery Missions. NASA. , (1997).
  7. Ritter, H., Portela, P., Keller, K., Bouilly, J. M., Burnage, S. Development of a European Ablative Material for Heatshields of Sample Return Missions. 6th European Workshop on TPS and Hot structures. , Stuttgart (Germany). (2009).
  8. Pulci, G., Tirillò, J., Marra, F., Fossati, F., Bartuli, C., Valente, T. Carbon-phenolic ablative materials for re-entry space vehicles: Manufacturing and properties. Compos: Part A. 41, 1483-1490 (2010).
  9. Natali, M., Monti, M., Kenny, J. M., Torre, L. A nanostructured ablative bulk molding compound: Development and characterization. Compos: Part A. 42, 1197-1204 (2011).
  10. Allcorn, E. K., Natali, M., Koo, J. H. Ablation performance and characterization of thermoplastic polyurethane elastomer nanocomposites. Compos: Part A. 45, 109-118 (2013).
  11. Esper, J., Lengowski, M. Resin-Impregnated Carbon Ablator: A New Ablative Material for Hyperbolic Entry Speeds. , at http://www.techbriefs.com/component/content/article/14610 (2012).
  12. Rothermel, T., Zuber, C. h, Herdrich, G., Walpot, L. A light weight ablative material for research purposes. 6th Ablation Workshop, Urbana-Champaign (US-IL), , (2014).
  13. Kendall, R. M., Bartlett, E. P., Rindal, R. A., Moyer, C. B. An analysis of the coupled chemically reacting boundary layer and charring ablator: Part I (CR 1060). , (1968).
  14. Milos, F. S., Chen, Y. K. Comprehensive model for multicomponent ablation thermochemistry. 35th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Reno (US-NV), , AIAA paper. (1997).
  15. Lachaud, J., Mansour, N. N. Microscopic scale simulation of the ablation of fibrous materials. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando (US-FL), , AIAA 2010-984 (2010).
  16. Lachaud, J., Cozmuta, I., Mansour, N. N. Multiscale approach to ablation modeling of phenolic impregnated carbon ablators. J. Spacecraft Rock. 47 (6), 910-921 (2010).
  17. Prabhu, D., et al. CFD Analysis Framework for Arc-Heated Flowfields, I: Stagnation Testing in Arc-jets at NASA ARC. 41st AIAA Thermophysics Conference, San Antonio, TX, USA, , AIAA 2009-4080 (2009).
  18. Milos, F., Chen, Y. K. Ablation and Thermal Response Property Model Validation for Phenolic Impregnated Carbon Ablator. J. Spacecraft Rock. 47 (5), 786-805 (2010).
  19. Loehle, S., Hermann, T., Zander, F., Fulge, H., Marynowski, T. Ablation Radiation Coupling Investigation in Earth Re-entry Using Plasma Wind Tunnel Experiments. 11th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, Atlanta (USA), , AIAA. AIAA 2014-2250 (2014).
  20. Driver, D. M., MacLean, M. Improved Predictions of PICA Recession in Arc Jet Shear Tests. 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition), , AIAA paper 2011-20141 (2011).
  21. Uhl, J., Owens, W. P., Meyers, J. M., Fletcher, D. G. Pyrolysis Simulation in an ICP Torch Facility. 42nd AIAA Thermophysics Conference, , Honolulu (US-HI). AIAA 2011-3618 (2011).
  22. MacDonald, M. E., Jacobs, C. M., Laux, C. O., Zander, F., Morgan, R. Measurements of Air Plasma/Ablator Interactions in an Inductively Coupled Plasma Torch. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 29 (1), 12-23 (2015).
  23. Bottin, B. Aerothermodynamic Model of an Inductively-coupled Plasma Wind Tunnel. , Von Karman Institute for Fluid Dynamics. (1999).
  24. Bottin, B., Chazot, O., Carbonaro, M., van der Haegen, V., Paris, S. The VKI Plasmatron Characteristics and Performance. RTO AVT Course on Measurement Techniques for High Enthalpy and Plasma Flows, Rhode-Saint-Genèse (Belgium), , RTO EN-8. 6-26 (1999).
  25. Guariglia, D., Helber, B., Chazot, O. Enhancement of the VKI Plasmatron Facility Capabilities for Testing High HeatFlux re-entry Conditions. 8th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles (ESA, , (2015).
  26. Kolesnikov, A. F. Conditions of Simulation of Stagnation Point Heat Transfer from a High-enthalpy Flow. Fluid Dyn. 28 (1), 131-137 (1993).
  27. Barbante, P. F., Chazot, O. Flight Extrapolation of Plasma Wind Tunnel Stagnation Region Flowfield. J. Thermophys. Heat Transfer. 20 (3), 493-499 (2006).
  28. Helber, B., Chazot, O., Hubin, A., Magin, T. Microstructure and gas-surface interaction studies of a low-density carbon-bonded carbon fiber composite in atmospheric entry plasmas. Composites: Part A. 72, 96-107 (2015).
  29. Svanberg, S. Atomic and Molecular Spectroscopy. , Springer Series on Atoms and Plasmas. (1992).
  30. Spectralfit Specair User manual, Version 3.0. , http://www.specair-radiation.net/Specair manual.pdf (2015).
  31. Goldstein, J., Newbury, D., Joy, D., Lyman, C., Echlin, P., Lifshin, E., Sawyer, L., Michael, J. R. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Kluwer Academic / Plenum Publishers. New York. (2003).
  32. Scala, S. M., Gilbert, L. M. Sublimation of Graphite at Hypersonic Speeds. AIAA J. 3 (9), 1635-1644 (1965).
  33. Metzger, J. W., Engel, M. J., Diaconis, N. S. Oxidation and Sublimation of Graphite in Simulated Re-entry Environments. AIAA J. 5 (3), 451-459 (1967).
  34. Loehle, S., Staebler, T., Reimer, T., Cefalu, A. Photogrammetric Surface Analysis of Ablation Processes in High Enthalpy Air Plasma Flow. 11th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference AIAA, Atlanta (US-GA), , AIAA paper 2014-2248 (2014).
  35. Boubert, P., Vervisch, P. CN spectroscopy and physico-chemistry in the boundary layer of a C/SiC tile in a low pressure nitrogen/carbon dioxide plasma flow. J. Chem. Phys. 112 (23), 10482-10490 (2000).
  36. Lachaud, J., Aspa, Y., Vignoles, G. L. Analytical modeling of the steady state ablation of a 3D C/C composite. International Journal of Heat and Mass Transfer. 51, 2614-2627 (2008).
  37. Vignoles, G. L., Lachaud, J., Aspa, Y., Goyhénèche, J. M. Ablation of carbon-based materials: Multiscale roughness modelling. Compos. Sci. Technol. 69, 1470-1477 (2009).
  38. Cho, D., Yoon, B. I Microstructural interpretation of the effect of various matrices on the ablation properties of carbon-fiber-reinforced composites. Composites Science and Technology. 61, 271-280 (2001).
  39. Marynowski, T., Löhle, S., Fasoulas, S. Two-Photon Absorption Laser-Induced Fluorescence Investigation of CO2 Plasmas for Mars Entry. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 28 (3), 394-400 (2014).
  40. Fletcher, D. Arcjet flow properties determined from laser-induced fluorescence of atomic nitrogen. Applied Optics. 38 (9), 1850-1858 (1999).
  41. Feigl, M., Auweter-Kurtz, M. Investigation of SiO production in front of Si-based material surfaces to determine the transition from passive to active oxidation using planar laser-induced fluorescence. 35th AIAA Thermophysics Conference, , AIAA 2001-3022 (2001).
  42. Helber, B., Asma, C. O., Babou, Y., Hubin, A., Chazot, O., Magin, T. E. Material response characterization of a low-density carbon composite ablator in high-enthalpy plasma flows. J. Mater. Sci. 49 (13), 4530-4543 (2014).
  43. Wernitz, R., Eichhorn, C., Marynowski, T., Herdrich, G. Plasma Wind Tunnel Investigation of European Ablators in Nitrogen/Methane Using Emission Spectroscopy. International Journal of Spectroscopy. 2013, 1-9 (2013).
  44. Hermann, T., Loehle, S., Leyland, P., Marraffa, L., Bouilly, J. M., Fasoulas, S. First results on ablation radiation coupling through optical emission spectroscopy from the vacuum ultraivolet to the visible. 8th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, , (2015).
  45. Helber, B., Turchi, A., Chazot, O., Hubin, A., Magin, T. Gas/Surface Interaction Study of Low-Density Ablators in Sub- and Supersonic Plasmas. 11th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, Atlanta (USA), , AIAA 2014-21222 (2014).
  46. Turchi, A., Helber, B., Munafò, A., Magin, T. E. Development and Testing of an Ablation Model Based on Plasma Wind Tunnel Experiments. 11th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, Atlanta (USA), , AIAA 2014-2125 (2014).
  47. Weng, H., Bailey, S. C. C., Martin, A. Numerical study of iso-Q sample geometric effects on charring ablative materials. International Journal of Heat and Mass Transfer. 80, 570-596 (2015).
  48. Mathieu, R. D. Mechanical Spallation of Charring Ablators in Hyperthermal Environments. AIAA Journal. 2 (9), 1621-1627 (1964).
  49. Davuluri, R., Martin, A. Numerical study of spallation phenomenon in an arc-jet environment. 11th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, Atlanta, GA (USA), , AIAA 2014-2249 (2014).
  50. Panerai, F., Martin, A., Mansour, N. N., Sepka, S. A., Lachaud, J. Flow-Tube Oxidation Experiments on the Carbon Preform of a Phenolic-Impregnated Carbon Ablator. J. Thermophys. Heat Transfer. 28 (2), 181-190 (2014).
  51. Schrooyen, P., Hillewaert, K., Magin, T. E., Chatelain, P. Discontinuous Galerkin discretization coupled with sharp interface method for ablative materials. 21st AIAA Computational Fluid Dynamics Conference, San Diego, CA (USA, , AIAA 2013-2457 (2013).
  52. Scoggins, J. B., Magin, T. E. Gibbs Function Continuation for Linearly Constrained Multiphase Equilibria. Combust. Flame. , (2015).

Tags

Engineering flygteknik thermophysics ablation kompositmaterial emissionsspektroskopi fasövergång hög temperaturegenskaper kemi mikroanalys optisk diagnos
Emission Spektroskopiska Boundary Layer Undersökning under ablativ Material Testing Plasma
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Helber, B., Chazot, O., Hubin, A.,… More

Helber, B., Chazot, O., Hubin, A., Magin, T. E. Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron. J. Vis. Exp. (112), e53742, doi:10.3791/53742 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter